一種地震災情監控儀的制作方法

專利名稱：一種地震災情監控儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種地震災情監控儀。
背景技術：
地震以其突發性和巨大的破壞性給人類生存安全、社會經濟發展和社會穩定帶來嚴 重危害。為了最大限度地減輕地震造成的人員傷亡、財產損失和社會影響，務必做好防 震減災工作。作為防震減災三大工作體系之一的地震應急救援工作，是減災的"關鍵"， 近年來逐步受到國家和社會的高度重視。地震應急救援工作是以獲得地震現場詳細的災 情信息為前提和基礎的。地震災情發生后，地震規模、程度、空間分布、次生災害，以 及震害發展趨勢等信息的快速獲取是整個地震應急響應的核心，同時也是救援決策的關
鍵。然而，從汶川8.0級地震救援過程中可以發現，災情和救援信息的獲取遠遠落后于 救援的實際需求。地震現場沒有專用的災情采集儀器，僅能依靠救援人員深入災區才能 了解災情，這些都大大延誤了應急救援的時機，降低了救援決策的效能。因此必須開發 具有自主知識產權和符合我國國情和地震震情的地震災情監控儀。
專利"輸電線路災情監測系統(申請號:200710035497.0)"和"實時水文信息自 動監測和災情預警報警系統(申請號200610111352. X)"分別給出了兩種面向輸電線 路和水文信息的災情監控系統，而實際應用中并沒有專門針對于地震災情的監控系統。 實際應用中通常采用強震儀獲得地震動的要素信息，以達到地震災情獲取的目的。然而 強震儀僅能提供地震動的相關信息，并不能直觀地提供現場破壞情況，以及火災、高危 有毒物質泄漏等次生災害信息，這給應急救援和救援決策帶來極大的限制。
實用新型內容
本實用新型的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種地震災情監控儀，實 現對地震要素(地震發生時間、地理位置和震級)、現場視頻，以及次生災害(火災、 高危有毒物質泄漏等)等信息的獲取，解決地震災情信息的快速獲取的問題。
本實用新型的技術解決方案 一種地震災情監控儀，包括智能控制單元、數據采 集模塊、視頻監控模塊、GPS模塊、智能電源模塊和IPv4/IPv6網絡模塊，其中
數據采集模塊以單片機和A/D轉換器為核心，通過多種災情傳感器采集地震現場災 情數據，所述的多種災情傳感器包括三軸向加速度傳感器、火災傳感器和有毒氣體傳感 器，三軸向加速度傳感器用于獲取地震動的要素信息，即通過計算三軸向加速度值獲得 當地的地震烈度信息，火災傳感器和有毒氣體傳感器為次生災害傳感器，火災傳感器獲得溫度和煙感信息，有毒氣體傳感器獲得高危有毒有害物質的濃度信息；數據采集模塊 獲取的上述災情信息通過串行接口上傳給智能控制單元；
視頻監控模塊由紅外視頻攝像機和圖像采集卡構成，用以提供晝夜全天候地震現場 的視頻監控；紅外視頻攝像機輸出模擬視頻信號，由圖像采集卡將該模擬視頻信號轉換 為數字信號，通過USB接口上傳給智能控制單元；
GPS模塊用于獲取地震災情監控儀的地理位置和時間，并為整個地震災情監控儀提 供統一的時間基準，通過串行接口上傳給智能控制單元；
智能電源模塊實現地震災情監控儀狀態切換，它產生感震啟動、定時啟動或人工啟 動三種啟動請求，通過串行接口上傳給智能控制單元，達到電源管理的目的；
智能控制單元實現地震現場災情數據的釆集、存儲、顯示及上傳功能；智能控制單 元上電后從智能電源模塊獲得啟動類型，即感震啟動、定時啟動和人工啟動，然后根據 啟動類型執行控制命令，向數據采集模塊、視頻采集模塊和GPS模塊發送采集命令，將 各模塊采集的災情數據進行本地的顯示和保存，并將這些數據通過IPv4/IPv6網絡模塊 上傳給上級部門或系統；
