王軒力,孫立新
(山西工程技術(shù)學(xué)院信息工程與大數(shù)據(jù)系,山西 陽泉 045000)
我們生活在一個不安寧的地球上,到如今地球已經(jīng)46億年的年紀(jì),誰也不知道地球還能“活”多久。即使地球這么大年紀(jì)了,依然活力不減,地震、火山噴發(fā)時有發(fā)生,據(jù)統(tǒng)計每年發(fā)生的地震有好幾百萬次。
地震、火山噴發(fā)、海嘯、暴風(fēng)雨……,這些都是大自然對我們?nèi)祟惖目简灒覀內(nèi)祟惵龔奈粗秸莆者@些自然災(zāi)害的特性,到現(xiàn)在可以提前預(yù)知,付出了幾十年的時間。付出的是大量的時間、經(jīng)濟,更重要的是人的性命。在2004年印度洋海嘯中死亡人數(shù)30萬,而1976年我國的唐山大地震遇難同胞達到了24萬之多。
地震的特點是頻發(fā)的,而且時間短,破壞力強,預(yù)測困難。我們生活的地球有46億年之久,人類在地球這么久時間里只占了很小的一點時間,對地球了解不多,特別是內(nèi)部,而且地球還不是靜止的,這么多內(nèi)因和外因也就無法讓我們真正了解清楚地震的原因,這也為預(yù)測地震帶來了困難,所以地震預(yù)測至今仍然是個世界難題。
由于地球是一直在運動的,所以大部分地震都是由于地球在自轉(zhuǎn)當(dāng)中,內(nèi)部巖層相對運動所造成的,還有一部分是火山噴發(fā)引起的。
地震中為數(shù)最多的是淺源地震,發(fā)生于地殼內(nèi)部。從成因上講,多數(shù)為構(gòu)造地震。地球內(nèi)部的地殼不是完整一塊的,所以在地球自轉(zhuǎn)和外部其他一些應(yīng)力的作用下,地殼會做相對運動,這樣地殼彈性波動能形式釋放出來,釋放出來也就是地震了。這種解釋只是人類的一種辯證和推理,具體的地震成因仍然沒有完全了解。
我們中國人的哲學(xué)思想是自上而下的整體思想,正如中醫(yī)看病理論,只用脈波就可以診斷出許多病,而不必了解清楚人體的構(gòu)造和復(fù)雜的病因。同樣的我們也可以通過地震發(fā)生前的一些特征來預(yù)測地震的發(fā)生,通過比較地震發(fā)生前的一些特征,地聲這一特征被選擇出來作為我們檢測的目標(biāo)。
本文研究的就是能夠大面積推廣的廉價的儀器、布置測聲網(wǎng)絡(luò)、捕獲地聲信息,為短臨預(yù)報提供數(shù)據(jù)。
聲音在空氣中的傳播速度要快于物體形變的速度,而且通過整理過去幾次大地震資料可以發(fā)現(xiàn),在地震前都會有強烈的聲音從地下發(fā)出;還有就是在井下煤礦中,當(dāng)冒頂事故前,會有相應(yīng)的聲音傳出來。通過這些原理和事例,我們可以肯定,地聲是地震發(fā)生的前兆,監(jiān)測地聲有很重要的實際意義。
地聲,顧名思義,也是一種聲音,它是由于地球內(nèi)部的運動或者外在一些因數(shù)刺激,是地殼運動所產(chǎn)生的,持續(xù)時間可長可短,有的像物體斷裂,有的像炸藥爆炸,有的像打雷。
地聲的特征
?強度在0~30db范圍;
?頻率在0~200 Hz范圍;
?以間歇性脈沖型出現(xiàn),周期小于9 s;
?人耳能辨識最大距離大約為200 km。
圖1 系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)框圖如圖1示所示,傳感器選用武漢安全環(huán)保研究院的三軸向聲發(fā)射探頭。數(shù)據(jù)采集儀主要由前端信號調(diào)理電路、MSP430單片機組成。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)選用GPRS網(wǎng),它的前部是基于GSM的無線移動網(wǎng),后部是Internet網(wǎng)。這一選型設(shè)計使地聲監(jiān)測系統(tǒng)具有分布式、無線可移動、實時永遠在線的特點。
1) 傳感器選用武漢安全環(huán)保研究院的三軸向聲發(fā)射探頭。因為我們的世界是個三維立體,所以我們的傳感器也要接收來自三個維度的信號,三軸向代表的是三個維度分別放置一個傳感器,還有因為地聲信號本身的低頻特性,所以還要加上一個放大器。
2) 從傳感器進來的信號,我們不能直接使用,因為當(dāng)中有好多干擾信號,以及進入單片機的頻率電壓也在一定的范圍內(nèi),綜合考慮這些因素,需要設(shè)計前端調(diào)理電路,如圖2所示。
圖2 前端信號調(diào)理電路
