地震预警信息发布单元的研制

吴鹏 杨江

摘  要： 文中设计一款地震预警信息发布单元，采用ITOP4412核心板作为主控板卡，利用其网络模块通过TCP/IP通信对地震信息推送服务器的数据包进行接收，并根据相关协议对接收数据包进行解析，得到本地地震烈度、地震到达时间、震源发生坐标等信息。通过I/O口驱动控制板卡进行地震烈度报警，同时，通过自带音频模块进行报警广播，利用RS 232通信接口与GLM?430?C触摸液晶屏进行数据交互和报警解除操作，具有地震信息推送报警响应快速、工作稳定等特点。

关键词： 地震预警信息发布单元; 地震数据解析; 地震烈度计算; 地震烈度报警; 报警解除; 性能测试

中图分类号： TN915?34                         文献标识码： A                          文章编号： 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，我国现有地震信息发布手段单一、覆盖范围有限、时效性较差。由中国地震局组织实施的国家地震烈度速报与预警工程项目预计2020年底实施完成[1]。同时，全国各省市也在非重点监视区积极建设预警补充网络。全国地震预警网建设完成后，我国将实现重点监视区10 km、非重点监视区30～40 km间距密度的地震预警监测，能提高预警时间和预警参数的准确性，为群众增加了宝贵的地震避险时间[2?3]。上述计划目前仅仅解决了地震信息的预警源问题，针对现在国内存在的空白，拟设计开发一款地震预警信息发布平台，用于进行相关地震信息的推送，主要应用于大型商业广场、学校、医院及大型重要基础设施。

1  工作原理

国家地震烈度速报与预警服务平台主要由地震监测台网、数据库、服务器、地震预警信息发布终端构成。地震监测台网用于进行区域性地震前兆信息监测，并将地震数据实时通过网络传输到数据中心进行数据备份存储。服务器对地震数据进行算法分析和统计，将地震烈度计算结果通过定义好的协议规范进行局域网发布，发布信息存放于搭建好的MQTT服务器[4]。地震预警信息发布终端接收MQTT服务器的地震数据包。

地震预警信息发布终端是针对地震预警信息接收和报警推出的终端设备，其主要功能是通过接收推送服务器推送的地震信息，利用自身定位信息自动计算地震到达当前点的预计时间和预估烈度，并发出声光电报警信息。

2  硬件设计

地震预警信息发布单元的报警输出级别一共分为4个等级，分别对应4种报警指示及4类报警音频输出音响。设备后面板设计有HDMI视频输出接口、直连电脑显示器或者液晶屏，可实时连线百度地图并标注本地的GPS坐标，当有地震到来时，在界面将弹出报警窗口，用于计算地震到达本地倒计时以及相关地震震源、方位、震级等信息，可通过鼠标选中弹出的报警窗口相应控件解除报警，也可通过人工手动点击触摸屏相应控件解除报警，整个系统结束报警状态。

地震预警信息发布单元硬件组成结构如图1所示，主要包括核心嵌入式板卡、控制板、电源板、液晶触摸控制屏等部分。

2.1  电源板卡

电源板卡主要采用金升阳的型号为LH20?10D0512?06电源模块，它是一款AC?DC电源模块，具备较宽的输入范围：100～240 V，具有两路电源输出，分别是+5 V和+12 V，其中，+5 V主要用于给嵌入式核心板和4.3寸触摸液晶屏进行供电，+12 V用于给报警逻辑控制板卡供电[5]。

嵌入式核心板供电电路主要分为三路，分别为核心板卡电源电路、部分外围设备3.3 V供电电路和部分外围设备1.8 V供电电路。

2.1.1  核心板卡电源电路

如图2所示，采用RT8065电源管理芯片作为核心板卡供电电路。RT8065是一个转换效率可达到95%的同步高压转低壓的DC/DC模块，其输入电压范围在2.7～5.5 V，其输出电压可调范围为0.8～5 V，驱动电流可达到3 A。其输入典型电压[VCC]为5 V，[R133]为RT8065工作开关频率设置电阻，根据[R133]的阻值，其工作频率范围为200 kHz～2 MHz。设计[R133]阻值为510 kΩ，依据工作手册所对应的开关频率与阻值曲线，此时对应的开关频率为[F=]480 kHz左右。依据数据手册，其基准电压典型值[Vref=]0.8 V，其输出电压可调，[Vout=Vref?（1+R131R135）=]3.6 V（其中，[R131]和[R135]分别为120 kΩ和33.2 kΩ）。其电感[LT]的电感值的选择取决于输入、输出电压和纹波电流，纹波电流的最大典型值为[0.4?Imax]（最大输出电流为3 A），依据电感[LT=][Vout（F?Imax）1-VoutVin（max）]≈2.2 μH，[R132]与[C95]选择数据手册推荐典型值，分别为33 kΩ和560 pF。

