安一凡 張 輝 曾智輝 涂先新

(1、中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室),湖北 武漢430071 2、湖北省地震局,湖北 武漢430071 3、湖北省地震局宜昌地震監(jiān)測中心站,湖北 宜昌443100)

地震觀測是地震監(jiān)測預(yù)報、地震應(yīng)急和地震科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。由于地震事件的隨機性和不可重復(fù)性,每一次地震事件的波形數(shù)據(jù)都是非常珍貴的。要保證測震臺站觀測系統(tǒng)可以完整地記錄到地震波形數(shù)據(jù), 三峽地震臺網(wǎng)中各設(shè)備穩(wěn)定的運行是諸多保障因素中一個不可或缺的重要組成部分。由于測震臺站環(huán)境復(fù)雜多樣,維護成本相對較高,如何對三峽臺網(wǎng)各臺站進行遠程統(tǒng)一有效地監(jiān)控、維護和管理, 已經(jīng)成為一項亟待解決的問題。為此,研究使用樹莓派微型電腦組建一套成本低、系統(tǒng)完善的遠程監(jiān)控系統(tǒng),對臺站內(nèi)的電源、溫濕度等工作環(huán)境進行實時監(jiān)控,通過預(yù)先設(shè)定好的故障觸發(fā)率閾值判斷臺站故障點,并發(fā)出報警信息,以便地震臺及時聯(lián)系看護或第一時間趕往現(xiàn)場維護設(shè)備,使觀測記錄最小化損失。

1 樹莓派微型電腦的技術(shù)特點

有著標(biāo)準(zhǔn)化硬件接口的樹莓派微電腦憑借著低價、開源以及極強的可拓展性獲得了迅速的發(fā)展,已成為全球最受關(guān)注的開源硬件。電腦能做的大部分事情,在樹莓派上都能做,而樹莓派以其低能耗、移動便攜性、GPIO 等特性,很多在普通電腦上難以做好的事情,用樹莓派卻是很適合的。可以將樹莓派連接電視、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)等設(shè)備使用。但樹莓派微電腦與桌面計算機最顯著的優(yōu)勢是具有開源硬件和開源軟件技術(shù),自由釋放詳細信息的硬件設(shè)計。開源硬件最強大的職責(zé)就是在真正的技術(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)之前,可以快速的將功能實現(xiàn)。通過樹莓派微電腦板子加通用器材和傳感器就可以實現(xiàn)各種常規(guī)監(jiān)測和實時監(jiān)控功能,樹莓派微電腦板如圖1。

開源軟件的特點是所有人都可以看到代碼,可根據(jù)技術(shù)和功能需求直接對代碼進行修改,使源代碼運行更加完善,功能更豐富。樹莓派的開源具有優(yōu)秀的擴展性和易于開發(fā)的特性。其優(yōu)點：

圖1 樹莓派微電腦板圖

表1 樹莓派40Pin 引腳功能對照表

1.1 可以安裝完整的操作系統(tǒng)(例如,基于Linux 的Raspbian 或基于Windows 的OS 的Windows IOT Core)并將其用作日常計算機。

1.2 GPIO(通用輸入輸出引腳)的存在是RPi(樹莓派)與傳統(tǒng)計算機的區(qū)別所在?？梢詫⑦@些引腳連接到傳感器和外部組件,并使用Python 之類的語言以編程方式與它們交互,能夠構(gòu)建和原型化可以感知現(xiàn)實世界的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

1.3 內(nèi)置了wifi 和藍牙?？梢暂p松地將項目加入無線模式。

2 樹莓派通用輸入輸出接口功能研究

樹莓派的通用輸入輸出(GPIO)接口可以通過各種信息傳感器,射頻識別技術(shù),紅外感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)組建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程。GPIO 接口引腳可以用于程序中讀取電路中的電信號,也可以為控制電路提供電信號?？梢酝ㄟ^GPIO 口和硬件進行數(shù)據(jù)交互(如UART),控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態(tài)信號(如中斷信號)等。GPIO 口的使用非常廣泛,每個引腳都可以使用程序進行控制操作。樹莓派將IO 引腳的開放,可以通過引腳能連接各種電子設(shè)備、電路模塊、電子元件及各類傳感器,實現(xiàn)智能化控制。GPIO 接口的使用非常廣泛,每個引腳都可以使用程序進行控制操作。表1 是樹莓派GPIO 接口各引腳的編碼方式及功能對照。

