基于3G无线传输的测震台站监控设备的研制①

孙宏志，王学成，刘一萌，卢 山，赵龙梅，孙恺微

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

“十五”和“十一五”期间，全国相继建成并投入运行了大量的数字地震子台。地震子台常处于偏远地区，通常存在易断电、电压波动范围大、电源和信号线易遭受雷击等问题。由此易造成数据采集器和数据传输设备（交换机、路由器和移动的传输设备）的死机或损坏，影响测震数据的连续运行率［1－2］。2012年8月1日全国地震台网技术骨干讨论会上各省代表对地震子台设备运行问题进行了归纳总结，造成故障的主要原因有以下几点：（1）对数据采集器进行远程操作或远程标定时采集器有可能死机；（2）环境温度到零下二十度左右时采集器可能死机；（3）数据采集器和数据传输设备（交换机、路由器和移动的传输设备）由于雷击等原因损坏或死机；（4）由于电源干扰和电源故障造成信号故障。由于以上原因造成仪器死机的故障占总故障率的60%左右，而真正造成仪器损坏的故障率只占约40%。

目前通常的解决办法是维修人员带着备用设备到台站检修。这种检修一是到达现场耗时较长，二是费用居高不下，因此如何快速恢复测震信号和减少野外出台维修次数是测震维修工作中亟待解决的问题。如果能加强对数据采集器工作状态的实时监控，并且在仪器故障时能快速启用备用设备将是解决以上问题的有效途径。

监控系统的演变是一个从集中监控向网络监控与无线监控发展的历史。Internet资源的共享为远程监控系统的发展提供了有利的条件［3］。现有的远程监控系统在实现原理上大致分为两类：一类为基于传统Internet的有线式远程监控系统；另一类为基于GSM等无线移动网络的监控系统［4］。后者在工程造价、产品维护和市场前景上有绝对的优势。随着3G等高速无线网络的普及，基于无线网络的综合监控系统将成为新的研究热点。我们国内地震系统对于远程监控和3G无线数据传输的应用还处于起步阶段。石晓辉等对GPRS无线传输方式和有线传输方式的组合应用进行了探索［5］；朱小毅等通过现有网络用有线控制来完成地震计远程监控功能接口的实现［6］。本文拟研制一种适用于测震台站的具有3G数据传输功能的远程监视控制设备。该仪器通过网络接口和串口来实时监控本台站设备的运行状态，通过仪器实现对地震台站设备进行关电、加电、重启等操作的远程控制和台站各类主设备与备用设备之间切换的远程控制。以3G无线数据传输功能为基础，在传输信道出现故障时能启用该仪器的这项功能，将测震数据及时传输到台网中心，从而实现测震信号的不间断传输。

1 研究思路与AT指令

目前地震行业内还没有功能完善的专用3G无线数据传输设备（3G模块的开发应用），有些地震台网使用一些通用的无线路由实现了3G无线数据传输功能，这种通用设备的使用优点在于系统建设时间短，短期投入少见效快，调试方便；但缺点也十分明显，即不利于未来功能开发。因此我们在此项目中提出从3G模块底层开发无线数据传输功能和SMS功能，以利于将来3G传输设备的开发和维护。通过AT指令我们可以直接对3G模块进行底层的操作。AT指令是 NOKIA、Ericsson、Motorola和HP共同研制的一整套指令，其中包括对SMS的控制。常用的AT指令［7］有：

AT＋CSCA＝“短信中心号码”＜CR＞ ；用于设置短信中心的号码。

AT＋CMGF＝［＜MODE＞］＜CR＞ ；用于设置短信的模式：＜MODE＞为1，短信为text模式；＜MODE＞为0，短信为PDU模式。text模式用来发送英文和数字，PDU模式则可以用来发送中文。本系统收发的是数字，采用text模式。