2.1.2  3.3 V及1.8 V供电电路

部分外围设备供电电路分别如图3，图4所示。采用DC/DC型号MP2012DQ电源管理芯片，该芯片是一固定频率为1.2 MHz，电流为1.5 A的降压转换器。输入电压范围为2.7～6 V，输出电压可调范围在0.8 V～[Vin]之间，输入、输出转换效率可达95%以上。图3与图4中的输出电压分别由[R3]和[R5]以及[R10]和[R11]决定。该芯片基准电压[Vref=]0.8 V，输出[Vout1=Vref?（1+R3R5）≈]3.3 V和[Vout2=Vref?（1+R10R11）]≈1.8 V（其中，[R3]，[R5]，[R10]和[R11]分别为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，其选用三星Exynos4412四核处理器，主频为1.4 GHz，内置8 GB存储空间。嵌入式核心板采用DM9621网卡芯片作为网络通信模块，用于实现板卡与服务器之间的网络通信，采用WM8960高清音频解码器作为音频设备的外放接口。该核心板卡主要通过网络接收地震信息数据包并进行解析，将地震参数分别通过HDMI和串口进行液晶显示屏和LCD显示，并通过GPIO口与报警逻辑控制卡进行交互，进行地震声光报警。

2.3  报警逻辑控制板卡

报警逻辑控制板卡主要通过与嵌入式核心板I/O端口进行通信，依据I/O口的高低电平变化来控制报警逻辑控制板卡所对应的报警指示灯的亮和灭，并控制蜂鸣器的鸣响。在蜂鸣器控制回路中串接滑动变阻器，通过调节滑动变阻器的阻值控制回路电流的大小，进而控制声响强弱。报警输出采用继电器干节点输出控制模式，当地震烈度达到3等级以上，对应的地震触发时节点为断开状态，与地震报警对应的地震报警节点将处于闭合状态，闭合回路电流最大可承受1 A。此外，预留外部输入端口，用于以后功能扩展使用。

如图5所示，采用4路GPIO口进行报警指示操作，1路蜂鸣器及2路干节点输出。默认状态下，GPIO输出为低电平，其输出与分压电阻网络[V0]以及LM244运放组成比较器电路。分压基准电压[V0=VCC?R10（R2+R6+R10）]=0.9 V（其中，[VCC]=12 V，[R10]，[R2]和[R6]分别为1 kΩ，10 kΩ，2 kΩ），接入LM224的运放负端，GPIO分别接LM224的运放正端。当GPIO输出为低，LM224输出为0，当GPIO为高电平，LM224输出为12 V，用于驱动型号为G6K?2F?Y的双刀双掷继电器进行动作[6]。

输入控制电路如图6所示，当外部接入12 V，将导致控制继电器动作，常开节点产生闭合，分压电阻网络基础电压[V01]将输入GPIO口，当控制器监测到对应GPIO口为高电平时，则判断有外接信号引入，并进行相应动作处置。

2.4  液晶屏控制模块

液晶屏控制模块采用大器智成GLM?430?C模块，自带Linux操作系统，具有400 MHz的CPU主频，64 MB RAM，128 MB FLASH，通过RS 232与嵌入式核心板进行串口通信。主要功能是实现地震相关信息显示、系统状态指示以及报警倒计时和报警手动解除等功能。

