专利名称：基于网络与中文短信控制的强震数据采集与烈度记录器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地震与强振动观测仪器，具体涉及一种基于网络与中文短信控制的强震数据采集与烈度记录器。
背景技术：
强震观测主要服务于地震工程学和近场地震学和防震减灾事业。强震观测是利用仪器来观测地震时地面运动的过程以及在其作用下工程结构的反应情况，是取得地震破坏作用和结构抗震性能认识的来源。强震记录器主要用于记录地面振动的加速度、速度或位移数据。利用强震记录器可以进行烈度速报，获取强震动信息，定量估计地震烈度等级，对地震灾害进行快速评估，为地震应急反应提供科学依据。目前，大部分强震记录器的数据传输采用RS232串行接口或网络接口。RS232串行接口虽然为工业标准接口，但是传输速度慢，通信距离短，容易受到干扰。网络接口由于网络条件和通讯协议的限制，容易造成仪器通过网络接口监控困难，网络地址冲突、数据传输时有可能中断的问题，造成目前多数强震记录器无法进行烈度监测与实时速报。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种结构紧凑、设计合理，将先进的通信技术手段应用于强震观测仪器之中，较好实现强震烈度监测与实施速报的一种基于网络与中文短信控制的强震数据采集与烈度记录器。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括数据采集系统、触发系统、存储系统、时间系统、数据传输通信系统和控制系统，所述的控制系统和数据传输通信系统主要有数字信号处理器与自适应网络接口芯片构成，在数字信号处理器的数据传输接口保留了 RS232串行接口和通过MODEM进行拨号传输接口，并增加网络通信接口，网络通信接口通过隔离变压器连接到自适应网络接口芯片，静态随机存储器通过数据总线和地址总线与控制系统数字信号处理器相连，作为数据采集的缓存，所述的数据采集系统是由通道一前置处理电路、通道二前置处理电路、通道三前置处理电路、单通道A/D转换器、双通道A/D转换器和数字滤波器构成的三通道信号采集电路，通道一前置处理电路输出连接到单通道A/D 转换器，通道二前置处理电路和通道三前置处理电路输出连接到双通道A/D转换器后输出到数字滤波器，数字滤波器采用SPI总线与控制系统的数字信号处理器连接进行数据交换与命令控制，所述的触发系统通过触发滤波器对采集到的三通道数据进行触发判断，所述的存储系统采用大容量CF卡存储采集数据，CF卡通过数据线与控制系统的数字信号处理器连接，所述的时间系统由单片机、实时时钟芯片、时钟后备电池、GPS模块和GSM通信模块组成，单片机通过串行接口与控制系统的数字信号处理器相连。本发明的优点是通过在记录器中内置嵌入式自适应网络接口芯片和支持中文短信收发的嵌入式 GSM通信模块，可高效灵活地通过网络或中文短信进行强震数据采集和实时监控强震记录器仪器状态，扩大仪器应用范围和可靠性。
图1是本发明电路系统方框图；图2是本发明控制系统和网络通信系统及CF卡连接电路图；图3是本发明数据采集系统电路图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。由图1-图3可知，本发明包括数据采集系统、触发系统、存储系统、时间系统、数据传输通信系统和控制系统，所述的控制系统和数据传输通信系统主要有数字信号处理器13 与自适应网络接口芯片16构成，在数字信号处理器13的数据传输接口保留了 RS232串行接口 15和通过MODEM进行拨号传输接口 17，并增加网络通信接口，网络通信接口通过隔离变压器连接到自适应网络接口芯片16，静态随机存储器14通过数据总线和地址总线与控制系统数字信号处理器13相连，作为数据采集的缓存，所述的数据采集系统是由通道一前置处理电路1、通道二前置处理电路2、通道三前置处理电路3、单通道A/D转换器4、双通道 A/D转换器5和数字滤波器7构成的三通道信号采集电路，通道一前置处理电路1输出连接到单通道A/D转换器4，通道二前置处理电路2和通道三前置处理电路3输出连接到双通道A/D转换器5后输出到数字滤波器7，数字滤波器7采用SPI总线与控制系统的数字信号处理器13连接进行数据交换与命令控制，所述的触发系统通过触发滤波器6对采集到的三通道数据进行触发判断，所述的存储系统采用大容量CF卡12存储采集数据，CF卡12通过数据线与控制系统的数字信号处理器13连接，所述的时间系统由单片机8、实时时钟芯片 9、时钟后备电池10、GPS模块18和GSM通信模块11组成，单片机8通过串行接口与控制系统的数字信号处理器13相连。