基於網絡與中文簡訊控制的強震數據採集與烈度記錄器的製作方法

2023-10-11 23:31:44 4

專利名稱：基於網絡與中文簡訊控制的強震數據採集與烈度記錄器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種地震與強振動觀測儀器，具體涉及一種基於網絡與中文簡訊控制的強震數據採集與烈度記錄器。
背景技術：
強震觀測主要服務於地震工程學和近場地震學和防震減災事業。強震觀測是利用儀器來觀測地震時地面運動的過程以及在其作用下工程結構的反應情況，是取得地震破壞作用和結構抗震性能認識的來源。強震記錄器主要用於記錄地面振動的加速度、速度或位移數據。利用強震記錄器可以進行烈度速報，獲取強震動信息，定量估計地震烈度等級，對地震災害進行快速評估，為地震應急反應提供科學依據。目前，大部分強震記錄器的數據傳輸採用RS232串行接口或網絡接口。RS232串行接口雖然為工業標準接口，但是傳輸速度慢，通信距離短，容易受到幹擾。網絡接口由於網絡條件和通訊協議的限制，容易造成儀器通過網絡接口監控困難，網絡地址衝突、數據傳輸時有可能中斷的問題，造成目前多數強震記錄器無法進行烈度監測與實時速報。

發明內容
本發明的目的在於克服上述技術中存在的不足之處，提供一種結構緊湊、設計合理，將先進的通信技術手段應用於強震觀測儀器之中，較好實現強震烈度監測與實施速報的一種基於網絡與中文簡訊控制的強震數據採集與烈度記錄器。為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是包括數據採集系統、觸發系統、存儲系統、時間系統、數據傳輸通信系統和控制系統，所述的控制系統和數據傳輸通信系統主要有數位訊號處理器與自適應網絡接口晶片構成，在數位訊號處理器的數據傳輸接口保留了 RS232串行接口和通過MODEM進行撥號傳輸接口，並增加網絡通信接口，網絡通信接口通過隔離變壓器連接到自適應網絡接口晶片，靜態隨機存儲器通過數據總線和地址總線與控制系統數位訊號處理器相連，作為數據採集的緩存，所述的數據採集系統是由通道一前置處理電路、通道二前置處理電路、通道三前置處理電路、單通道A/D轉換器、雙通道A/D轉換器和數字濾波器構成的三通道信號採集電路，通道一前置處理電路輸出連接到單通道A/D 轉換器，通道二前置處理電路和通道三前置處理電路輸出連接到雙通道A/D轉換器後輸出到數字濾波器，數字濾波器採用SPI總線與控制系統的數位訊號處理器連接進行數據交換與命令控制，所述的觸發系統通過觸發濾波器對採集到的三通道數據進行觸發判斷，所述的存儲系統採用大容量CF卡存儲採集數據，CF卡通過數據線與控制系統的數位訊號處理器連接，所述的時間系統由單片機、實時時鐘晶片、時鐘後備電池、GPS模塊和GSM通信模塊組成，單片機通過串行接口與控制系統的數位訊號處理器相連。本發明的優點是通過在記錄器中內置嵌入式自適應網絡接口晶片和支持中文簡訊收發的嵌入式 GSM通信模塊，可高效靈活地通過網絡或中文簡訊進行強震數據採集和實時監控強震記錄器儀器狀態，擴大儀器應用範圍和可靠性。


