基于三分量地震监测的远程实时监测预警系统的研究

李艳华，王玉巧，岐世峰

（1.黄河科技学院信息工程学院，郑州 450000；2.攀枝花学院数学与计算机学院，攀枝花 617000）

基于三分量地震监测的远程实时监测预警系统的研究

李艳华1，王玉巧1，岐世峰2

（1.黄河科技学院信息工程学院，郑州 450000；2.攀枝花学院数学与计算机学院，攀枝花 617000）

我国现有的地震监测系统大多很难准确地进行地震短临预报进而降低损失，而且安装困难、费用高。针对这些问题，研究一种基于三分量地震监测和云服务器的远程实时监控预警系统，它的硬件主要是三分量岩土应力仪，其传感器是三个差分式极距型电容传感器。地震时，固体潮应力会使电容极距有较大改变，导致电容值的急剧变化，然后系统对采集数据分析处理，超出预警值则发出地震预警。经过试运行发现，系统分辨率高，性能稳定，安装成本低。

0 引言

我国是地震灾害多发地区，近百年来发生7级以上地震有20次之多，所造成的人员伤亡和财产损失也日趋严重。采用先进技术及仪器提前监测到地震并准确预报，提前做好预防工作，可以大大地降低地震灾害所引起的财产损失与人身伤害的程度[1]。在地震预报中以使用应变仪器为主，我国的地应变观测仪器多年以来，由于电子技术的局限，仪器精度不高，远不能满足检测要求。现有的单分量的体应变仪灵敏度不高，只有安装到地下上百米甚至几百米的基岩上，才能测到固体潮[2]。所以安装费用极高，且安装难度大。国内已安装的单分量的体应变仪数量只有上百台，能测到固体潮的不多。国内目前还没有三分量应变观测仪器，国际上只有日本和美国在基岩上安装有几十台使用。

本文所研发的地震监测预警系统中的采集节点是基于三分量的岩土应力仪，它能在浅地表岩土中测量出固体潮，测量精度处于国际领先水平。高精度三分量岩土应力仪在直径89mm弹性圆桶的直径方向形变分辨率达到0.1nm，采集速度为每秒一次，大幅度提高了径向分辨的精度和数据采集速度，能在地下几米到几十米的岩土中能监测到固体潮，从而极大地降低了安装成本，便于大量的布点，实现了使用户不用到现场就能够随时随地对岩土应力变化进行实时监测[3]。同时也为地震部门的震前预测提供强有力的科学依据，为社会的公共安全系统提供保障，同时也结束了国内外在岩土层的应力检测中不能测出固体潮的历史。

1 系统总体设计

本系统主要包括无线数据采集节点、云主机（网关节点）、GPRS/Internet等网络传输介质、云服务器端和用户端。系统的系统结构[4-5]如图1所示。

采集节点分布在被监测区域，传感器网络是采集节点的核心，以星型拓扑网的形式与云主机进行无线连接通信。星型拓扑网中电容监测电路将传感器所采集到的模拟信息转换为微处理器能识别的数字信息，然后通过I2C总线传输给微处理器。

微处理器对采集信息进行存储，并进行初步的处理和信息融合以后，通过UART串口通信模式传送给太阳能供电的无线射频模块。

无线射频模块主要负责对微处理器模块和云主机模块的无缝连接，其通过RF射频天线将采集数据传送给云主机，以及转发云主机发过来的控制信息等。

云主机在此起到网关的作用，实现了从无线射频网络通信协议到GPRS或Internet网络协议的转换，通过GPRS或者Internet等传输介质将采集信息传送给云服务器，或向采集节点转发云服务器发送过来的控制信息。

云服务器是租用的，其上安装有地震监测预警管理系统，对接收到的数据进行进一步分析处理，以图表的形式显示出采集到的实时数据以及历史数据，并进行超限检查，发出预警信息。

