專利名稱：基于網絡與中文短信控制的強震數據采集與烈度記錄器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種地震與強振動觀測儀器，具體涉及一種基于網絡與中文短信控制的強震數據采集與烈度記錄器。
背景技術：
強震觀測主要服務于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。強震記錄器主要用于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采用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，容易受到干擾。網絡接口由于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，網絡地址沖突、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。
發明內容本實用新型的目的在于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于強震觀測儀器之中，較好實現強震烈度監測與實施速報的一種基于網絡與中文短信控制的強震數據采集與烈度記錄器。為了達到上述目的，本實用新型采用的技術方案是包括數據采集系統、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字信號處理器與自適應網絡接口芯片構成，在數字信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，并增加網絡通信接口，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字信號處理器相連，作為數據采集的緩存，所述的數據采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采集電路，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轉換器后輸出到數字濾波器，數字濾波器采用SPI總線與控制系統的數字信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采集到的三通道數據進行觸發判斷，所述的存儲系統采用大容量CF卡存儲采集數據，CF卡通過數據線與控制系統的數字信號處理器連接，所述的時間系統由單片機、實時時鐘芯片、時鐘后備電池、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字信號處理器相連。本實用新型的優點是通過在記錄器中內置嵌入式自適應網絡接口芯片和支持中文短信收發的嵌入式 GSM通信模塊，可高效靈活地通過網絡或中文短信進行強震數據采集和實時監控強震記錄
3器儀器狀態，擴大儀器應用范圍和可靠性。
圖1是本實用新型電路系統方框圖；圖2是本實用新型控制系統和網絡通信系統及CF卡連接電路圖；圖3是本實用新型數據采集系統電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的實施例作進一步詳細描述。由圖1-圖3可知，本實用新型包括數據采集系統、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字信號處理器13與自適應網絡接口芯片16構成，在數字信號處理器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，并增加網絡通信接口，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字信號處理器13相連，作為數據采集的緩存，所述的數據采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構成的三通道信號采集電路，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后輸出到數字濾波器7，數字濾波器7采用SPI總線與控制系統的數字信號處理器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對采集到的三通道數據進行觸發判斷，所述的存儲系統采用大容量CF卡12存儲采集數據，CF卡 12通過數據線與控制系統的數字信號處理器13連接，所述的時間系統由單片機8、實時時鐘芯片9、時鐘后備電池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字信號處理器13相連。本實用新型與現有強震觀測儀器的區別在于本實用新型內置嵌入式自適應網絡接口芯片16和支持中文短信收發的嵌入式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。本實用新型利用手機中文短信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。 中文短信一條最多可以傳輸70個中文字符，記錄器在傳送較多數據時可以自動分多條短信傳輸。中文短信有密碼設定，可以通過設定短信控制密碼，保證監控的安全性，防止未經授權對記錄器的訪問。本實用新型基于網絡與中文短信控制的強震數據采集與烈度記錄器主要包括數據采集系統、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字信號處理器13與自適應網絡接口芯片16構成，在數字信號處理器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，并增加網絡通信接口，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字信號處理器13相連，作為數據采集的緩存；數字信號處理器13采用TMS320F2812芯片，自適應網絡接口芯片16采用AX88796B芯片。存儲系統采用大容量CF卡12存儲采集數據，CF卡12采用TrueIDE模式通過數據線與TMS320F2812控制芯片連接。CF卡12的片選端CSO與CSl接集成電路芯片 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芯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 操作系統的微機上能夠讀取記錄文件，本實用新型在CF卡12記錄的文件格式采用嵌入式 FAT32的文件系統。TMS320F2812芯片通過D0-D15數據總線與網絡接口芯片AX88796B進行數據交換，A0-A5為地址總線，用于片內寄存器地址尋址。74HC138解碼器的YO與AX88796B 芯片的片選端相連，其地址為0x2000。監控軟件與強震記錄器連接的工作方式為儀器啟動后進行AX88796B芯片復位并初始化，然后是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地址。數據采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通道信號采集電路，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后輸出到數字濾波器7，數字濾波器 7采用SPI總線與控制系統的數字信號處理器13進行數據交換與命令控制；前置處理電路采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后，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對采集到的三通道數據進行觸發判斷；觸發系統主要由軟件算法實現。如果滿足觸發條件，記錄器開始連續記錄數據，直到采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范圍之外，主要的目的是為了消除數據采集的零偏移量與直流分量，以盡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采樣率不同而變化，在50Hz采樣率下，通頻帶為 0. 025HZ-3. 75Hz，在IOOHz采樣率下，通頻帶為0. 05-7. 