圖1是本發明電路系統方框圖；圖2是本發明控制系統和網絡通信系統及CF卡連接電路圖；圖3是本發明數據採集系統電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作進一步詳細描述。由圖1-圖3可知，本發明包括數據採集系統、觸發系統、存儲系統、時間系統、數據傳輸通信系統和控制系統，所述的控制系統和數據傳輸通信系統主要有數位訊號處理器13 與自適應網絡接口晶片16構成，在數位訊號處理器13的數據傳輸接口保留了 RS232串行接口 15和通過MODEM進行撥號傳輸接口 17，並增加網絡通信接口，網絡通信接口通過隔離變壓器連接到自適應網絡接口晶片16，靜態隨機存儲器14通過數據總線和地址總線與控制系統數位訊號處理器13相連，作為數據採集的緩存，所述的數據採集系統是由通道一前置處理電路1、通道二前置處理電路2、通道三前置處理電路3、單通道A/D轉換器4、雙通道 A/D轉換器5和數字濾波器7構成的三通道信號採集電路，通道一前置處理電路1輸出連接到單通道A/D轉換器4，通道二前置處理電路2和通道三前置處理電路3輸出連接到雙通道A/D轉換器5後輸出到數字濾波器7，數字濾波器7採用SPI總線與控制系統的數位訊號處理器13連接進行數據交換與命令控制，所述的觸發系統通過觸發濾波器6對採集到的三通道數據進行觸發判斷，所述的存儲系統採用大容量CF卡12存儲採集數據，CF卡12通過數據線與控制系統的數位訊號處理器13連接，所述的時間系統由單片機8、實時時鐘晶片 9、時鐘後備電池10、GPS模塊18和GSM通信模塊11組成，單片機8通過串行接口與控制系統的數位訊號處理器13相連。本發明與現有強震觀測儀器的區別在於本發明內置嵌入式自適應網絡接口晶片 16和支持中文簡訊收發的嵌入式GSM通信模塊11。內置嵌入式程序具有自動監測網絡連接狀態的能力，可在網絡無法連接時，自動定時重新檢查網絡與記錄器之間的網絡連接，保證數據傳輸穩定可靠，提高了強震記錄器的數據傳輸穩定性。本發明利用手機中文簡訊的發送與接收實現記錄器狀態檢查、傳感器標定、功能設定、烈度速報的功能。中文簡訊一條最多可以傳輸70個中文字符，記錄器在傳送較多數據時可以自動分多條簡訊傳輸。中文簡訊有密碼設定，可以通過設定簡訊控制密碼，保證監控的安全性，防止未經授權對記錄器的訪問ο本發明基於網絡與中文簡訊控制的強震數據採集與烈度記錄器主要包括數據採集系統、觸發系統、存儲系統、時間系統、數據傳輸通信系統和控制系統等。控制系統和數據傳輸通信系統主要有數位訊號處理器13與自適應網絡接口晶片16構成，在數位訊號處理器13的數據傳輸接口保留了 RS232串行接口 15和通過MODEM進行電話撥號傳輸數據的接口 17，並增加網絡通信接口，網絡通信接口通過隔離變壓器連接到自適應網絡接口芯16， 靜態隨機存儲器14通過數據總線和地址總線與控制系統數位訊號處理器13相連，作為數據採集的緩存；數位訊號處理器13採用TMS320F2812晶片，自適應網絡接口晶片16採用AX88796B晶片。存儲系統採用大容量CF卡12存儲採集數據，CF卡12採用TrueIDE模式通過數據線與TMS320F2812控制晶片連接。CF卡12的片選端CSO與CSl接集成電路晶片 74HC138的Yl和Y2端，CF卡12寄存器的地址為0x2100_0x2200，控制單元通過寫入與讀出寄存器狀態實現對CF卡12的讀寫操作。TMS320F2812晶片調用文件讀寫函數來完成記錄文件在CF卡12上的讀寫過程，文件讀寫函數通過調用底層的CF卡12驅動來完成對CF 卡12命令寄存器的操作。為了有效地處理CF卡12上記錄的數據，同時能夠在裝有Windows 作業系統的微機上能夠讀取記錄文件，本發明在CF卡12記錄的文件格式採用嵌入式FAT32 的文件系統。