低功耗和低成本是設(shè)計的地聲監(jiān)測系統(tǒng)的特點,這是根據(jù)地聲監(jiān)測的實際需求設(shè)計的,所以放大芯片的選擇主要選低功耗、低成本的芯片,而且由于地聲信號具有微弱信號的特點,本設(shè)計選用的放大芯片是TI公司生產(chǎn)的TLC2252A這個芯片。
3) 我們選用了一塊MSP430的實驗板,然后連接上我們的前端調(diào)理電路,傳感器選用一個我們經(jīng)常用的麥克風(fēng)作為試驗用。
通過觀察與分析麥克風(fēng)的原理,用麥克風(fēng)前端的壓電陶瓷(也叫做“咪”)作為傳感器(它的工作原理類似人耳的工作原理,當(dāng)有聲音傳到耳朵里的時候,震動耳膜產(chǎn)生機械運動,耳膜的機械運動就產(chǎn)生了人體的神經(jīng)電流,通過和腦部連接的神經(jīng)網(wǎng)傳到人的中央控制中心----大腦)。當(dāng)有聲音傳到這個“咪“中,聲音震動“咪“中的振片,振片處在一個磁場中,當(dāng)振片震動時就在磁場中來回運動,切割磁力線,連接振片的電路就產(chǎn)生一個電壓,電壓值和聲音的強度成正比,電流的頻率和聲音的頻率成正比。然后通過分析一些高靈敏度麥克風(fēng)的電路,模仿它的放大與濾波電路,設(shè)計出自己的電路,通過比較采用積分放大與帶通濾波組合的電路。
等實驗成功了,我們再用武漢安全環(huán)保研究院的三軸向聲發(fā)射探頭作為現(xiàn)場的傳感器。圖3所示為整體下位機連接實物圖,無線信號傳輸我們選用GPRS模塊實現(xiàn)。
圖3 下位機整體連接圖
軟件設(shè)計主要包括:單片機上的軟件設(shè)計和電腦上的軟件設(shè)計兩部分。
2.2.1 單片機上的軟件開發(fā)
單片機上的軟件:A/D轉(zhuǎn)換程序;寫串口程序;求5個最大值。
◆ 求最大值軟件設(shè)計:因為本系統(tǒng)是對地震前兆地聲的監(jiān)測,也就是要知道地聲的幅值的變化,所以我們不需要把地聲信號波形復(fù)原,只要把10 s內(nèi)A/D采回來的電壓值取5個最大值進行發(fā)送就行,如果5個最大值超過了正常的地聲信號電壓伏值,則可以基本上判定有地震發(fā)生。這個程序可以放在單片機中實現(xiàn)。
◆ A/D轉(zhuǎn)換:在A/D轉(zhuǎn)換軟件時,應(yīng)按以下步驟實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的過程。
1) 初始化ADC,置ADC120N=1。
2) 初始化通道。
3) 開始轉(zhuǎn)換。
4) 轉(zhuǎn)換結(jié)束,結(jié)果存到ADC12MEM0,中斷位置位。
5) 從第三步開始循環(huán),直到都轉(zhuǎn)換完。
◆ 寫串口程序設(shè)計:當(dāng)MSP430一上電就按設(shè)定的時間間隔進行采樣和往串口寫數(shù)據(jù),本程序主要實現(xiàn)把A/D轉(zhuǎn)換后的電壓值傳到串口(RS232)。具體的實現(xiàn)是用到循環(huán),是把A/D轉(zhuǎn)換后的值和單片機內(nèi)的工作電壓的最高值比較,計算出具體的電壓值,同時把電壓值的每一位轉(zhuǎn)換成ASCII碼,然后把電壓值的每位值依次傳到串口。
2.2.2 電腦上的軟件開發(fā)
上位機軟件主要是網(wǎng)絡(luò)通信軟件,是基于TCP/IP通信程序。在通信開始前,客戶端建立客戶的套接字、服務(wù)器端建立服務(wù)器的套接字,通過各自的套接字和信息的綁定實現(xiàn)信息的交互。因為我們是用VC++編程,所以客戶機和服務(wù)器都會調(diào)用VC++里面自帶的套接字函數(shù)socket(),通過它建立自己的套接字。
最后在上位機上用VC++做了個界面,周圍環(huán)境是安靜時候,上位機沒有收到任何數(shù)據(jù),當(dāng)有聲音時候,上位機會收到不同的數(shù)值,數(shù)值大小代表不同的聲音大小。如圖4所示。
圖4 上位機界面
地震預(yù)報是眾所周知的世界難題,這一難題至今尚未解決的主要原因之一是“時空信息不足”,不能在足夠大的空間區(qū)域內(nèi),分布足夠密集的觀測點,獲得實時的觀測數(shù)據(jù),也沒有記錄下足夠長的時間范圍內(nèi),采樣間隔又足夠小的觀測數(shù)據(jù)。依靠傳統(tǒng)的人工觀測的方法是不可能采集到足夠的數(shù)據(jù),為地震預(yù)報提供依據(jù)的。本文設(shè)計的分布廣、可移動、實時、低功耗的地震前兆地聲無線監(jiān)測系統(tǒng),試圖為“時空信息不足”的問題提供一種解決方案。