地震预警系统设计与讨论

谓成功的地震预报都纯属侥幸, 地震的原理远比人们想象的复
杂,因此预报也绝非易事。鉴于此,国内外把减少地震灾害的工
作重点放在了地震预警上。
1 地震预警的基本概念
1.1 利用电磁波传播预警
图 1 预警方式 Fig.1 Pre-alarm Mode 由于预警信号按电磁波速传递, 而地震波波速为每秒数公 里,两者传播过程中存在一个时间差。如图 1 所示,设地震在 t=0 时发生,地震波由震源 O 传到垂直的地面 A 和预警区方向 B 的 时间为 t0, 传到地震检测点地面 C 地和预警区方向D 的时间为 t1, 当将检测点C 得到的预警信号以电磁波速度传到预警区 E 点时,地震波 P 波则按每秒 6 公里多的速度经 t2 传向 E 点,电磁
技 Furthermore, the problem on earthquake pre-alarm system framework and message issue is discussed, and an eclectic solution issuing message on the earthquake pre-alarm in informality and formality is also bring forwarded.
1.2 利用 P 波传播预警 地震的能量以波的形式向外传播, 而地震波又分为破坏力 小但传播速度快的纵向 P 波和破坏力大但传播速度慢的横向 S 波。在同一地方,从 P 波初动检测出地震、发出报警,到地震成 灾的 S 波达到之前可以有一段预警时间,令 P 波到达时间为 t1, 判断地震并发出预警的时间为 t2,灾害发生时间为 t3,得到的预 警时间为 t3-t2。 1.3 混合预警 将上述两种预警结合起来,先由电磁波传播预警信号,进行 初级预警,再由检测到的 P 波强度进行精准预警。此次汶川地震 为例,地震深度 12~19 公里,北川距映秀镇直线距离约 125 公里, 青川距映秀镇约 230 公里。如果按照地震波传输速度来算,到北 川需要 30 秒到 40 秒,传递到青川需要 60 秒左右。映秀与距它 最近的地震台 C 有 30 公里。如果建立了预警系统,地震台就能 在 P 波传出的 5-6 秒监测到, 数据处理到传输出去需 4-5 秒。 因此 10 秒钟左右就可检测到地震发生,并进行数据处理,将信 息传递到北川、青川。那么,北川的人们就有 20 秒左右的时间进 行疏散和采取一些应急处理,青川会有 50 秒左右的时间。而此 次地震中,很多学生从教室逃离到平地只花了十几秒的时间。
Abstract: After earthquake pre -alarm condition is analyzed theoretically, the circuits of earthquake signal collection, AD signal transform, GPS signal collection and GSM communication are designed. Its characteristics are removability, and finding site exact, pre-alarm area large, organizing network system easy. Test shows that the circuit is able to complete signal collection and transport.
图 2 点对点地震预警电路框图 Fig.2 Point to Point Earthquake Pre-alarm Circuit Frame 2.1 地震信号检测电路 (1)地震波检测头 主要由骨架、磁体、线圈组成。地震波使 线圈在磁体中上下移动, 切割磁力线并产生电流, 其电流的强 弱反映地震的强度。 (2) 信号放大电路 放大器将地震波检测头输出的信号放大到 A/D 转换器要求的输出幅度, 采用 LM324 集成四运算放大器芯片。 (3)A/D 转换电路 其功能是将检测到的模拟地震波信号转 换为数字信号,采用 TLC0820 高速并行模数转换器。 地震模拟信号从 LM324 放大器的 3 端和 2 端输入,由 1 端 输出, 经 TLC0802 的 1 端输入转换为 8 位数字信号后, 由 2、3、 4、5、14、15、16、17 端 输 出 到 微 处 理 单 元 P89C669 的 P1 口 。 TLC0802 的 13 脚 接 地 , 使 该 芯 片 处 于 工 作 状 态 。 11 脚 VREF_ 和 12 脚 VREF+接 R7, 可调节模拟输入电压范围到满 刻度工作状态。7 脚 MODE 接高电平,转换器工作在写读方式。 当 和 /RDY 为低时, 转换器开始测量输入信号。转换器 在 的下降沿开始转换,经过不到 2.5us 转换完成,此时 变 为低电平。转换得到的数据送到数据总线上, 由单片机读取。当 数据读取后 变高, 返回高, 数据输出端返回到高阻态, 准备下一次 A/D 转换。 2.2 GPS 地理位置数据采集电路 地震检测头所在位置信息的获取,由 E580 模块完成。卫星 信号由天线引脚 16 输入, 由引脚 3、4 串口与 MPU 的串口 1 的 引脚 12、34 相接。 2.3 预警信号传输电路 GSM 模块 TC35i 提供 ZIF-40 接口与外部连接,由于单片机 I/O 口为 TTL 电平, 而 TC35i 的引脚电平为 CMOS 电平,因此单 片机经 OC 门 SN7407 将电平转换后与 TC35i 相连。单片机的 P2.7 与 ZIF 的 IGT 连接来控制 TC35I 的启动。TC35i 集成了标 准的 RS232 接口, 将 ZIF 座的 RXD 及 TXD 与单片机的串口 0 引脚 11、3 连接起来进行通信。 2.4 MPU 控制电路 (1)TIL0820 与 P89C669 的接口 微处理单元 P89C669 的 P3.3 和 P3.2 启 动 A/D 和 读 A/D, 转 换 器 的 输 出 直 接 送 到 P89C669 的输入端 P1 口。其工作过程是: 首先由 P3.2 输出一 启动信号给 TIL0820 的 6 脚 WR /RDY,TIL0820 转换器开始测量 输入信号, 在 WR /RDY 上升沿开始转换。P89C669 的 P3.5 引脚 查询 TIL0820 的第 9 引脚 INT , 经过不到 2.5us 当 INT 变为低电 平时,说明转换完成。此后由 P89C669 的 P3.2 引脚输出信号给 TIL0820 的第 8 引脚 RD ,控制将 A/D 转换器的输出经 P89C669 的 P1 口读入 RAM 中。当数据读取后 P89C669 的 P3.2 引脚输 出变高, INT 返回高电平, 数据输出端返回到高阻态, 准备下一