TMS320F2812晶片通過D0-D15數據總線與網絡接口晶片AX88796B進行數據交換，A0-A5為地址總線，用於片內寄存器地址尋址。74HC138解碼器的YO與AX88796B晶片的片選端相連，其地址為0x2000。監控軟體與強震記錄器連接的工作方式為儀器啟動後進行AX88796B晶片復位並初始化，然後是TCP/IP協議棧的初始化，通過讀取CF卡12上的配置文件來設定強震記錄器的IP位址。數據採集系統是由通道一前置處理電路1、通道二前置處理電路2、通道三前置處理電路3、單通道A/D轉換器4、雙通道A/D轉換器5和數字濾波器7構成的3通道信號採集電路，通道一前置處理電路1輸出連接到單通道A/D轉換器4，通道二前置處理電路2和通道三前置處理電路3輸出連接到雙通道A/D轉換器5後輸出到數字濾波器7，數字濾波器 7採用SPI總線與控制系統的數位訊號處理器13進行數據交換與命令控制；前置處理電路採用高精度儀表放大器構成，其作用為阻抗變換和信號放大。A/D轉換器輸出的數據流，經過數字濾波器濾波後，變為M位3通道的數據信號輸出。觸發系統通過觸發濾波器6對採集到的三通道數據進行觸發判斷；觸發系統主要由軟體算法實現。如果滿足觸發條件，記錄器開始連續記錄數據，直到採集的數據不滿足觸發條件或達到預先設定的記錄時間。觸發濾波器6的設計原則通常使觸發濾波器6的通頻帶包括地震事件能量頻帶，地震事件的噪聲能量譜應在通帶範圍之外，主要的目的是為了消除數據採集的零偏移量與直流分量，以儘可能減小記錄的誤觸發，同時不會造成無法觸發記錄的情況。觸發濾波器的通頻帶隨採樣率不同而變化，在50Hz採樣率下，通頻帶為 0. 025HZ-3. 75Hz，在IOOHz採樣率下，通頻帶為0. 05-7. 5Hz，在200Hz採樣率下，通頻帶為 0.1Ηζ-15Ηζ。時間系統由單片機8、實時時鐘晶片9、時鐘後備電池10、GPS時間模塊18和GSM 通信模塊11組成，單片機8通過串行接口與控制系統的數位訊號處理器13相連。高精度實時時鐘作為系統中斷供電、停止工作的後備時鐘；在系統運行時，則採用高精度溫度補償晶振作為系統的時鐘源，保證系統時間系統的精度，同時每隔一定時間通過GPS時間模塊 18中的GPS時間校對系統對系統當前的時鐘進行校對，可以保證系統的時間精度達到毫秒級。記錄器開機時，系統首先檢查是GPS對時系統是否工作、GPS天線是否連接和能否接收到對時信號，如有GPS標準時間信號，系統採用GPS校時，將系統時鐘和備用時鐘同步到世界時，在系統內部可以設定時區，通過記錄器所在時區與標準時間計算則可得到記錄器當前位置的精確時間。本發明中文簡訊控制的實現中文簡訊監控命令包括有監控手機或監控軟體發送的記錄器控制簡訊和記錄器發送的記錄器狀態簡訊。記錄器控制簡訊命令格式為「簡訊控制密碼」 + 「控制命令」。其中「簡訊控制密碼」為預先設定並存儲在記錄器內部的密碼，由4位數字或字母組成，記錄器只有在收到的簡訊包中含有正確的密碼+控制命令時才會執行相應的指令。具體的中文簡訊命令如下所示1. 「簡訊控制密碼」 + 「記錄器狀態」，記錄器收到簡訊後進行狀態檢查，回復的簡訊格式為「記錄器編號」 + 「電池電壓」 + 「記錄器溫度」 + 「可用內存容量」 + 「觸發文件數目」。例如簡訊控制密碼設定為「AB⑶」，發送簡訊「AB⑶記錄器狀態」，記錄器回復簡訊 「記錄器12，電池電壓12. 5V，記錄器溫度35. 2°C，可用內存2. 3G，觸發文件15個。」