地震預警信息發布單元的研制

吳鵬 楊江

摘? 要： 文中設計一款地震預警信息發布單元，采用ITOP4412核心板作為主控板卡，利用其網絡模塊通過TCP/IP通信對地震信息推送服務器的數據包進行接收，并根據相關協議對接收數據包進行解析，得到本地地震烈度、地震到達時間、震源發生坐標等信息。通過I/O口驅動控制板卡進行地震烈度報警，同時，通過自帶音頻模塊進行報警廣播，利用RS 232通信接口與GLM?430?C觸摸液晶屏進行數據交互和報警解除操作，具有地震信息推送報警響應快速、工作穩定等特點。

關鍵詞： 地震預警信息發布單元; 地震數據解析; 地震烈度計算; 地震烈度報警; 報警解除; 性能測試

中圖分類號： TN915?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）11?0167?05

Development of earthquake warning information release unit

WU Peng1， 2， 3， YANG Jiang1， 3

（1. Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning， Hubei Earthquake Agency， Wuhan 430071， China;

2. Hubei Subsurface Multi?scale Imaging Key Laboratory， Institute of Geophysics and Geomatics， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China;

3. Wuhan Institute of Seismic Scientific Instruments Co.， Ltd.， Wuhan 437000， China）

Abstract： An earthquake warning information release unit is designed. The ITOP4412 core board is used as the main control board card， and its network module is used to receive the data packet of the seismic information push server by TCP/IP communication. The received data packets are analyzed according to the relevant protocol to obtain the local seismic intensity， earthquake arrival time and focal coordinates. The seismic intensity alarm is carried out by driving control board card of I/O port， the alarm broadcasting is carried out by built?in audio module， and the RS 232 communication interface and GLM?430?C touch LCD screen are used to carry out the data interaction and alarm release operation. It is verified that the unit has the characteristics of fast response to earthquake information push alarm and stable operation.

Keywords： earthquake warning information release unit; seismic data analysis; earthquake intensity calculation; earthquake intensity alarm; alarm release; performance test

0? 引? 言

目前，我國現有地震信息發布手段單一、覆蓋范圍有限、時效性較差。由中國地震局組織實施的國家地震烈度速報與預警工程項目預計2020年底實施完成[1]。同時，全國各省市也在非重點監視區積極建設預警補充網絡。全國地震預警網建設完成后，我國將實現重點監視區10 km、非重點監視區30～40 km間距密度的地震預警監測，能提高預警時間和預警參數的準確性，為群眾增加了寶貴的地震避險時間[2?3]。上述計劃目前僅僅解決了地震信息的預警源問題，針對現在國內存在的空白，擬設計開發一款地震預警信息發布平臺，用于進行相關地震信息的推送，主要應用于大型商業廣場、學校、醫院及大型重要基礎設施。

1? 工作原理

國家地震烈度速報與預警服務平臺主要由地震監測臺網、數據庫、服務器、地震預警信息發布終端構成。地震監測臺網用于進行區域性地震前兆信息監測，并將地震數據實時通過網絡傳輸到數據中心進行數據備份存儲。服務器對地震數據進行算法分析和統計，將地震烈度計算結果通過定義好的協議規范進行局域網發布，發布信息存放于搭建好的MQTT服務器[4]。地震預警信息發布終端接收MQTT服務器的地震數據包。

地震預警信息發布終端是針對地震預警信息接收和報警推出的終端設備，其主要功能是通過接收推送服務器推送的地震信息，利用自身定位信息自動計算地震到達當前點的預計時間和預估烈度，并發出聲光電報警信息。

2? 硬件設計

地震預警信息發布單元的報警輸出級別一共分為4個等級，分別對應4種報警指示及4類報警音頻輸出音響。設備后面板設計有HDMI視頻輸出接口、直連電腦顯示器或者液晶屏，可實時連線百度地圖并標注本地的GPS坐標，當有地震到來時，在界面將彈出報警窗口，用于計算地震到達本地倒計時以及相關地震震源、方位、震級等信息，可通過鼠標選中彈出的報警窗口相應控件解除報警，也可通過人工手動點擊觸摸屏相應控件解除報警，整個系統結束報警狀態。

地震預警信息發布單元硬件組成結構如圖1所示，主要包括核心嵌入式板卡、控制板、電源板、液晶觸摸控制屏等部分。

2.1? 電源板卡

電源板卡主要采用金升陽的型號為LH20?10D0512?06電源模塊，它是一款AC?DC電源模塊，具備較寬的輸入范圍：100～240 V，具有兩路電源輸出，分別是+5 V和+12 V，其中，+5 V主要用于給嵌入式核心板和4.3寸觸摸液晶屏進行供電，+12 V用于給報警邏輯控制板卡供電[5]。