用户端根据权限在PC、便携式设备或者智能终端上对系统进行实时数据及历史数据的访问管理。

2 采集节点的设计

2.1 体系结构

采集节点主要包括由变极距型电容传感器及电容监测电路AD转换器所组成的传感器模块、MCU微处理器模块、无线射频通信模块和太阳能供电模块等几部分组成，节点体系结构[6]如图2所示。

图2 采集节点体系结构图

传感器模块主要由差分式极距型电容传感器和AD转换器组成，主要负责的工作为：采集各监测点的电容传感器在固体潮应力的作用下而产生极距的变化所引起的电容值的变化信息，这些信息都为模拟信息，而与传感器连接的电容监测电路是一个AD转换器，它则负责将传感器采集的这些模拟信息转换为微处理器能够识别的数字信息。然后通过相应的信号线传输给微处理器进行初步的分析和数据融合处理。

处理器模块的核心为MCU，还包括了一个电源管理模块。MCU主要包括了CPU、数据存储器和串行通信接口、I2C接口等，主要负责通过I2C接口接收传感器模块的采集数据，然后将数据进行存储和初步分析处理，并进行数据融合后，通过串口通信接口UART传递给无线通信模块。电源管理模块主要负责将无线通信模块的传输过来的电源电压进行适当的降压稳压后给MCU供电，而MCU的电源输出端又可以给传感器模块进行供电。

无线通信模块主要负责接收采集数据，并将采集的数据通过无线射频通信模块转发给云主机，还可以将云主机发送过来的控制命令转发给处理器模块，以及给处理器模块供电。

太阳能供电模块主要负责采用太阳能板所连接的蓄电池给无线射频通信模块供电，然后再将电源线通过无线通信模块的电源管理器进行升压稳压后供电给整个采集节点，完成整个采集节点的供电工作。

2.2 节点设计原理

地震是由于地壳岩层受力后的突然快速破裂错动而产生的振动。而在振动的作用下地表会产生形变，本文所研究的地震监测系统的采集节点就是根据地表发生形变时的应变力能够使极距型电容传感器的极距发生改变进而影响电容值发生变化这个原理来设计的[2-3]。当没有地震时，由于地表浅层固体潮的作用，电容值会发生微小的变化，当有地震时，由于应变力的作用电容值发生急剧变化，当超出预警值时可以自动报警，以提醒用户做好震前预防工作，同时也为地震预测提供了有力的科学依据。

本文所研究的采集节点由差分式极距型电容传感器、电容检测电路和无线传感模块以及用于检测岩土应力变化的检测方法构成。

采集节点中的传感器是三个差分式极距型电容传感器，它们各是两片相互绝缘的面积相等的平行金属面，将三个电容每隔120°在径向安装于一个兼做采集节点地线的不锈钢弹性圆筒中，再各自与一个电容检测电路相连，然后三个电容检测电路通过I2C总线分别并联连接于无线传感模块，采用分时复用技术将数据传送给无线传感模块，在极低功耗下每隔一分钟检测一次电容值。

检测方法[2,7]：当地表浅层中有固体潮变化时，弹性圆筒会发生形变，而三个电容传感器呈不同角度，那么三对平行电极也就呈现不同程度的极距变化，极距的变化会引起电容值的变化，然后将电容值通过模数转换以后传送至无线传感模块，无线传感模块再通过云主机转发给云服务器端，当服务器端的系统管理软件把数据进行前后对比分析以及超限检查，以图表的方式呈现出来，当超限时进行报警处理，预测地震。

2.3 节点设计

本采集节点（如图3所示）中的传感器主要由三个[7]差分式极距型电容传感器C1、C2、C3组成，而电容监测电路则由24位无失码、高线性度、高精度、低功耗（工作时功耗仅为0.7mA，休眠时功耗仅为0.5～2μA）的AD7747构成。节点中的每个差分式电容的两个电极片通过CIN+和CIN-引脚分别连接一个电容监测电路AD7747芯片[8]，SHLD引脚将电容传感器和CIN引脚之间的对地寄生电容进行屏蔽，进而得到更高可靠性的测量结果。AD7747将测得的电容值进行模数转换以后，得到微处理器能够识别的数字信息，通过I2C总线的SDA、SCL信号线和RDY信号线完成采集数据向地震仪采集板的传送，而三片AD7747的供电则是由地震仪采集板的VO1、VO2、VO3分别给出。