2.1 樹莓派40 針GPIO 引腳功能

2.1.1 電源輸出引腳

3v3、5v 代表：3.3 伏特和5 伏特,是輸出供電的正極,也就是Vcc；GND 代表接地和輸出供電的負極。

2.1.2 GPIO 信號引腳

通過輸出高低電平或者通過讀入引腳的狀態(tài)：高電平或是低電平?？梢酝ㄟ^GPIO 引腳和硬件進行數(shù)據(jù)交互(如UART),控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態(tài)信號(如中斷信號)等。

2.1.3 IC 總線引腳

IC 是內(nèi)部整合電路的稱呼,是一種串行通訊總線,使用多主從架構(gòu),使主板、嵌入式系統(tǒng)或手機用以連接低速周邊裝置。

2.1.4 SPI 總線引腳

SPI 是串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface),是一種高速的、全雙工、同步的通信總線,并且在芯片的管腳上只占用四根線,節(jié)約了芯片的管腳,同時為PCB 的布局上節(jié)省空間,提供方便。

2.1.5 UART 總線引腳

UART 是一種通用串行數(shù)據(jù)總線,用于異步通信。該總線雙向通信,可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計中,UART用于主機與輔助設(shè)備通信,與PC 機通信包括與監(jiān)控調(diào)試器和其它器件,如EEPROM通信?？梢岳斫鉃橛嬎銠C的串口,RS232、TTL。

2.1.6 PWM脈沖寬度調(diào)制引腳

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式,其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS 管柵極的偏置,來實現(xiàn)晶體管或MOS 管導(dǎo)通時間的改變,從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù),廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

2.2 樹莓派40 針GPIO 引腳編號方式

GPIO 的編號有三種不同的方式：

2.2.1 BOARD 編號方式：編號側(cè)重P1 插座側(cè),從上到下,從左到右。如表1 的BOARD 編碼一欄。

2.2.2 BCM2835 編號方式：編號側(cè)重CPU 寄存器,根據(jù)BCM2835 的GPIO 寄存器編號。如表1 的BCM編碼一欄。

2.2.3 wiringPi 編號方式：編號側(cè)重實現(xiàn)邏輯,把擴展GPIO端口從0 開始編號,這種編號方便編程。如表1 的WiringPi 編碼一欄。

2.3 操作樹莓派的GPIO 端口

掌握了GPIO,就掌握了樹莓派操作硬件的方法。通常在項目功能硬件連接好后,進行應(yīng)用編程。編程時,通常采用第三方類庫來作為開發(fā)的基礎(chǔ)API 進行使用,不同的API 庫對于GPIO的編號不一樣,而不同的API 庫對于開發(fā)語言的支持也不同。常見的類庫有以下幾種：

2.3.1 wiringPi C,有Perl, PHP, Ruby, Node.JS 和Golang 的擴展,支持wiringPi Pin 和BCM GPIO 兩種編號。

2.3.2 RPi.GPIO Python,支持Board Pin 和BCM GPIO 兩種編號。

2.3.3 WiringPi-Go, Go 語言,支持wiringPi Pin、BCM GPIO和Board Pin 三種編號選擇好需要的開發(fā)語言就可以了,比如選擇Python 語言,選擇RPi.GPIO,其他語言選擇wiringPi。

3 樹莓派遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)

三峽井網(wǎng)臺站偏遠,維護困難,成本高風(fēng)險大,而相當(dāng)比例的維護任務(wù)僅為重啟設(shè)備,通過研究樹莓派微型電腦GPIO 接口的功能和信號數(shù)據(jù)控制、讀取和傳輸方法原理,選擇技術(shù)成熟的遠程管理或自動監(jiān)測設(shè)備和部件,在無人值守臺站組建遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 遠程監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)方法和技術(shù)

通過樹莓派微型電腦開源硬件的深入分析研究,根據(jù)通用輸入/輸出接口各連接端的功能屬性,研究實現(xiàn)所需專用設(shè)備部件的連接,組建遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)：

