王建軍　吳榮輝　何加勇

摘 要：以低功耗微型電容式三軸向加速度傳感器作為傳感部件,采用基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)并定制Linux作為總控系統(tǒng),選擇符合802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線通訊技術(shù)作為儀器的網(wǎng)絡(luò)接入方式,研制完成基于無線IPv6的SI-2型地震烈度計(jì),實(shí)現(xiàn)了地震烈度的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化觀測,解決了我國缺乏直接測定地震烈度儀器的問題。

關(guān)鍵詞：IPv6;地震烈度;嵌入式系統(tǒng);傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-023-03

Development of Seismic Intensity Meter Based on IPv6 and Wireless Network

WANG Jianjun1,WU Ronghui1,HE Jiayong2

(1.Institute of Crustal Dynamics,China,Earthquake Administration,Beijing,100085,China;

2.Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing,100081,China)

Abstract：Adopting a mini-type three-axes capacitance acceleration transducer with low power consumption as sensor parts,using ARM9 embedded with customized Linux as general control system,and network connected by wireless mode accord with IEEE 802.11b,development of seismic intensity meter based on IPv6 and wireless network,digital and network observation of seismic intensity has been realized,a kind of apparatus for measurement seismic intensity is provided directly in our country.

Keywords：IPv6;seismic intensity;embedded system;sensor network

0 引 言

地震烈度是人們了解和研究地震的最早建立并用于描述地震影響強(qiáng)度的標(biāo)度。地震烈度的概念不僅在地震學(xué)和地震工程學(xué)領(lǐng)域中仍有著廣泛的應(yīng)用,而且在防震減災(zāi)的各個(gè)環(huán)節(jié)中繼續(xù)起著重要作用。顯然,最初人們用宏觀描述的方法評定一個(gè)地區(qū)遭受的地震影響程度存在局限性,因此在上世紀(jì)90年代全日本即實(shí)現(xiàn)了儀器測定地震烈度的實(shí)用化,現(xiàn)在日本發(fā)布的地震烈度等級是由地震烈度計(jì)測定的烈度。當(dāng)前國內(nèi)外已建設(shè)的城市地震災(zāi)害速報(bào)系統(tǒng)一般以地震烈度計(jì)觀測系統(tǒng)為主體［1］。日本東京煤氣公司在1994年就完成了由331臺譜烈度計(jì)、20臺液化傳感器和5臺強(qiáng)震儀構(gòu)成的地震監(jiān)測與震害快速評估系統(tǒng)(SIGNAL)。阪神地震取得顯著的減災(zāi)效益后,東京煤氣公司于1997年~2007年的十年間布設(shè)了3 800個(gè)新型地震譜烈度計(jì)。

目前我國儀器測定地震烈度是通過強(qiáng)震儀觀測數(shù)據(jù)換算得到的［2,3］。但強(qiáng)震儀結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,制造成本很高,不便于大規(guī)模布設(shè),而大量應(yīng)用國外地震烈度測定儀器也不現(xiàn)實(shí),因此自主開發(fā)我國適用的地震烈度傳感器很有必要。

近年來,傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用已成為熱點(diǎn)［4-6］。專業(yè)傳感元器件產(chǎn)品也在向小型化、高精度發(fā)展,傳感器的發(fā)展出現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化的新趨勢而非傳統(tǒng)的單純檢測功能。網(wǎng)絡(luò)傳感器以嵌入式微處理器為核心,集成了傳感器、信號處理器和網(wǎng)絡(luò)接口,由于引入了微處理器,采用了嵌入式技術(shù)和集成技術(shù),使傳感器的體積減小,抗干擾性能和可靠性得到提高,同時(shí)提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性；網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的應(yīng)用,為系統(tǒng)的擴(kuò)充提供了極大的方便,具有便于遠(yuǎn)程操作、維護(hù)簡單、實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)［7］。因此,嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在地震觀測領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用［8,9］。