IPv4/IPv6網絡模塊，實現地震災情監控儀的有線/無線網絡接入。
所述的智能電源模塊包括單片機、感震器、實時時鐘、人機交互接口、太陽能供電 系統、監控儀電源控制電路和串行接口；為了保證地震災情監控儀隨時處于待命狀態， 并降低系統功耗，地震災情監控儀通常處于休眠狀態，僅有智能電源模塊工作；太陽能 供電系統在單片機的控制下通過監控儀電源控制電路為地震災情監控儀其它部分供電； 感震器、實時時鐘及人機交互接口分別與單片機的外部事件中斷接口連接，當有地震發
生時，感震器向單片機發出感震啟動請求，當到達事先設定的某個時間時，實時時鐘向 單片機發出定時啟動請求，當需要對地震災情監控儀進行系統設置時，人機交互接口向 單片機發出人工啟動請求；單片機收到啟動請求后，通過監控儀電源控制電路建立太陽 能供電系統與地震災情監控儀其它部分的電源連接為地震災情監控儀其它部分供電，地 震災情監控儀退出休眠狀態，進入監控狀態，同時單片機通過串行接口向智能控制單元 發送啟動類型。
本實用新型明與現有技術相比的優點在于
(1) 本實用新型在實現地震要素信息快速獲取的同時，還實現了火災、毒氣等次 生災害信息的采集，為地震現場的災情綜合采集與應急救援奠定了必要的信息基礎；
(2) 本實用新型能夠提供現場視頻模塊，能夠更直觀、清晰地了解現場建筑物、 公路和橋梁等重要基礎設施的實際破壞情況；
(3) 本實用新型配置有感震器和實時時鐘，實現了地震現場災情信息的自動以及定時采集；
(4)本實用新型采用IPv4/IPv6網絡模塊，支持有線、無線多種網絡傳輸介質， 支持IPv4/IPv6雙協議棧，為地震災害發生后現場災情數據的上傳提供了可靠的信息通 路。


圖l為本實用新型的原理框圖2為本實用新型的數據采集模塊的硬件框圖3為本實用新型的智能電源模塊的硬件框圖4為本實用新型的監控儀電源控制電路的原理圖5為本實用新型的總體工作流程圖6為本實用新型的總體測控過程的工作流程圖。
具體實施方式

如圖1所示，地震災情監控儀由智能控制單元1、數據采集模塊2、視頻監控模塊3、 GPS模塊4、智能電源模塊5和IPv4/IPv6網絡模塊6構成。
智能控制單元1采用高度集成化的嵌入式低功耗計算機，支持Windows平臺開發， 能夠勝任大數據量、大訪問量的災情數據采集、存儲和上傳等工作。用于其它模塊的集 成和應用，實現地震現場災情數據的采集、存儲以及上傳。
如圖2所示，數據采集模塊2以高性能的單片機21和A/D轉換器22為核心，通過 多種災情傳感器采集地震現場災情數據。災情傳感器包括三軸向加速度傳感器23 (作為 地震烈度傳感器)、火災傳感器24 (作為溫度、煙感等傳感器)和有毒氣體傳感器25。 三軸向加速度傳感器23其型號為MMA7260Q，用于獲取地震動的要素信息，即通過計算 三軸向加速度值獲得當地的地震烈度信息。火災傳感器24和有毒氣體傳感器25為次生 災害傳感器，火災傳感器24其型號為IRBD300，用于獲得溫度和煙感信息，有毒氣體傳 感器25其型號分別為7E/F、 7HH和7ST/F，用于獲得高危有毒有害物質的濃度信息。數 據采集模塊2獲取的上述災情信息通過串行接口 26上傳給智能控制單元1。數據采集模 塊2在獲取地震動要素信息的基礎上，實現了火災和高危有毒有害物質泄漏等次生災害 信息的采集，達到了地震災情綜合監控的目的。