2. 「簡訊控制密碼」 + 「功能檢查」，記錄器進行傳感器功能檢查，回復簡訊「功能檢查正常」 + 「通道一電壓偏移」 + 「通道二電壓偏移」 + 「通道三電壓偏移」，若功能檢查錯誤，則記錄器回復「功能檢查錯誤」。例如發送簡訊「AB⑶功能檢查」，記錄器回復簡訊 「記錄器12，功能檢查正常，通道一 12. lmV，通道二 4.6mV，通道三7. 8mV。」3. 「簡訊控制密碼」 + 「數據採集」，記錄器進入數據採集狀態，等待滿足數據採集條件時開始記錄數據。無簡訊回復。4. 「簡訊控制密碼」 + 「實時觸發」，記錄器在收到簡訊後立即進入觸發狀態，開始記錄採集的數據。記錄器回復簡訊「觸發正常。」5. 「簡訊控制密碼」 + 「記錄器參數」，查看當前的記錄器參數設定。記錄器回復簡訊「記錄器採樣率+觸發方式，三通道觸發設定+預存時間」。例如發送簡訊「ABCD記錄器參數」，記錄器回復簡訊「記錄器12，採樣率200，觸發方式閥值觸發，110，210，310，預存時間20秒。」6. 「簡訊控制密碼」+「參數設定」，對記錄器參數進行設定。例如，發送簡訊「AB⑶ 參數設定100，1，10，10，10，20。」此時，設定記錄器的採用率為100Hz。觸發方式1，為閥值觸發。通道1觸發設定IOgal，通道2觸發設定IOgal，通道3觸發設定10gal，預存時間 20秒。記錄器在收到簡訊後進行參數的設定。設定完成後，記錄器回復簡訊「參數設定完成。」7. 「簡訊控制密碼」 + 「記錄器復位」，記錄器收到簡訊後，強制對記錄器進行復位操作，重新啟動記錄器。記錄器無簡訊回復。8. 「簡訊控制密碼」 + 「開始/停止」，開始/停止記錄器簡訊烈度簡訊的發送。例如「AB⑶開始」，記錄器在觸發後計算烈度值並發送烈度簡訊。9.烈度速報簡訊格式為「記錄器編號+觸發時間(年-月-日時分秒)+ 記錄器位置(經緯度表示度.分.秒)+三通道峰值加速度+參考烈度」。記錄器在觸發後，對觸發數據進行計算，得到三通到最大加速度值和參考烈度。記錄器發送簡訊到預先設定的手機相關控制軟體上。例如，記錄器發送簡訊為「記錄器編號12，觸發時間 2011-3-911:23:45，經度39. 59. 13，緯度116. 19. 25，峰值加速度通道 1 :123gal，通道 2 25gal，通道 3 :33gal，參考烈度4. 1」。本發明網絡傳輸控制的實現記錄器可以自動判斷網線連接和網絡傳輸情況。實現的方法是通過讀取AX88796B 網絡接口晶片的操作位，檢查器件狀態寄存器DSR的第0位，如果為1表示連接正常，如果為0表示連接錯誤。同時檢查系統狀態寄存器MRl的第4位，如果為1表示遠端連接正常， 如果為0，表示連接不正常。在連接錯誤的情況下，記錄器會自動重複檢查網絡連接狀況，在網絡連接正常後，恢復中斷的數據傳輸。強震記錄器的網絡通信採用基於TCP/IP協議的數據傳輸方式。記錄器作為TCP/ IP連接的伺服器端等待作為客戶端的監控軟體發出連接命令，連接建立後，可以對記錄器進行各項操作。監控軟體可以同時對多臺記錄器進行監控，方便地組成主機對多臺記錄器的監控網絡。監控軟體與強震記錄器連接的工作方式為首先，記錄器啟動後進行 AX88796B的晶片復位並初始化，然後是TCP/IP協議棧的初始化，通過讀取CF卡上的配置文件，設定強震記錄器的IP位址，預設IP位址為=192. 168. 1. 10，網關為255. 255. 255. 