AT＋CNMI＝1，1，2＜CR＞ ；设置为收到短信后自动提示。

AT＋CMGR＝＜INDEX＞＜CR＞ ；读取短信，＜INDEX＞为短信的位置序号。

AT＋CMGD＝＜INDEX＞＜CR＞ ；删除短信，＜INDEX＞为短信的位置序号。

AT＋CMGS＝＜LENGTH＞＜CR＞＜发送内容＞＜ctrl－Z／Esc＞ ；＜LENGTH＞为短信接收端的被叫号码。

AT＋IPR＝4800（或9600）＜CR＞ ；设置串口波特率为4800或9600。

2 系统功能

该仪器主要具有以下几点主要功能：

（1）当测震台站有线传输信道出现故障时，地震监测中心可通过相关命令远程启用本仪器的3G无线数据传输功能，将测震数据及时通过3G无线信道传输到地震监测中心，从而保证测震信号的不间断传输，减少信号断记率。

（2）在传输主设备损坏时，地震监测中心可通过相关命令远程启用备用传输设备，实现主设备与备用设备之间切换的远程控制，以保证测震数据的连续运行率。

（3）实现对地震数据采集器、地震台站上的交流供电设备和直流12V供电设备进行远程关电、加电、重启等操作控制。

（4）通过远程指令控制仪器通过网络接口或串口来监视本台站地震数据采集器网络接口上的数据或串口上的数据，并将相关信息发送到地震监测中心。此项功能可帮助中心值班人员判断地震台站地震数据采集器是否工作正常。

（5）电源设计上为双路交流输入互为备份，一路停电另一路自动供电；内部直流部分设计为双路直流开关电源互为备份，主直流开关电源损坏后自动启用备用直流开关电源供电。

此几项功能的实现，有效解决了除地震数据采集器损坏以外的几乎所有测震信号断记问题，同时在极大程度上节省了地震子台仪器维护的相关人力成本和经费。

3 系统的硬件设计及技术指标

3.1 硬件结构设计

硬件方面由驱动控制电路板和核心接口电路板组成。控制板包含一个网口、两个串口和多个I／0接口（20以上），通过串口（或网口）来实时监控本地地震台站数据采集器的运行状态。当数据采集器输出数据不正常时，如数据采集器死机无任何数据输出或ping数据采集器正常，但无法正确解析接收到的数据，控制板通过短信将信息发送到监控中心，中心人员可通过短信内容进行判断处理。核心接口板以增强型单片机P89C668和STC12C5A60S2为双CPU硬件核心，用工业级WCDMA模块作为通信桥梁进行信息交互。接口板驱动隔离部分（HC4066或6N173）和各类继电器组构成。其主要硬件框图如图1。

图1 仪器硬件框图Fig.1 Instrument hardware frame

控制终端是一个基于GSM（全球移动通信系统）网络和SMS（短信业务）的控制系统。SMS是GSM系统提供给广大移动用户的一种双向通信、具有一定的交互能力、占用网络的信令信道的数字业务。由于短消息使用了SMSC（短消息服务中心）的存储和转发机制，当接收端用户关机或不在服务区内时，SMSC会暂时保存该短消息；如果接收端用户在规定时间内重新处于工作状态，SMSC会立刻发送该短消息给接收端用户，当发送成功时会返回发送端用户一个确认信号，因此SMS具有较高的可靠性［8］。设备采用Philips公司生产的P89c668单片机和增强型双串口单片机STC12C5A60S2为监控处理核心，后者使用AT指令通过串口和WCDMA模块进行通信，通过网络芯片与24位地震数据采集器进行数据交互；同时通过单片机P89c668实时监控24位地震数据采集器com口的实时数据流，分析数据流正确性。为了能够存储某些数据内容，扩展了一片电可擦除非易失串行EEPROM存储器AT24C08（8kbit）。该器件具有两线串行接口、双向数据传输握手、硬件数据写保护、八字节页写方式和独立定时的写周期（10ms最大）等特点，可在1.8～5.5V宽电源范围内可靠工作。该芯片在掉电后仍然能够保存所存储的数据，可保证100000次擦／写周期和有效保存数据10年［9］。为了使监控单元能够与24位地震数据采集器通讯，通信接口选用正负15kV静电电击保护的MAX202E芯片完成TTL和 RS232电平转换［10］。