3  软件设计

软件部分基于核心板卡ITOP4412，在嵌入式Linux系统平台Qt/Embedded上并通过MQTT协议进行地震预警信息发布。MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通信而设计的协议。地震预警设备软件核心结构框图如图7所示。通过MQTT协议向地震信息发布平台订阅对应的地震信息主题，然后实时向地震信息发布平台发布设备信息（设备编码、设备所在地点经纬度等），并实时接收地震平台发布的地震信息，然后通过业务逻辑处理将需要可视化的地震震中经纬度、震级、地震烈度和地震到达时间等信息发送给GUI模块进行展示，同时，发送控制命令到底层外设通信模块，对蜂鸣器、报警灯和广播等设备进行控制，以达到通知用户地震即将到达的信息[7?8]。

3.1  数据解析处理

地震预警信息发布单元在接收到预警信息包后，需要进一步对预警信息进行解析，计算出当地的地震预警时间和预测烈度，然后接收端才能输出相应的控制信号。

地震信息发布平台发布预警信息，地震预警信息发布单元接收来自地震信息发布平台发布的地震预警信息数据包，并对地震预警信息数据包进行解析，并得到地震的震源经度和纬度、震级，然后根据相关算法计算地震到达本地时间、地震对本地造成的地震烈度值。

关于地震到达本地时间、地震对本地造成的地震烈度值采用下述计算方法：

本地地震烈度[I]计算公式为：

[I=I0-4.0lg（Dis10+1.0）] （1）

式中：地震烈度[I]的值保留一位小数;[I0]代表震中烈度;Dis代表震源距，其单位为km。

本地预警时间[t]的计算公式为：

[t=Dis3.55-（Tnow-Teq）] （2）

式中：[t]为预警时间，单位为s，当[t>0]时，为有预警时间，[t<0]时，无预警时间;[Tnow]为当前时间;[Teq]为地震发震时间[9]。

3.2  触摸液晶屏模块

在Designer编辑器中，通过菜单栏“工具”选择“系统控件设置”，调用sysCom0对串口通信模块参数进行设置，设置波特率为9 600，并在串口进行动作脚本编写，实现串口接收设备电源、网络、故障等状态信息和报警信息，串口接收代码如下：

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）  //接收的是界面参数

{

if （sysCom0.readableBytes（）>=38）

{

data0= sysCom0.read（38）;

//电源＼网络＼故障＼经度＼纬度＼高程IP＼子网掩码＼DNS＼MQTT IP＼

时间年月日时分秒等信息

sysCom0.clearReadBuffer（）;

}}}

地震预警信息界面如图8所示，创建定时器类型对象main_timer，并进行脚本设计，其更新时间设定为500 ms，读取串口缓冲区对应数组data0中相应元素，进行定时更新信息。该界面包括震源经度、震源纬度、震级、震源距离、本地地震烈度和本地地震预警时间等几个部分。根据实际需要，点击“地震报警解除”按钮提前结束地震报警，并向核心控制板通过串口发送报警解除命令：

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

通过点击“设备状态”，调用xtzt.show（）函数切换界面查看设备状态信息，如图9所示。通过设置xtzt_timer定时器控件，进行脚本编辑，设备状态信息每秒更新一次。

4  系统测试

4.1  测试平台搭建

MQTT是基于TCP/IP的消息发送，MQTT?Server支持Win/Linux等系统的安装，通过在官网下载apache?apollo?1.7.1?unix?distro.tar.gz，解压到指定目录，进入BIN目录中，执行./apollo create mybroker。

通过修改apollo.xml的，將其改成0.0.0.0，并执行./apollo?broker run，驱动后可以通过http：//127.0.0.1：61680访问Web页面，其用户名和密码默认为admin/password[10]。

4.2  测试方法

通过向MQTT服务器发送地震预警信息，由MQTT向地震预警信息发布单元进行推送，每秒由震源处发送一次地震信息包，进行压力测试，地震预警信息发布单元实时接收并记录历史信息，如图10所示[10]。

对服务器端信息发布时间和终端接收时间进行对比，时间延时约为200 ms，设备接收到地震信息到发布报警信息，时间延时约为150 ms。其中，将震源设置为河北省衡水市武强县，经纬度坐标为116，38。

5  结  论

地震预警信息发布单元已经在中国地震局工程力学研究所进行了相关功能性测试及长期的拷机测试，性能比较稳定，且其报警发布延时短，响应比较迅速，经过后期压力测试，证明其能保持长期可靠性运行，目前已经正式应用在武汉城市圈烈度速报系统当中。

参考文献

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