基于MEMS傳感器的小型智能化強(qiáng)震儀

胡星星 滕云田

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）

本項(xiàng)目研制的小型MEMS強(qiáng)震儀，在軟硬件上均采用模塊化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)多種場(chǎng)合的應(yīng)用需要。硬件由MEMS加速度計(jì)、控制處理器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、有線IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線3G數(shù)據(jù)傳輸模塊、GPS校時(shí)模塊以及內(nèi)置高容量后備鋰電的供電系統(tǒng)等組成。傳感器以具有較高精度3分量數(shù)字輸出的MEMS加速度計(jì)為拾震傳感器，可以達(dá)到的低噪聲，測(cè)量范圍±2～±8 g可設(shè)，輸出采樣速率從1.56～800 Hz，最大僅有165μA的低功耗特性和僅有3 mm×3 mm的小體積封裝，此外片上還集成了數(shù)字低通和高通濾波器，通過(guò)編程可以方便提取地震頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)，減少了后期的數(shù)據(jù)處理過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)采用32位低功耗的嵌入式ARM9處理器S3C2440和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，處理器工作主頻400 MHz，內(nèi)存64 MB SDRAM，以及256 MB的程序和數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器，還可以外接大容量的SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，滿足對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸及存儲(chǔ)等方面的要求。有線或無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)能使儀器通過(guò)遠(yuǎn)程獲得實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，或進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)、狀態(tài)監(jiān)控或軟件更新。軟件以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，采取分層處理設(shè)計(jì)。對(duì)傳感器的硬件驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、地震事件判斷觸發(fā)程序等放在底層驅(qū)動(dòng)程序中，其中硬件驅(qū)動(dòng)包括對(duì)傳感器的I2C總線接口驅(qū)動(dòng)、IO口驅(qū)動(dòng)、中斷驅(qū)動(dòng)、異步通知的驅(qū)動(dòng)等。而應(yīng)用程序?qū)又饕ǖ卣饎?dòng)參數(shù)計(jì)算模塊、本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控和FTP存儲(chǔ)數(shù)據(jù)下載等遠(yuǎn)程服務(wù)器模塊等，應(yīng)用層程序采用多線程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多任務(wù)處理。整個(gè)MEMS強(qiáng)震儀組裝在一個(gè)80 mm×120 mm×55 mm的小型鑄鋁盒中，在200 Hz采樣率和有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸狀態(tài)下內(nèi)置鋰電池可連續(xù)供電24小時(shí)以上。

由于MEMS強(qiáng)震儀軟硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，具有遠(yuǎn)程軟件更新功能，可以適合多場(chǎng)合的應(yīng)用：

（1）MEMS強(qiáng)震儀具有地震事件判斷和觸發(fā)記錄功能，能夠形成事件波形存儲(chǔ)文件和連續(xù)波形存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件，可用于強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)、爆破、橋梁、房屋健康檢測(cè)等地震波形記錄；

（2）地震儀內(nèi)置地震事件地震動(dòng)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算功能，可通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)傳送，且具有成本低、安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，通過(guò)在城鎮(zhèn)區(qū)域或需要重點(diǎn)監(jiān)護(hù)地區(qū)密集安裝布設(shè)，可以組建在大地震來(lái)臨時(shí)可快速產(chǎn)出高分辨率精細(xì)震動(dòng)圖的地震動(dòng)參數(shù)速報(bào)傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于大地震的應(yīng)急救援需要；

（3）通過(guò)加載地震波的P波檢測(cè)程序模塊，可用于大地震的地震預(yù)警；

（4）可以組建低成本高密度布設(shè)可遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)線傳輸?shù)默F(xiàn)代智能化地震傳感器網(wǎng)絡(luò)。