CHEN J in-ying WANG Xu-ben LI Zhi ZHU Zhong-ming
摘要: 从 理 论 上 分 析 了 地 震 预 警 的 条 件 , 进 行 了 地 震 信 号 采 集 、AD 转 换 、GPS 定 位 、GSM 远 程 信 号 传 输 的 电 路 设 计 。 该 设 备 具有观测点的可移动性、可精确定位、预警范围大、系统组网方便的特点。 测试表明,该设计电路能够完成信号的采集与传 输。 此外,讨论了地震预警系统组织和信息发布中存在的问题,提出了地震预警信号的非正式发布和正式发布折衷解决方案。 关键词: 地震; 预警; GPS; GSM 中图分类号: TN98 文献标识码: A
2.5 GSM 远端接收电路 GSM 远端接收电路是 GSM 发送电路的逆过程。TC35i 收到 数据后传给 P89C669, 由 P89C669 发出控制报警信号, 或通过 串口传到 PC 机上, 再通过网络传到其它数据采集中心。 经测试,按上述电路完成了信号的采集与传输。
3 预警电路系统的讨论
这里所设计的电路是一个点对点地震检测预警电路, 如果
次 A/D 转换。 (2)GPS 与 P89C669 的接口 E580 模块工作在 3V,当加电正
常, 如果工作在自动模式, 会不断输出数据串,4 秒更新一次, P89C669 经引脚 12 从串口 1 提取经纬度数据放入 RAM 中。
(3)GSM 模块 TC35i 与 P89C669 的接口 P89C669 的 P1 口 得到地震数据后再用串口 1 接收 GPS 的位置数据信息。然后将 地震数据以及位置数据信息通过引脚 13 的串口 0 发送给 GSM 模块, 并通过 11 脚的串口 0 接收 GSM 模块返回的发送状态信 息,如果发送数据有效, 则准备进行下一次发送,否则重复发送 上一次的数据。
陈金鹰: 教授 博士 基 金 项 目 : 科 技 部 国 家 " 十 一 五 " 科 技 项 目 (2006BAC13B040302); 国家自然科学基金项目 (40841012); 四川省 教 育 厅自 然 科 学 类 重 点 项 目 基 金 (082A102)
波传输的时间相对地震波传输时间可以忽略, 这样在 t1 时刻,C 接收到地震波的初动以后在很短的时间内发出预警,E 地几乎 可以在 t1 的时刻收到预警, 故 C 点对 E 地的预警时间为 t2-t1。 地震检测点 C 越靠近 A 点,t1 越趋近 t0,预警时间 t2-t1 越大。
术 Key words: Earthquake; Pre-alarm; GPS; GSM
创 前言
新
尽管目前国内外采用了许多技术进行地震预报, 主流地震
学界仍坚持认为,临震预报在全世界都是一个难题。其原因在于
前兆研究不易、同一地点两次地震的间隔时间比人的寿命还
长、地震的发生环境过于复杂。有专家认为人类历史上几次所
博士论坛
文 章 编 号 :1008-0570(2010)01-2-0030-02
《微计算机信息》(嵌入式与 S OC )2010 年第 26 卷第 1-2 期
地震预警系统设计与讨论
Design and Discussion on Earthquake Pre-alarm System
(1.成都理工大学;2.Northeastern University, Boston, MA, USA) 陈 金 鹰 1 王 绪 本 1 李 稚 2 祝 忠 明 1
将多个这样的电路组成的设备分布于震区, 就组成了一个地震
检测预警系统。
3.1 地震检测预警系统的关键
技
对于一个预警系统, 还有许多因素需要考虑,主要包括:
术 (1)预警门限的确定 4 级以上的地震人就会有感觉,5 级以
上的地震可能造成破坏。但同样级别的地震,因深度、地质结构、
创 地面建筑抗震度强度不同而有很大差异。发出预警的级别低,可
2 点对点预警电路设计
由图 1 可知,检测点越靠近 A 点,预警时间越长, 越靠近 E 点则越短。但由于地震的不可预测性, 无法确定 A 点,因此只能 通过增加检测点来使某些检测点可能靠近震中。此外, 地震的 不确定性也使得检测器的放置位置不能确定, 可能高密度地安 放了检测器的地区几十年不发生地震, 因此只能对已判断可能 即将发生地震的地区进行高密度检测器的布放, 这要求地震检
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《现场总线技术应用 200 例》
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测器有方便的可移动性和低的成本。 如图 2 所示, 点对点地震预警电路包括地震信号检测电路
器、信号放大电路、A/D 转换电路、MPU 控制电路、GPS 信号采 集电路、GSM 发送与接收电路。其功能是将采集到的地震强度 信号转变为数字电信号, 同时将检测器所在的 GPS 位置数据送 入中央处理单元, 在经 GSM 发送到远方的地震预警区, GSM 接 收电路在地震波尚未到达时是正常工作的, 只要发送端在地震 P 波初期几秒不被破坏, 就能发出预警或对煤气阐、电阐进行关闭。