視頻監控模塊3由紅外視頻攝像機和USB圖像采集卡構成，用以提供晝夜全天候地 震現場的視頻監控。紅外視頻攝像機輸出PAL/NTSC制式的模擬視頻信號，圖像采集卡 將該模擬視頻信號轉換為數字信號，通過USB接口上傳給智能控制單元1。視頻監控模 塊3通過采集的視頻信息可以動態上傳地震現場的圖像信息，清晰地了解到建筑物、公 路和橋梁等重要基礎設施的實際破壞情況，為應急救援和救援決策提供最直觀的災情信息。
GPS模塊4用于獲取地震災情監控儀的地理位置和時間，并為整個地震災情監控儀 提供統一的時間基準。GPS模塊4獲取的時間和地理位置信息與三軸向加速度傳感器23 獲得的地震烈度一起構成地震動的完整要素信息。
如圖3所示，智能電源模塊5以高性能的單片機51為核心，由感震器52、實時時 鐘53、人機交互接口 54、太陽能供電系統55、監控儀電源控制電路56和串行接口 57 組成，實現地震災情監控儀電源的管理與儀器狀態的切換。地震災情監控儀由于配置多 種數據采集和監控模塊，整機功耗較大，太陽能供電系統55并不能保證地震災情監控 儀長期連續工作。當未有地震發生時，地震災情監控儀中只有智能電源模塊5工作。智 能電源模塊5通過監控儀電源控制電路56切斷太陽能供電系統55與地震災情監控儀其 它部分電源的連接，地震災情監控儀工作于休眠狀態。當高性能的單片機51收到感震 器52、實時時鐘53或人機交互接口 54啟動請求時，監控儀電源控制電路56才會建立 太陽能供電系統55與地震災情監控儀其它部分的電源連接，地震災情監控儀從而退出 休眠狀態，進入監控狀態。感震器52和實時時鐘53產生的啟動請求為自動請求。感震 器52為UG系列地震感震器，當有地震發生時，向單片機51發出啟動請求。實時時鐘 53其型號為PCF 8563，當到達事先設定的某個時間時，向單片機51發出啟動請求。人 機交互接口 54產生的啟動請求為人工請求。人機交互接口 54由4X4矩陣鍵盤構成， 當需要對地震災情監控儀進行系統設置時，4X4矩陣鍵盤向單片機51發出啟動請求。 單片機51收到啟動請求后，智能電源模塊5通過監控儀電源控制電路56為地震災情監 控儀供電，同時通過串行接口 57向智能控制單元1發送啟動類型。智能電源模塊5實 現了地震災情監控儀的狀態切換，達到了電源管理的目的，實現了地震災情的自動獲取。
太陽能供電系統55由太陽能電池板、充電控制器和高性能鋰電池組成。太陽能電 池板型號為STP075-12，用于將太陽能轉換為電能，為整個地震災情監控儀供電。充電 控制器型號為Solsum8.0,實現對高性能鋰電池的充、放電控制。高性能鋰電池型號為 Li 50-12.6,用于存儲由太陽能電池板轉換來的電能。
圖4所示為監控儀電源控制電路56的原理圖。監控儀電源控制電路56由電壓變換 電路和開關電路兩部分組成。電壓變換電路由電容C1 C5、穩壓二極管D1，以及DC/DC 模塊U2組成，將高性能鋰電池的輸出電壓Vb變換為地震災情監控儀所需的直流5V電 壓VDD，其中U2型號為EC5B01。開關電路由達林頓陣列Ul構成，Ul型號為ULN2003A。 Ul的1B 4B引腳短接，并與單片機51的電源控制引腳相連。Ul的1C 4C引腳短接， 并與U2的陰極一VIN相連。Ul的1B 4B引腳短接與1C 4C引腳短接，以充分利用達 林頓陣列的驅動能力。當單片機51的電源控制引腳輸出為低電平時，即Ul的1B 4B輸入為低電平，則U1的1C 4C輸出為高電平，開關電路處于斷開狀態,電壓變換電路 輸出為低電平，監控儀電源控制電路56切斷太陽能供電系統55與地震災情監控儀其它 部分電源的連接，地震災情監控儀工作于休眠狀態。當單片機51的電源控制引腳輸出 為高電平時，即Ul的1B 4B輸入為高電平，則U1的1C 4C輸出為低電平，開關電路 處于閉合狀態，電壓變換電路輸出為VDD，監控儀電源控制電路56建立太陽能供電系統 55與地震災情監控儀其它部分電源的連接，地震災情監控儀退出休眠狀態，進入監控狀 態。