鑒于此,新開發(fā)的SI-2型地震烈度計(jì)不只是一個(gè)單純的地震烈度檢測儀器,而是一個(gè)高度集成的網(wǎng)絡(luò)化傳感器,它集成了地震烈度感知器件、采集模塊、嵌入式處理器與存儲器、通信器件、嵌入式軟件系統(tǒng)等,具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通訊、定位等功能,可以通過無線方式接入IPv6網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用SI-2型地震烈度計(jì)搭建的基于IPv6的地震傳感器示范網(wǎng)絡(luò),在地震監(jiān)測預(yù)警、地震應(yīng)急快速響應(yīng)以及減輕地震災(zāi)害方面有著廣泛的應(yīng)用前景［10-12］。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于IPv6的SI-2型地震烈度計(jì)的軟、硬件資源由加速度傳感器,數(shù)據(jù)采集模塊(A/D),電源,嵌入式系統(tǒng)(CPU),符合802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)卡,GPS,內(nèi)置測控軟件等模塊構(gòu)成。市場上現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)自帶的操作系統(tǒng)一般是Linux 2.4內(nèi)核,為支持IPv6須將操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行重新編譯,升級為2.6版本內(nèi)核。 圖1所示是SI-2型地震烈度計(jì)的總體架構(gòu)。

2 主要部件選型

2.1 傳感部件

選用美國Freescale公司出品的MMA7260Q低功耗微型電容式三軸向加速度傳感器。傳感器自身具有信號調(diào)理、一階低通鋁箔和溫度補(bǔ)償、高靈敏度、低噪聲、低功耗、線性輸出、自檢等特點(diǎn)。

測量范圍：+/－2 g,測量精度：0.2 μg。

2.2 數(shù)據(jù)采集A/D

地震烈度通過測量加速度換算而得,依據(jù)中國地震烈度表,最大的地震烈度2 g對應(yīng)的加速度在 200 cm/s2左右,采用10位A/D進(jìn)行采樣,其加速度分辨率為 0.04 g,對應(yīng)的烈度分辨率為0.024度,遠(yuǎn)高于人們所能接受的精度。

2.3 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)采用三星公司基于ARM微處理器的S3C2410X。S3C2410X采用6層板設(shè)計(jì),使用ARM920T內(nèi)核,內(nèi)部帶有全性能的MMU(內(nèi)存處理單元),具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性。在盡可能小的板面上集成了64 MB SDRAM、 64 MB NAND FLASH,1 MB BOOT FLASH,RJ 45網(wǎng)卡,USB Host,標(biāo)準(zhǔn)串口,SD卡插座等?？杉汕度胧綗o線局域網(wǎng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。

2.4 定位模塊

選用的GPS模塊,接收特性：16通道,L1,C/A碼；自帶陶瓷天線；啟動時(shí)間：冷啟動45 s、溫啟動38 s、熱啟動2~8 s；精度＜2.5 m CEP；再捕獲＜1 s,1PPS；刷新頻率：4 Hz；內(nèi)置LNA；速度＜4 g。

2.5 通訊部件

考慮到地震行業(yè)地震觀測的實(shí)際需要,采用了符合IEEE802.11b的無線網(wǎng)卡和通信距離達(dá)到1.2 km的無線AP構(gòu)成通信鏈路,作為SI-2型地震烈度計(jì)的無線通訊單元。

2.6 電源模塊

選用可充電的鋰電池組作為供電電源,便于長期重復(fù)使用。電池組容量為60 Ah。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 SI-2型地震烈度傳感器的IPv6化

ARM嵌入式系統(tǒng)自帶的操作系統(tǒng)一般是Linux 2.4內(nèi)核的,為支持IPv6須將操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行重新編譯,升級為2.6版本內(nèi)核。但Linux 2.6內(nèi)核重編譯是一個(gè)比較復(fù)雜的過程,具體步驟如下：