嵌入式核心板供電電路主要分為三路，分別為核心板卡電源電路、部分外圍設備3.3 V供電電路和部分外圍設備1.8 V供電電路。

2.1.1? 核心板卡電源電路

如圖2所示，采用RT8065電源管理芯片作為核心板卡供電電路。RT8065是一個轉換效率可達到95%的同步高壓轉低壓的DC/DC模塊，其輸入電壓范圍在2.7～5.5 V，其輸出電壓可調范圍為0.8～5 V，驅動電流可達到3 A。其輸入典型電壓[VCC]為5 V，[R133]為RT8065工作開關頻率設置電阻，根據[R133]的阻值，其工作頻率范圍為200 kHz～2 MHz。設計[R133]阻值為510 kΩ，依據工作手冊所對應的開關頻率與阻值曲線，此時對應的開關頻率為[F=]480 kHz左右。依據數據手冊，其基準電壓典型值[Vref=]0.8 V，其輸出電壓可調，[Vout=Vref?（1+R131R135）=]3.6 V（其中，[R131]和[R135]分別為120 kΩ和33.2 kΩ）。其電感[LT]的電感值的選擇取決于輸入、輸出電壓和紋波電流，紋波電流的最大典型值為[0.4?Imax]（最大輸出電流為3 A），依據電感[LT=][Vout（F?Imax）1-VoutVin（max）]≈2.2 μH，[R132]與[C95]選擇數據手冊推薦典型值，分別為33 kΩ和560 pF。

2.1.2? 3.3 V及1.8 V供電電路

部分外圍設備供電電路分別如圖3，圖4所示。采用DC/DC型號MP2012DQ電源管理芯片，該芯片是一固定頻率為1.2 MHz，電流為1.5 A的降壓轉換器。輸入電壓范圍為2.7～6 V，輸出電壓可調范圍在0.8 V～[Vin]之間，輸入、輸出轉換效率可達95%以上。圖3與圖4中的輸出電壓分別由[R3]和[R5]以及[R10]和[R11]決定。該芯片基準電壓[Vref=]0.8 V，輸出[Vout1=Vref?（1+R3R5）≈]3.3 V和[Vout2=Vref?（1+R10R11）]≈1.8 V（其中，[R3]，[R5]，[R10]和[R11]分別為121 kΩ，39 kΩ，4.99 kΩ和4.02 kΩ）。

2.2? 嵌入式核心板卡

嵌入式核心板采用ITOP4412，其選用三星Exynos4412四核處理器，主頻為1.4 GHz，內置8 GB存儲空間。嵌入式核心板采用DM9621網卡芯片作為網絡通信模塊，用于實現板卡與服務器之間的網絡通信，采用WM8960高清音頻解碼器作為音頻設備的外放接口。該核心板卡主要通過網絡接收地震信息數據包并進行解析，將地震參數分別通過HDMI和串口進行液晶顯示屏和LCD顯示，并通過GPIO口與報警邏輯控制卡進行交互，進行地震聲光報警。

2.3? 報警邏輯控制板卡

報警邏輯控制板卡主要通過與嵌入式核心板I/O端口進行通信，依據I/O口的高低電平變化來控制報警邏輯控制板卡所對應的報警指示燈的亮和滅，并控制蜂鳴器的鳴響。在蜂鳴器控制回路中串接滑動變阻器，通過調節滑動變阻器的阻值控制回路電流的大小，進而控制聲響強弱。報警輸出采用繼電器干節點輸出控制模式，當地震烈度達到3等級以上，對應的地震觸發時節點為斷開狀態，與地震報警對應的地震報警節點將處于閉合狀態，閉合回路電流最大可承受1 A。此外，預留外部輸入端口，用于以后功能擴展使用。

如圖5所示，采用4路GPIO口進行報警指示操作，1路蜂鳴器及2路干節點輸出。默認狀態下，GPIO輸出為低電平，其輸出與分壓電阻網絡[V0]以及LM244運放組成比較器電路。分壓基準電壓[V0=VCC?R10（R2+R6+R10）]=0.9 V（其中，[VCC]=12 V，[R10]，[R2]和[R6]分別為1 kΩ，10 kΩ，2 kΩ），接入LM224的運放負端，GPIO分別接LM224的運放正端。當GPIO輸出為低，LM224輸出為0，當GPIO為高電平，LM224輸出為12 V，用于驅動型號為G6K?2F?Y的雙刀雙擲繼電器進行動作[6]。

輸入控制電路如圖6所示，當外部接入12 V，將導致控制繼電器動作，常開節點產生閉合，分壓電阻網絡基礎電壓[V01]將輸入GPIO口，當控制器監測到對應GPIO口為高電平時，則判斷有外接信號引入，并進行相應動作處置。

2.4? 液晶屏控制模塊

液晶屏控制模塊采用大器智成GLM?430?C模塊，自帶Linux操作系統，具有400 MHz的CPU主頻，64 MB RAM，128 MB FLASH，通過RS 232與嵌入式核心板進行串口通信。主要功能是實現地震相關信息顯示、系統狀態指示以及報警倒計時和報警手動解除等功能。