图3 采集节点的电路原理图

地震仪采集板主要由一片MCU芯片和一个电源管理模块构成。MCU芯片采用低功耗的PIC16LF1823芯片，它主要负责采集信息的存储，与RF射频模块控制信息的交换，以及通过UART串口的TX、RX引脚将采集信息转发给RF射频模块。电源管理模块则采用的是低压降压稳压器TPS79301芯片，此芯片主要负责将从RF射频模块输出的+5V电压进行降压稳压后转换成+3.3V的电压，然后给地震仪采集板供电。

RF射频模块的主芯片采用的是低功耗（工作电压为+3.3V）的SI1000芯片[9]，芯片内部集成了MCU和穿透力较强的RF射频控制芯片，通信距离可以达到2公里左右。SI1000上具有增强型的UART接口，可以通过它的TX、RX引脚分别与采集板的RX、TX引脚完成采集数据的接收和控制信号的发送。由于系统要求低功耗工作，所以采集节点可以每隔一分钟采集一次，采集完数据就进入休眠状态，而这里的休眠唤醒就是利用的SI1000内部的定时器来完成的。SI1000向云主机发送采集数据以及接收云主机发送过来的控制信息都是通过一个RF天线来完成的，因此需要一个天线开关来控制信号的发送与接收，本文采用的是NEC公司的UPG2214作为天线开关。RF射频模块的供电是采用了锂电池或碱性电池供电，电池输出的+3.3V电压通过同步升压稳压器MCP1640芯片进行升压稳压后转换为+5V电压，向外输出供电给地震仪采集板。

3 软件系统设计

本系统软件[6]分为两部分，一部分主要实现对各采集节点所组成的无线传感网的管理和控制，另一部分实现对云服务器端的数据信息进行分析处理，系统流程图如图4所示。

图4 系统软件流程图

由于系统的低功耗要求，所以采集节点在大部分时间处于待机休眠状态，初次加电后将采集节点进行初始化，然后开始采集数据，采集完数据以后由云主机转发给云服务器，采集节点就进入待机休眠状态，节点中的计时器开始计时，计时时间到后退出待机休眠状态，重新进行初始化，开始新一轮的采集数据操作。

云服务器端的监测系统则是在接收到云主机发送过来的数据以后，对数据进行进一步的分析处理，如果超出预警值则向用户终端发出报警信息，否则以图表的形式对数据进行实时显示，当然云服务器端也可以对用户信息、操作日志和历史数据等进行操作处理。

4 实验结果

本文设计的三分量岩土应力传感器是长500mm，直径88mm，壁厚1mm的不锈钢弹性圆桶。在直径方向每隔120度安装一个差分式极距型电容传感器，极板面积S为638mm2，板间初始距离为1mm，根据公式1得出电容值约为5.65pF，检测电容在径向可以精确到1μm，通过对电容值的测量监测极板间的距离d的变化，从而检测出弹性圆桶的形变。在直径方向分辨率为0.1nm，监测速度每秒钟一次。电容监测电路AD7747的测量分辨率为4aF,测量范围为8PF，输出数据DATA的范围十六进制在0x000000～0xFFFFFF（十进制 0～16777215），工作温度-40°～+125°之间。差分电容值和AD7747输出值的关系如公式（2）所示。

经过安装调试以后，输出的检测电容值如表1和图5所示。

表1 电容检测输出实验结果

图5 电容检测输出曲线图

表中给出了10秒钟之内的电容输出，而图中是相应的30秒钟电容输出曲线图。由图中可以看出电容输出的最大值为16608039，最小值为173662，都在正常范围之内，由此可以看出这是在没有发生地震时所测得的数据。如果发生地震，在应变力的作用下，电容值会发生急剧变化，超出限制而发生报警，从而提前预测出地震的发生。