IPv4/IPv6網絡模塊6支持有線、WiFi無線網絡(IEEE802. llx)、 WiMax無線網絡 (IEEE802. 16) 、 3G無線網絡等多種網絡傳輸介質，支持IPv4/IPv6雙協議棧，實現地 震災情監控儀的有線/無線網絡接入。IPv4/IPv6網絡模塊6實現了有線和無線多種網絡 介質，以及多種傳輸協議的冗余設計，為地震災情信息的上傳提供的可靠的數據通道。
圖5所示為地震災情監控儀的總體工作流程。智能電源模塊5產生感震啟動、定時 啟動或人工啟動三種啟動請求。當地震災情監控儀啟動時，智能電源模塊5通過監控儀 電源控制電路56為整個地震災情監控儀供電。智能控制單元1上電后啟動操作系統， 操作系統啟動完成后將控制權轉交給運行于智能控制單元1之上的總體測控程序。總體 測控程序用于協調地震災情監控儀的各個模塊實現災情數據的采集、處理、存儲、顯示 以及上傳等功能。總體測控程序首先從智能電源模塊5獲得啟動類型，即感震啟動、定 時啟動和人工啟動，然后根據啟動類型執行控制命令，向數據采集模塊2、視頻采集模 塊3和GPS模塊4發送采集命令，將各模塊采集的災情數據進行本地的顯示和保存，并 將這些數據通過IPv4/IPv6網絡模塊6上傳給上級部門或系統。
如圖6所示，總體測控程序運行后進行各模塊的初始化，獲得各模塊的狀態信息， 分析地震災情監控儀的啟動類型。當感震啟動時，讀取災情數據，上傳災情數據，判斷 是否完成監測任務，完成則退出程序并關閉儀器，未完成則連續讀取和上傳災情數據。 當定時啟動時，讀傳感器狀態，上傳傳感器狀態，讀取災情數據，上傳災情數據，之后 退出程序并關閉儀器。當人工啟動時，完成地震災情監控儀軟、硬件設置等人機事件處 理，之后退出程序并關閉儀器。
本實用新型說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術 人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進 和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1、一種地震災情監控儀，其特征在于包括智能控制單元(1)、數據采集模塊(2)、視頻監控模塊(3)、GPS模塊(4)、智能電源模塊(5)和IPv4/IPv6網絡模塊(6)，其中數據采集模塊(2)包括單片機(21)、A/D轉換器(22)和多種災情傳感器；所述的多種災情傳感器包括用于獲取地震動的要素信息，即通過計算三軸向加速度值獲得當地的地震烈度信息的三軸向加速度傳感器(23)、獲得溫度和煙感信息的火災傳感器(24)和獲得高危有毒有害物質的濃度信息的有毒氣體傳感器(25)；多種災情傳感器采集地震現場災情數據經過A/D轉換器(22)將其轉換為數字信號送入單片機(21)中進行處理，獲取的上述災情信息；采集模塊(2)獲取的上述災情信息通過串行接口(26)上傳給智能控制單元(1)；視頻監控模塊(3)由紅外視頻攝像機和圖像采集卡構成，用以提供晝夜全天候地震現場的視頻監控；紅外視頻攝像機輸出模擬視