5Hz，在200Hz采樣率下，通頻帶為 0.1Ηζ-15Ηζ。時間系統由單片機8、實時時鐘芯片9、時鐘后備電池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字信號處理器13相連。高精度實時時鐘作為系統中斷供電、停止工作的后備時鐘；在系統運行時，則采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，系統采用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。本實用新型中文短信控制的實現中文短信監控命令包括有監控手機或監控軟件發送的記錄器控制短信和記錄器發送的記錄器狀態短信。記錄器控制短信命令格式為“短信控制密碼” + “控制命令”。其中“短信控制密碼”為預先設定并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短信包中含有正確的密碼+控制命令時才會執行相應的指令。具體的中文短信命令如下所示1. “短信控制密碼” + “記錄器狀態”，記錄器收到短信后進行狀態檢查，回復的短信格式為“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”。例如短信控制密碼設定為“AB⑶”，發送短信“AB⑶記錄器狀態”，記錄器回復短信 “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. “短信控制密碼” + “功能檢查”，記錄器進行傳感器功能檢查，回復短信“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”。例如發送短信“AB⑶功能檢查”，記錄器回復短信 “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. “短信控制密碼” + “數據采集”，記錄器進入數據采集狀態，等待滿足數據采集條件時開始記錄數據。無短信回復。4. “短信控制密碼” + “實時觸發”，記錄器在收到短信后立即進入觸發狀態，開始記錄采集的數據。記錄器回復短信“觸發正常。”5. “短信控制密碼” + “記錄器參數”，查看當前的記錄器參數設定。記錄器回復短信“記錄器采樣率+觸發方式，三通道觸發設定+預存時間”。例如發送短信“ABCD記錄器參數”，記錄器回復短信“記錄器12，采樣率200，觸發方式閥值觸發，110，210，310，預存時間20秒。”6. “短信控制密碼”+“參數設定”，對記錄器參數進行設定。例如，發送短信“AB⑶ 參數設定100，1，10，10，10，20。”此時，設定記錄器的采用率為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10gal，通道3觸發設定10gal，預存時間 20秒。記錄器在收到短信后進行參數的設定。設定完成后，記錄器回復短信“參數設定完成。”7. “短信控制密碼” + “記錄器復位”，記錄器收到短信后，強制對記錄器進行復位操作，重新啟動記錄器。記錄器無短信回復。8. “短信控制密碼” + “開始/停止”，開始/停止記錄器短信烈度短信的發送。例如“AB⑶開始”，記錄器在觸發后計算烈度值并發送烈度短信。9.烈度速報短信格式為“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”。記錄器在觸發后， 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。記錄器發送短信到預先設定的手機相關控制軟件上。例如，記錄器發送短信為“記錄器編號12，觸發時間2011-3-9 11:23:45，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”。本實用新型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 網絡接口芯片的操作位，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，記錄器會自動重復檢查網絡連接狀況，在網絡連接正常后，恢復中斷的數據傳輸。強震記錄器的網絡通信采用基于TCP/IP協議的數據傳輸方式。記錄器作為TCP/ IP連接的服務器端等待作為客戶端的監控軟件發出連接命令，連接建立后，可以對記錄器進行各項操作。監控軟件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。監控軟件與強震記錄器連接的工作方式為首先，記錄器啟動后進行 AX88796B的芯片復位并初始化，然后是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地址，缺省IP地址為=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；然后將網絡芯片的工作方式設定為TCP服務器方式，監聽端口設定為52654。根據接收到的數據判斷是否為有效的命令，然后根據不同命令執行相應操作。強震記錄器的嵌入式軟件采用嵌入式C語言開發，嵌入式軟件的總體結構分為硬件抽象層、硬件服務層、應用服務層。其中，硬件抽象層包括數字信號處理器13、單通道A/ D轉換器4、雙通道A/D轉換器5、自適應網絡接口芯片16的硬件接口設置與初始化等子程序；硬件服務層則包含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采集、觸發判斷、網絡與串口的通信和監控軟件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件接口與硬件服務子程序， 使強震記錄器的嵌入式軟件系統具有簡潔高效的特點，便于維護與開發。
權利要求1. 一種基于網絡與中文短信控制的強震數據采集與烈度記錄器，包括數據采集系統、 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，其特征在于所述的控制系統和數據傳輸通信系統主要有數字信號處理器(13)與自適應網絡接口芯片(16)構成，在數字信號處理器(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)，并增加網絡通信接口，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字信號處理器 (13)相連，作為數據采集的緩存，所述的數據采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)構成的三通道信號采集電路，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)后輸出到數字濾波器(7)，數字濾波器(7)采用SPI總線與控制系統的數字信號處理器(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)對采集到的三通道數據進行觸發判斷，所述的存儲系統采用大容量CF卡(1 存儲采集數據， CF卡(12)通過數據線與控制系統的數字信號處理器(13)連接，所述的時間系統由單片機 (8)、實時時鐘芯片(9)、時鐘后備電池(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字信號處理器(1 相連。
專利摘要本實用新型涉及一種基于網絡與中文短信控制的強震數據采集與烈度記錄器，包括數據采集系統、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芯片和支持中文短信收發的嵌入式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，利用手機中文短信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。本實用新型可高效靈活地通過網絡或中文短信進行強震數據采集和實時監控強震記錄器儀器狀態，擴大儀器應用范圍和可靠性。
文檔編號G01V1/24GK202075420SQ201120186070
公開日2011年12月14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