本发明与现有强震观测仪器的区别在于本发明内置嵌入式自适应网络接口芯片 16和支持中文短信收发的嵌入式GSM通信模块11。内置嵌入式程序具有自动监测网络连接状态的能力，可在网络无法连接时，自动定时重新检查网络与记录器之间的网络连接，保证数据传输稳定可靠，提高了强震记录器的数据传输稳定性。本发明利用手机中文短信的发送与接收实现记录器状态检查、传感器标定、功能设定、烈度速报的功能。中文短信一条最多可以传输70个中文字符，记录器在传送较多数据时可以自动分多条短信传输。中文短信有密码设定，可以通过设定短信控制密码，保证监控的安全性，防止未经授权对记录器的访问ο本发明基于网络与中文短信控制的强震数据采集与烈度记录器主要包括数据采集系统、触发系统、存储系统、时间系统、数据传输通信系统和控制系统等。控制系统和数据传输通信系统主要有数字信号处理器13与自适应网络接口芯片16构成，在数字信号处理器13的数据传输接口保留了 RS232串行接口 15和通过MODEM进行电话拨号传输数据的接口 17，并增加网络通信接口，网络通信接口通过隔离变压器连接到自适应网络接口芯16， 静态随机存储器14通过数据总线和地址总线与控制系统数字信号处理器13相连，作为数据采集的缓存；数字信号处理器13采用TMS320F2812芯片，自适应网络接口芯片16采用AX88796B芯片。存储系统采用大容量CF卡12存储采集数据，CF卡12采用TrueIDE模式通过数据线与TMS320F2812控制芯片连接。CF卡12的片选端CSO与CSl接集成电路芯片 74HC138的Yl和Y2端，CF卡12寄存器的地址为0x2100_0x2200，控制单元通过写入与读出寄存器状态实现对CF卡12的读写操作。TMS320F2812芯片调用文件读写函数来完成记录文件在CF卡12上的读写过程，文件读写函数通过调用底层的CF卡12驱动来完成对CF 卡12命令寄存器的操作。为了有效地处理CF卡12上记录的数据，同时能够在装有Windows 操作系统的微机上能够读取记录文件，本发明在CF卡12记录的文件格式采用嵌入式FAT32 的文件系统。TMS320F2812芯片通过D0-D15数据总线与网络接口芯片AX88796B进行数据交换，A0-A5为地址总线，用于片内寄存器地址寻址。74HC138解码器的YO与AX88796B芯片的片选端相连，其地址为0x2000。监控软件与强震记录器连接的工作方式为仪器启动后进行AX88796B芯片复位并初始化，然后是TCP/IP协议栈的初始化，通过读取CF卡12上的配置文件来设定强震记录器的IP地址。数据采集系统是由通道一前置处理电路1、通道二前置处理电路2、通道三前置处理电路3、单通道A/D转换器4、双通道A/D转换器5和数字滤波器7构成的3通道信号采集电路，通道一前置处理电路1输出连接到单通道A/D转换器4，通道二前置处理电路2和通道三前置处理电路3输出连接到双通道A/D转换器5后输出到数字滤波器7，数字滤波器 7采用SPI总线与控制系统的数字信号处理器13进行数据交换与命令控制；前置处理电路采用高精度仪表放大器构成，其作用为阻抗变换和信号放大。A/D转换器输出的数据流，经过数字滤波器滤波后，变为M位3通道的数据信号输出。触发系统通过触发滤波器6对采集到的三通道数据进行触发判断；触发系统主要由软件算法实现。如果满足触发条件，记录器开始连续记录数据，直到采集的数据不满足触发条件或达到预先设定的记录时间。触发滤波器6的设计原则通常使触发滤波器6的通频带包括地震事件能量频带，地震事件的噪声能量谱应在通带范围之外，主要的目的是为了消除数据采集的零偏移量与直流分量，以尽可能减小记录的误触发，同时不会造成无法触发记录的情况。