3.1.1 建立交叉編譯環(huán)境

在RedHat9的主機(jī)上進(jìn)行內(nèi)核移植開發(fā),首先需要建立交叉編譯環(huán)境。由于2.6內(nèi)核中采用了一些新的特性和指令,需要采用較新的工具集。采用binutils-2.15,gcc-3.4.2,glibc-2.2.5,linux-2.6.8,glibc-linuxthreads-2.2.5來建立交叉編譯工具鏈,建立之后將工具鏈路徑加入系統(tǒng)路徑MYMPATH中。

3.1.2 內(nèi)核修改

Linux 2.6.11.7內(nèi)核加入了對S3C2410芯片的支持,不再需要任何補(bǔ)丁文件。修改內(nèi)核源碼中Makefile的交叉編譯選項(xiàng)ARCH=arm,CROSS_COMPILE=arm-linux-。針對硬件配置,需要在arch/arm/mach-s3c2410/devs.c或者smdk2410.c中添加FLASH的分區(qū)信息s3c_nand_info。然后在s3c_device_nand中增加.dev={.platform_data= &s3c;_nand_info},在arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2410.c中的_initdata部分增加&s3c;_device_nand,使內(nèi)核在啟動時(shí)初始化NAND FLASH信息。

3.1.3 內(nèi)核編譯加載

由于2.6內(nèi)核會根據(jù)本地系統(tǒng)配置進(jìn)行初始設(shè)置,可以導(dǎo)入內(nèi)核源碼默認(rèn)S3C2410的配置文件,方便加載內(nèi)核基本配置,然后再選擇所需選項(xiàng)。對MTD配置選擇支持MTD設(shè)備驅(qū)動以及NAND FLASH驅(qū)動；選擇支持要用到的各類文件系統(tǒng)(DEVFS,TMPFS,CRAMFS,YAFFS,EXT2,NFS)以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議,本傳感器系統(tǒng)加載了網(wǎng)絡(luò)芯片CS8900以及USB支持；在H.264多媒體系統(tǒng)中還需要加載Frame buffer以支持LCD顯示功能。使用交叉編譯工具編譯內(nèi)核源碼后,會在arch/arm/boot/下生成名為zImage的內(nèi)核映像,在Boot loader的命令提示模式下使用下載命令完成內(nèi)核加載到開發(fā)板的存儲設(shè)備FLASH中。

3.1.4 文件系統(tǒng)定制

Linux采用文件系統(tǒng)來組織系統(tǒng)中的文件和設(shè)備,為設(shè)備和用戶程序提供統(tǒng)一接口。Linux支持多種文件系統(tǒng),本系統(tǒng)使用CRAMFS格式的只讀根文件系統(tǒng),而將FLASH中的USER區(qū)使用支持可讀寫的YA FFS文件系統(tǒng)格式,方便添加自己的應(yīng)用程序。

3.2 地震烈度計(jì)主要硬件設(shè)備驅(qū)動

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動

系統(tǒng)中采用CS8900A的10 Mb/s網(wǎng)絡(luò)芯片,它使用S3C2410的nGCS3和IRQ_EINT9,相應(yīng)修改linux/arch/arm/mach-s3c2410/irq.c,并在mach-smdk2410.c的smdk2410_iodesc［］中增加{SMDK2410_ETH_IO,S3C2410_CS2,SZ_1M,MT_DEVICE},內(nèi)核源碼中加入芯片的驅(qū)動程序drivers/net/arm/cs8900.h和cs8900.c,并且配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的Makefile和Kconfig文件,加入CS8900A的配置選項(xiàng),這樣可以在內(nèi)核編譯時(shí)加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動。