0，用戶可以根據實際的網絡配置進行相應的修改；然後將網絡晶片的工作方式設定為TCP伺服器方式，監聽埠設定為52654。根據接收到的數據判斷是否為有效的命令，然後根據不同命令執行相應操作。強震記錄器的嵌入式軟體採用嵌入式C語言開發，嵌入式軟體的總體結構分為硬體抽象層、硬體服務層、應用服務層。其中，硬體抽象層包括數位訊號處理器13、單通道A/ D轉換器4、雙通道A/D轉換器5、自適應網絡接口晶片16的硬體接口設置與初始化等子程序；硬體服務層則包含CF卡12、FAT32文件系統、TCP/IP協議棧和數字濾波器7的功能設定等子程序和文件；應用服務層則負責數據採集、觸發判斷、網絡與串口的通信和監控軟體與強震記錄器之間的命令發送接收處理。通過應用接口調用硬體接口與硬體服務子程序， 使強震記錄器的嵌入式軟體系統具有簡潔高效的特點，便於維護與開發。
權利要求
1. 一種基於網絡與中文簡訊控制的強震數據採集與烈度記錄器，包括數據採集系統、 觸發系統、存儲系統、時間系統、數據傳輸通信系統和控制系統，其特徵在於所述的控制系統和數據傳輸通信系統主要有數位訊號處理器(13)與自適應網絡接口晶片(16)構成，在數位訊號處理器(13)的數據傳輸接口保留了 RS232串行接口(15)和通過MODEM進行撥號傳輸接口(17)，並增加網絡通信接口，網絡通信接口通過隔離變壓器連接到自適應網絡接口晶片(16)，靜態隨機存儲器(14)通過數據總線和地址總線與控制系統數位訊號處理器 (13)相連，作為數據採集的緩存，所述的數據採集系統是由通道一前置處理電路(1)、通道二前置處理電路O)、通道三前置處理電路(3)、單通道A/D轉換器G)、雙通道A/D轉換器 (5)和數字濾波器(7)構成的三通道信號採集電路，通道一前置處理電路(1)輸出連接到單通道A/D轉換器G)，通道二前置處理電路( 和通道三前置處理電路C3)輸出連接到雙通道A/D轉換器(5)後輸出到數字濾波器(7)，數字濾波器(7)採用SPI總線與控制系統的數位訊號處理器(1 連接進行數據交換與命令控制，所述的觸發系統通過觸發濾波器(6)對採集到的三通道數據進行觸發判斷，所述的存儲系統採用大容量CF卡(1 存儲採集數據， CF卡(12)通過數據線與控制系統的數位訊號處理器(13)連接，所述的時間系統由單片機 (8)、實時時鐘晶片(9)、時鐘後備電池(10)、GPS模塊(18)和GSM通信模塊(11)組成，單片機(8)通過串行接口與控制系統的數位訊號處理器(1 相連。
全文摘要
本發明涉及一種基於網絡與中文簡訊控制的強震數據採集與烈度記錄器，包括數據採集系統、觸發系統、存儲系統、時間系統、數據傳輸通信系統和控制系統，在記錄器中內置嵌入式自適應網絡接口晶片和支持中文簡訊收發的嵌入式GSM通信模塊，網絡通信接口具有自動監測網絡連接狀態的能力，可在網絡無法連接時，自動定時重新檢查網絡與記錄器之間的網絡連接，保證數據傳輸穩定可靠，提高了強震記錄器的數據傳輸穩定性，利用手機中文簡訊實現記錄器狀態檢查、傳感器標定、功能設定、烈度速報的功能。本發明可高效靈活地通過網絡或中文簡訊進行強震數據採集和實時監控強震記錄器儀器狀態，擴大儀器應用範圍和可靠性。
文檔編號G01V1/00GK102323611SQ20111014874
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者王雷, 高峰, 魏繼武 申請人:中國地震局工程力學研究所, 王雷, 高峰, 魏繼武