触发滤波器的通频带随采样率不同而变化，在50Hz采样率下，通频带为 0. 025HZ-3. 75Hz，在IOOHz采样率下，通频带为0. 05-7. 5Hz，在200Hz采样率下，通频带为 0.1Ηζ-15Ηζ。时间系统由单片机8、实时时钟芯片9、时钟后备电池10、GPS时间模块18和GSM 通信模块11组成，单片机8通过串行接口与控制系统的数字信号处理器13相连。高精度实时时钟作为系统中断供电、停止工作的后备时钟；在系统运行时，则采用高精度温度补偿晶振作为系统的时钟源，保证系统时间系统的精度，同时每隔一定时间通过GPS时间模块 18中的GPS时间校对系统对系统当前的时钟进行校对，可以保证系统的时间精度达到毫秒级。记录器开机时，系统首先检查是GPS对时系统是否工作、GPS天线是否连接和能否接收到对时信号，如有GPS标准时间信号，系统采用GPS校时，将系统时钟和备用时钟同步到世界时，在系统内部可以设定时区，通过记录器所在时区与标准时间计算则可得到记录器当前位置的精确时间。本发明中文短信控制的实现中文短信监控命令包括有监控手机或监控软件发送的记录器控制短信和记录器发送的记录器状态短信。记录器控制短信命令格式为“短信控制密码” + “控制命令”。其中“短信控制密码”为预先设定并存储在记录器内部的密码，由4位数字或字母组成，记录器只有在收到的短信包中含有正确的密码+控制命令时才会执行相应的指令。具体的中文短信命令如下所示1. “短信控制密码” + “记录器状态”，记录器收到短信后进行状态检查，回复的短信格式为“记录器编号” + “电池电压” + “记录器温度” + “可用内存容量” + “触发文件数目”。例如短信控制密码设定为“AB⑶”，发送短信“AB⑶记录器状态”，记录器回复短信 “记录器12，电池电压12. 5V，记录器温度35. 2°C，可用内存2. 3G，触发文件15个。”2. “短信控制密码” + “功能检查”，记录器进行传感器功能检查，回复短信“功能检查正常” + “通道一电压偏移” + “通道二电压偏移” + “通道三电压偏移”，若功能检查错误，则记录器回复“功能检查错误”。例如发送短信“AB⑶功能检查”，记录器回复短信 “记录器12，功能检查正常，通道一 12. lmV，通道二 4.6mV，通道三7. 8mV。”3. “短信控制密码” + “数据采集”，记录器进入数据采集状态，等待满足数据采集条件时开始记录数据。无短信回复。4. “短信控制密码” + “实时触发”，记录器在收到短信后立即进入触发状态，开始记录采集的数据。记录器回复短信“触发正常。”5. “短信控制密码” + “记录器参数”，查看当前的记录器参数设定。记录器回复短信“记录器采样率+触发方式，三通道触发设定+预存时间”。例如发送短信“ABCD记录器参数”，记录器回复短信“记录器12，采样率200，触发方式阀值触发，110，210，310，预存时间20秒。”6. “短信控制密码”+“参数设定”，对记录器参数进行设定。例如，发送短信“AB⑶ 参数设定100，1，10，10，10，20。”此时，设定记录器的采用率为100Hz。触发方式1，为阀值触发。通道1触发设定IOgal，通道2触发设定IOgal，通道3触发设定10gal，预存时间 20秒。记录器在收到短信后进行参数的设定。设定完成后，记录器回复短信“参数设定完成。”7. “短信控制密码” + “记录器复位”，记录器收到短信后，强制对记录器进行复位操作，重新启动记录器。记录器无短信回复。8. “短信控制密码” + “开始/停止”，开始/停止记录器短信烈度短信的发送。例如“AB⑶开始”，记录器在触发后计算烈度值并发送烈度短信。9.烈度速报短信格式为“记录器编号+触发时间(年-月-日时分秒)+ 记录器位置(经纬度表示度.分.秒)+三通道峰值加速度+参考烈度”。记录器在触发后，对触发数据进行计算，得到三通到最大加速度值和参考烈度。记录器发送短信到预先设定的手机相关控制软件上。例如，记录器发送短信为“记录器编号12，触发时间 2011-3-911:23:45，经度39. 