3.2.2 無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序

從網(wǎng)上下載rt2x00的IPv4環(huán)境下的驅(qū)動程序,并針對該程序進(jìn)行IPv6化改造,對其驅(qū)動程序進(jìn)行修改,在系統(tǒng)重編譯的時(shí)候,將驅(qū)動程序加入到系統(tǒng)的內(nèi)核中。將無線網(wǎng)卡的驅(qū)動程序作為一個(gè)模塊打包到操作系統(tǒng)中,可避免系統(tǒng)掉電后每次都要重裝無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序。

3.3 地震烈度計(jì)終端的軟件設(shè)計(jì)

通訊傳輸軟件主要負(fù)責(zé)完成傳感器與業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)之間的IPv6數(shù)據(jù)通信,軟件功能如下：

(1) 傳感器在成功接入到IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)后主動向業(yè)務(wù)服務(wù)器發(fā)送傳感器上線通知；

(2) 傳感器在成功上線后每隔30 s主動采集烈度傳感器的烈度值并上報(bào)給業(yè)務(wù)服務(wù)器；

(3) 進(jìn)行GPS時(shí)間校準(zhǔn)；

(4) 進(jìn)行GPS定位(每隔8 min重新定位一次并上報(bào)定位數(shù)據(jù))；

(5) 業(yè)務(wù)服務(wù)器每隔10 min請求一次傳感器配置參數(shù)；

(6) 響應(yīng)業(yè)務(wù)服務(wù)器的配置參數(shù)請求、數(shù)據(jù)請求、歷史數(shù)據(jù)請求、是否在線響應(yīng)。

通訊軟件包括：GPS數(shù)據(jù)處理子程序,A/D數(shù)據(jù)采集子程序,通訊子程序和傳感器配置文件。對于不同的傳感器,需要修改配置文件中的傳感器IP、傳感器ID和傳感器序列號。傳感器終端軟件結(jié)構(gòu)見圖2。

4 性能指標(biāo)和功能特點(diǎn)

4.1 性能指標(biāo)

(1) 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：IEE802.11b,IEEE802.11g,IPv4,IPv6;

(2) 通信頻率：2.412~2.462 GHz;

(3) 通信速率：54 Mb/s,48 Mb/s,36 Mb/s, 24 Mb/s,18 Mb/s,12 Mb/s,11 Mb/s,9 Mb/s, 6 Mb/s,5.5 Mb/s,2 Mb/s,1 Mb/s;

(4) 動態(tài)范圍：±4g;

(5) 分辨率：±4mg;

(6) 工作距離：室內(nèi)40 m,室外330 m,配合增益天線最大可達(dá)1 200 m

(7) 功耗：≤1.5 W

(8) GPS定位精確度：水平：＜6 m(50%),＜9 m(90%),高度＜11 m(50%),＜18 m(90%),速度 0.06 m/s。

4.2 功能特點(diǎn)

(1) 無線和有線方式均支持IPv6；

(2) 采用集成電路方式的傳感器,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；

(3) 入網(wǎng)自動發(fā)現(xiàn)；

(4) GPS自動定位、時(shí)間校準(zhǔn)。

5 結(jié) 語

介紹了基于無線IPv6的SI-2型地震烈度計(jì)的技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),該儀器建立在嵌入式Linux和ARM處理器的基礎(chǔ)上,集成了信息感知、數(shù)據(jù)采集、處理、供電、定位、通訊等功能,具有功耗低、體積小、成本低及便于布設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。

隨著我國無線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和帶寬的提升,國家和社會公眾對地震安全的重視,該儀器將在國家地震預(yù)警、生命線工程自動緊急處置、地震立體觀測等系統(tǒng)建設(shè)以及震后應(yīng)急流動加密觀測中得到廣泛應(yīng)用,為減輕地震災(zāi)害損失做出重要貢獻(xiàn)。

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作者簡介王建軍 男,1964年出生,江蘇省泰興市人,研究員,工學(xué)碩士。1989年至今在中國地震局地殼應(yīng)力研究所從事地震前兆觀測及信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用等方面的研究工作。