3? 軟件設計

軟件部分基于核心板卡ITOP4412，在嵌入式Linux系統平臺Qt/Embedded上并通過MQTT協議進行地震預警信息發布。MQTT協議是為大量計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網絡的遠程傳感器和控制設備通信而設計的協議。地震預警設備軟件核心結構框圖如圖7所示。通過MQTT協議向地震信息發布平臺訂閱對應的地震信息主題，然后實時向地震信息發布平臺發布設備信息（設備編碼、設備所在地點經緯度等），并實時接收地震平臺發布的地震信息，然后通過業務邏輯處理將需要可視化的地震震中經緯度、震級、地震烈度和地震到達時間等信息發送給GUI模塊進行展示，同時，發送控制命令到底層外設通信模塊，對蜂鳴器、報警燈和廣播等設備進行控制，以達到通知用戶地震即將到達的信息[7?8]。

3.1? 數據解析處理

地震預警信息發布單元在接收到預警信息包后，需要進一步對預警信息進行解析，計算出當地的地震預警時間和預測烈度，然后接收端才能輸出相應的控制信號。

地震信息發布平臺發布預警信息，地震預警信息發布單元接收來自地震信息發布平臺發布的地震預警信息數據包，并對地震預警信息數據包進行解析，并得到地震的震源經度和緯度、震級，然后根據相關算法計算地震到達本地時間、地震對本地造成的地震烈度值。

關于地震到達本地時間、地震對本地造成的地震烈度值采用下述計算方法：

本地地震烈度[I]計算公式為：

[I=I0-4.0lg（Dis10+1.0）] （1）

式中：地震烈度[I]的值保留一位小數;[I0]代表震中烈度;Dis代表震源距，其單位為km。

本地預警時間[t]的計算公式為：

[t=Dis3.55-（Tnow-Teq）] （2）

式中：[t]為預警時間，單位為s，當[t>0]時，為有預警時間，[t<0]時，無預警時間;[Tnow]為當前時間;[Teq]為地震發震時間[9]。

3.2? 觸摸液晶屏模塊

在Designer編輯器中，通過菜單欄“工具”選擇“系統控件設置”，調用sysCom0對串口通信模塊參數進行設置，設置波特率為9 600，并在串口進行動作腳本編寫，實現串口接收設備電源、網絡、故障等狀態信息和報警信息，串口接收代碼如下：

if （sysCom0.readableBytes（）>=7）

{

data0= sysCom0.read（7）;

if（data0[0]==0xaa&&data0[1]==0xbb&&data0[2]==0xcc&&data0[3]==0xdd&&data0[4]==0x2d&&data0[5]==0x00&&data0[6]==0x01）? //接收的是界面參數

{

if （sysCom0.readableBytes（）>=38）

{

data0= sysCom0.read（38）;

//電源＼網絡＼故障＼經度＼緯度＼高程IP＼子網掩碼＼DNS＼MQTT IP＼

時間年月日時分秒等信息

sysCom0.clearReadBuffer（）;

}}}

地震預警信息界面如圖8所示，創建定時器類型對象main_timer，并進行腳本設計，其更新時間設定為500 ms，讀取串口緩沖區對應數組data0中相應元素，進行定時更新信息。該界面包括震源經度、震源緯度、震級、震源距離、本地地震烈度和本地地震預警時間等幾個部分。根據實際需要，點擊“地震報警解除”按鈕提前結束地震報警，并向核心控制板通過串口發送報警解除命令：

sysCom0.write（0xaa，0xbb，0xcc，0xdd，0x0b，0x10，0x03，0x00，0x00，0x00，0x00）。

通過點擊“設備狀態”，調用xtzt.show（）函數切換界面查看設備狀態信息，如圖9所示。通過設置xtzt_timer定時器控件，進行腳本編輯，設備狀態信息每秒更新一次。

4? 系統測試

4.1? 測試平臺搭建

MQTT是基于TCP/IP的消息發送，MQTT?Server支持Win/Linux等系統的安裝，通過在官網下載apache?apollo?1.7.1?unix?distro.tar.gz，解壓到指定目錄，進入BIN目錄中，執行./apollo create mybroker。

通過修改apollo.xml的，將其改成0.0.0.0，并執行./apollo?broker run，驅動后可以通過http：//127.0.0.1：61680訪問Web頁面，其用戶名和密碼默認為admin/password[10]。

4.2? 測試方法

通過向MQTT服務器發送地震預警信息，由MQTT向地震預警信息發布單元進行推送，每秒由震源處發送一次地震信息包，進行壓力測試，地震預警信息發布單元實時接收并記錄歷史信息，如圖10所示[10]。

對服務器端信息發布時間和終端接收時間進行對比，時間延時約為200 ms，設備接收到地震信息到發布報警信息，時間延時約為150 ms。其中，將震源設置為河北省衡水市武強縣，經緯度坐標為116，38。

5? 結? 論

地震預警信息發布單元已經在中國地震局工程力學研究所進行了相關功能性測試及長期的拷機測試，性能比較穩定，且其報警發布延時短，響應比較迅速，經過后期壓力測試，證明其能保持長期可靠性運行，目前已經正式應用在武漢城市圈烈度速報系統當中。

參考文獻

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