頻信號，由圖像采集卡將該模擬視頻信號轉換為數字信號，通過USB接口上傳給智能控制單元(1)；GPS模塊(4)用于獲取地震災情監控儀的地理位置和時間，并為整個地震災情監控儀提供統一的時間基準，通過串行接口上傳給智能控制單元(1)；智能電源模塊(5)實現地震災情監控儀狀態切換，它產生感震啟動、定時啟動或人工啟動三種啟動請求，通過串行接口上傳給智能控制單元(1)，達到電源管理的目的；智能控制單元(1)實現地震現場災情數據的采集、存儲、顯示及上傳功能；智能控制單元(1)上電后從智能電源模塊(5)獲得啟動類型，即感震啟動、定時啟動和人工啟動，然后根據啟動類型執行控制命令，向數據采集模塊(2)、視頻采集模塊(3)和GPS模塊(4)發送采集命令，將各模塊采集的災情數據進行本地的顯示和保存，并將這些數據通過IPv4/IPv6網絡模塊(6)上傳給上級部門或系統；IPv4/IPv6網絡模塊(6)，實現地震災情監控儀的有線/無線網絡接入。
2、根據權利要求l所述的地震災情監控儀，其特征在于所述的智能電源模塊(5) 包括單片機(51)、感震器(52)、實時時鐘(53)、人機交互接口 (54)、太陽能供 電系統(55)、監控儀電源控制電路(56)和串行接口 (57);太陽能供電系統(55) 在單片機(51)的控制下通過監控儀電源控制電路(56)為地震災情監控儀其它部分供 電；感震器(52)、實時時鐘(53)及人機交互接口 (54)分別與單片機(51)的外部事件中斷接口連接，當有地震發生時，感震器(52)向單片機(51)發出感震啟動請求， 當到達事先設定的某個時間時，實時時鐘(53)向單片機(51)發出定時啟動請求，當 需要對地震災情監控儀進行系統設置時，人機交互接口 (54)向單片機(51)發出人工 啟動請求；單片機(51)收到啟動請求后，通過監控儀電源控制電路(56)建立太陽能 供電系統(55)與地震災情監控儀其它部分的電源連接為地震災情監控儀其它部分供電， 地震災情監控儀退出休眠狀態，進入監控狀態，同時單片機(51)通過串行接口 (57) 向智能控制單元(1)發送啟動類型。
3、根據權利要求1所述的地震災情監控儀，其特征在于所述的IPv4/IPv6網絡 模塊(6)支持有線、WiFi無線網絡、WiMax無線網絡、3G無線網絡的多種網絡傳輸介 質，并支持IPv4/IPv6雙協議棧。
專利摘要一種地震災情監控儀，包括智能控制單元、數據采集模塊、視頻監控模塊、GPS模塊、智能電源模塊和IPv4/IPv6網絡模塊，數據采集模塊以單片機和A/D轉換器為核心，通過多種災情傳感器采集地震現場災情數據；視頻監控模塊由紅外視頻攝像機和圖像采集卡構成，用以提供晝夜全天候地震現場的視頻監控；GPS模塊用于獲取地震災情監控儀的地理位置和時間；智能電源模塊實現地震災情監控儀狀態切換，它產生感震啟動、定時啟動或人工啟動三種啟動請求；智能控制單元實現地震現場災情數據的采集、存儲、顯示及上傳功能；IPv4/IPv6網絡模塊，實現地震災情監控儀的有線/無線網絡接入。本實用新型實現了對地震要素(地震發生時間、地理位置和震級)、現場視頻，以及次生災害(火災、高危有毒物質泄漏等)等信息的獲取，解決地震災情信息的快速獲取的問題。
文檔編號G08C19/00GK201298288SQ20082012392
公開日2009年8月26日 申請日期2008年11月26日 優先權日2008年11月26日
發明者付繼華, 劉冠中, 劉曉皙, 吳榮輝, 王建軍, 巧 譚, 陳明金 申請人:中國地震局地殼應力研究所