3.2 电源部分结构设计

本设备设计上内部直流部分设计为双路直流开关电源互为备份。正常工作时主开关电源将交流220V转变12V直流电，并控制继电器使备用直流开关电源输入输出均为物理断开；当主直流开关电源发生故障不能正常输出12V直流时，备用直流开关电源输入输出继电器导通，备用直流开关电源接替主开关电源为后端提供稳定的12V直流电。切换部分继电器采用万家的大功率继电器WJ176，其释放、吸合时间均小于15ms，且我们在工作电路中加入一个50V2000uF电容和一个0.1uF容量，这样在直流电源切换时对后端直流输出不会造成任何影响。电源部分主要连接控制框图如图2。

3.3 仪器技术参数及使用、连接方式

本仪器技术参数：

图2 电源部分连接控制框图Fig.2 The frame of power source and control unit

（1）输入电压：交流200～240V；

（2）输出直流：11.5～12.5V；

（3）输出交流220V单口供电电流大于1A（220W）；

（4）输出直流12V单口供电电流不大于2A（24W）；

（5）独立可控交流220V输出口4个；

（6）独立可控直流12V输出口4个；

（7）分组可控信号线4组（每组2条信号线）；

（8）转换效率大于75%；

（9）整机工作温度范围：－20℃～50℃；

（10）本机控制部分功耗小于2.5W，整机功耗小于20W；

（11）外形尺寸：440mm（宽）、360mm（深）、90 mm（高）；

（12）无线工作频率：上行：1920MHz～1980 MHz；下行：2110MHz～2170MHz。

本仪器使用、连接框图如图3所示。地震台站的相关设备电源均接在本仪器受控电源输出接口上，当有线设备（如交换机、路由器、光端机、协议转换器等）发生损坏或死机时，可通过本设备控制相关有线设备的重启或切换。

4 系统软件设计

控制终端上电后，首先读取本机的地址号（台站号），然后对通讯模块wavecom24plus进行初始化，如设置短信模式为text模式等。然后单片机巡回检测wavecom24plus是否收到新短信。当有新短信传来时，执行串口终端服务程序：读取指令短信，并判断地址号是否与本机相同，密码是否正确；如相符则执行相应的操作指令，执行完毕后返回本终端各电源输出端口的代码信息。最后删除已读取的短信。程序流程图如图4所示。

图3 仪器使用连接框图Fig.3 Frame of the equipment＇s application

图4 程序流程图Fig.4 Program flow chart

5 结束语

本多功能智能设备控制终端能可靠地控制远端设备的工作状态，只要GSM网络覆盖的区域都可以使用；维护费用极低；可靠性好；可以设定控制密码，安全性高。对用户的短信指令响应也比较迅速，在网络信号较好时从指令短信成功发送到收到控制终端的回复短信一般只需25s左右。它使用户对远端设备的操作变得更加直观、方便。本设备的研制成功很好地解决了远程设备死机重启和远程备用设备控制切换等问题，并可通过网口和串口实时监控数据采集器工作状态的功能，具有通过3G无线传输测震数据的功能。

目前已成功制作两台样机，在辽宁省本溪地震台和新民地震台进行了近三个月的使用实验。使用过程中两个地震子台的直流12V电源未发生故障；发生设备故障时，通过远程控制重启相关设备或启动备用设备进行工作，有效解决了非地震数据采集器损坏和非地震计损坏等故障，大多故障经过处理十分钟内信号就可以恢复正常。该仪器本身运行稳定，未出现运行故障。

该设备的研制提高了整个地震台网运行稳定性，减少了野外维修的出台次数，大大缩短了由仪器死机或非地震数据采集器、拾震器等故障造成的断记时间，解决了地震台站远程维护问题，增强了现有地震监测系统的运行保障能力和服务能力，具有较高的应用价值。

（References）

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