5 结语

随着科技的发展，地震的监测越来越多的用到传感器技术，这项技术的应用使得地震监测更加准确、及时，也节省了许多人力物力，而且也不受地形地貌以及天气的影响，随时随地都能够得到某个监测点的实时监测数据，使工作人员对地震活动情况了如指掌。本文所研究的系统现已在多地安装调试成功，而且在之前的几个局域性的小地震中也准确的监测到了相关数据，而且本系统具有低功耗、安装简单、能实现地震监测数据的无线传输、远程监控等有点。同时本方案对传感器技术的的发展也起到了很大的推动作用，并且也使得我过在地表浅层监测固体潮的技术不再空白，而且本地震监测系统易安装、灵敏度高、性能稳定，操作简单，适合大量生产。

[1]王泽华,严鹏.汶川地震产生原因及其地震动特性分析[J].四川建筑科学研究,2010,36(1):155-159.

[2]高锡铭,殷志山,王威中,等.固体潮应力张量对地震的触发作用[J].地震学报,1981(3).

[3]周江存,孙和平,徐建桥,等.地球内部应变与应力固体潮[J].地球物理学报,2013,56(11):3779-3787.

[4]杜雪.基于嵌入式和云服务器的灌区信息监测系统的研究[D].西北农林科技大学,2015.

[5]孙晓东.大同煤矿集团供水管道监测系统研究[D].辽宁工程技术大学,2013.

[6]Qi S,Li Y.The Design of Grain Temperature-Moisture Monitoring System Based on Wireless Sensor Network[M]//Communications and Information Processing.Springer Berlin Heidelberg,2012:443-450.

[7]刘伟峰.基于电容传感器的圆柱度误差测量方法研究[D].长春工业大学,2011.

[8]海静.基于位移测量的差动电容传感器研究[D].东华大学,2014.

[9]李善荣,闫述.Si1000低功耗性能与在无线传感器节点上的应用开发[J].无线通信技术,2011,20(3):36-41.

Research on Remote Real-Time Monitoring and Warning System Based on Three-Component Earthquake Monitoring

LI Yan-hua1，WANG Yu-qiao1，QI Shi-feng2
（1.College of Information Engineering,Huanghe S&T College，Zhengzhou 450000；2.School of Mathematics and Computer Science,Panzhihua University,Panzhihua 617000）

In China,the existing earthquake monitoring systems are mostly difficult to make the accurate short-impending earthquake prediction,the installation is difficult,and the cost is extremely high.Designs a remote real-time monitor and early warning system based on three-compo⁃nent earthquake monitoring and cloud server,the hardware is a three-component geotechnical stress meter,and the sensors are three differ⁃ential capacitive displacement sensors.If an earthquake happens,earth tide stress makes the polar distance of each capacitor change,which leads to a sharp change of the capacitance value,then,the system analyzes and processes the collected data，and sends out the earth⁃quake early warning if the data exceeds the warning value.The results show that the system has the advantages of high resolution,stable performance and low installation cost.

云平台；三分量岩土应力仪；差分式极距型电容传感器

四川省教育厅项目基金资助（No.14ZB0404）、郑州市科技局项目基金资助（No.zzlg201608）

1007-1423（2017）28-0052-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.28.014

李艳华（1980-），女，河南扶沟人，硕士，讲师，研究方向为无线传感网络通信、嵌入式系统，Email：liyanhua5566@163.com

王玉巧（1980-），女，河南中牟人，硕士，副教授，研究方向为电子信息工程、嵌入式工程

岐世峰（1964-），男，山西临猗人，学士，教授，研究方向为无线传感网络通信、人工智能

2017-08-08

2017-09-25

Cloud Server;Three-Component Geotechnical Stress Meter;Differential Capacitive Displacement Sensor