表2 DHT11 溫濕度傳感器引腳功能說明表

3.1.1 無人值守臺站儀器工作環(huán)境溫濕度實時監(jiān)測,設(shè)定高溫和高濕度警示。通過樹莓派微型電腦的GPIO 接口連接溫濕度傳感器,組成溫濕度實時監(jiān)測設(shè)備。對無人值守臺站的環(huán)境的溫濕度進行實時檢測,通過開源軟件的修改和編寫,編譯后實時讀取溫濕度數(shù)據(jù)并顯示變化曲線。設(shè)定極限閾值,在環(huán)境條件突變的情況下發(fā)出警示信號。

3.1.2 電源實時監(jiān)測控制,樹莓派微型電腦鏈接MI 家智能電源開關(guān),并且實時顯示電壓值變化曲線,在異常情況出現(xiàn)時給出警示信號,通過遠程控制關(guān)閉或重啟觀測儀器。

3.1.3 遠程實時圖像監(jiān)控,樹莓派微型電腦連接MI 家智能攝像頭,可在中心臺站值班電腦實時顯示監(jiān)控畫面,并在有非法闖入時識別運動變化,并發(fā)出警報至值班電腦。

3.1.4 通過樹莓派微型電腦連接臺網(wǎng)無線4G 路由器,開啟樹莓派VNC 服務(wù),使用VNC 遠程連接。開啟之后,通過樹莓派的IP 地址進行連接,完成樹莓派微型電腦與中心臺站值班電腦遠程連接,實現(xiàn)遠程信號和數(shù)據(jù)的實時傳輸。

3.2 溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建方法和試運行效果

樹莓派微型電腦連接DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器組建實時溫濕度檢測設(shè)備,DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),確保該部件具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性,如圖2-7 所示。其三根引腳接線：“-”的是電源負極(GND)、“+”的是電源正極(VCC)、“out”的是數(shù)據(jù)輸入輸出(DATA),進行編譯后可以實時讀取數(shù)據(jù)和顯示變化的溫濕度曲線。引腳功能說明如表2。

傳感器引腳的連接沒有特定的限制,vcc 只要連接的是樹莓派上標(biāo)有“5v”標(biāo)識的引腳(pin2 或pin4),GND 連接樹莓派上標(biāo)有“GND”標(biāo)識的引腳(pin6,pin9,pin14,pin25,pin30,pin39),DATA連接任意標(biāo)有“GPIO”的引腳。由于樹莓派軟件的開源性,使用Python 現(xiàn)成的庫,代碼簡單,易懂,直接導(dǎo)入Adafruit DHT11 庫,完成代碼的修改和編寫。

圖2 1DHT11 溫濕度傳感器

圖3 DHT11 溫濕度傳感器與樹莓派的連接示意圖

圖4 樹莓派連接溫濕度傳感器試驗圖

圖5 溫濕度讀取開源軟件下載調(diào)試修改代碼圖

圖6 溫濕度檢測系統(tǒng)運行效果圖

圖7 溫濕度監(jiān)測曲線圖

4 結(jié)論

通過對樹莓派微電腦的開源架構(gòu)及通用輸入/輸出接口技術(shù)原理的分析研究,在實現(xiàn)溫濕度檢測的實際組建研究中,得出如下結(jié)論：

4.1 樹莓派實現(xiàn)的遠程智能檢測和監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)和方法簡單實用,無人值守地震觀測站的運用具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.2 在充分掌握樹莓派通用輸入/輸出接口連接和控制編程的基礎(chǔ)上,更深入地研究樹莓派微電腦的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備技術(shù),能夠擴展樹莓派在地震臺、站智能管控中的應(yīng)用。

4.3 本次研究只是初步了解和掌握了樹莓派通用輸入/輸出接口連接和控制編程的方法和原理,實際運用于無人值守地震觀測站的遠程智能監(jiān)控,水管傾斜儀和寬頻帶傾斜儀的地震響應(yīng)延遲時間均與震中距成正比,震中距越大,響應(yīng)延遲時間越長,水管傾斜儀的響應(yīng)延遲時間大部分比寬頻帶傾斜儀的響應(yīng)延遲時間長。

本次研究取得了一定的成果,初步掌握了樹莓派微電腦開源硬件開發(fā)運用的技術(shù)方法,單一的監(jiān)測和監(jiān)控項目的實現(xiàn),為后續(xù)進一步研究打下基礎(chǔ),提高了無人值守地震觀測站的智能監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)水平,也提升了對無人值守地震觀測站的應(yīng)急管控能力。