59. 13，纬度116. 19. 25，峰值加速度通道 1 :123gal，通道 2 25gal，通道 3 :33gal，参考烈度4. 1”。本发明网络传输控制的实现记录器可以自动判断网线连接和网络传输情况。实现的方法是通过读取AX88796B 网络接口芯片的操作位，检查器件状态寄存器DSR的第0位，如果为1表示连接正常，如果为0表示连接错误。同时检查系统状态寄存器MRl的第4位，如果为1表示远端连接正常， 如果为0，表示连接不正常。在连接错误的情况下，记录器会自动重复检查网络连接状况，在网络连接正常后，恢复中断的数据传输。强震记录器的网络通信采用基于TCP/IP协议的数据传输方式。记录器作为TCP/ IP连接的服务器端等待作为客户端的监控软件发出连接命令，连接建立后，可以对记录器进行各项操作。监控软件可以同时对多台记录器进行监控，方便地组成主机对多台记录器的监控网络。监控软件与强震记录器连接的工作方式为首先，记录器启动后进行 AX88796B的芯片复位并初始化，然后是TCP/IP协议栈的初始化，通过读取CF卡上的配置文件，设定强震记录器的IP地址，缺省IP地址为=192. 168. 1. 10，网关为255. 255. 255. 0，用户可以根据实际的网络配置进行相应的修改；然后将网络芯片的工作方式设定为TCP服务器方式，监听端口设定为52654。根据接收到的数据判断是否为有效的命令，然后根据不同命令执行相应操作。强震记录器的嵌入式软件采用嵌入式C语言开发，嵌入式软件的总体结构分为硬件抽象层、硬件服务层、应用服务层。其中，硬件抽象层包括数字信号处理器13、单通道A/ D转换器4、双通道A/D转换器5、自适应网络接口芯片16的硬件接口设置与初始化等子程序；硬件服务层则包含CF卡12、FAT32文件系统、TCP/IP协议栈和数字滤波器7的功能设定等子程序和文件；应用服务层则负责数据采集、触发判断、网络与串口的通信和监控软件与强震记录器之间的命令发送接收处理。通过应用接口调用硬件接口与硬件服务子程序， 使强震记录器的嵌入式软件系统具有简洁高效的特点，便于维护与开发。
权利要求
1. 一种基于网络与中文短信控制的强震数据采集与烈度记录器，包括数据采集系统、 触发系统、存储系统、时间系统、数据传输通信系统和控制系统，其特征在于所述的控制系统和数据传输通信系统主要有数字信号处理器(13)与自适应网络接口芯片(16)构成，在数字信号处理器(13)的数据传输接口保留了 RS232串行接口(15)和通过MODEM进行拨号传输接口(17)，并增加网络通信接口，网络通信接口通过隔离变压器连接到自适应网络接口芯片(16)，静态随机存储器(14)通过数据总线和地址总线与控制系统数字信号处理器 (13)相连，作为数据采集的缓存，所述的数据采集系统是由通道一前置处理电路(1)、通道二前置处理电路O)、通道三前置处理电路(3)、单通道A/D转换器G)、双通道A/D转换器 (5)和数字滤波器(7)构成的三通道信号采集电路，通道一前置处理电路(1)输出连接到单通道A/D转换器G)，通道二前置处理电路( 和通道三前置处理电路C3)输出连接到双通道A/D转换器(5)后输出到数字滤波器(7)，数字滤波器(7)采用SPI总线与控制系统的数字信号处理器(1 连接进行数据交换与命令控制，所述的触发系统通过触发滤波器(6)对采集到的三通道数据进行触发判断，所述的存储系统采用大容量CF卡(1 存储采集数据， CF卡(12)通过数据线与控制系统的数字信号处理器(13)连接，所述的时间系统由单片机 (8)、实时时钟芯片(9)、时钟后备电池(10)、GPS模块(18)和GSM通信模块(11)组成，单片机(8)通过串行接口与控制系统的数字信号处理器(1 相连。
全文摘要
本发明涉及一种基于网络与中文短信控制的强震数据采集与烈度记录器，包括数据采集系统、触发系统、存储系统、时间系统、数据传输通信系统和控制系统，在记录器中内置嵌入式自适应网络接口芯片和支持中文短信收发的嵌入式GSM通信模块，网络通信接口具有自动监测网络连接状态的能力，可在网络无法连接时，自动定时重新检查网络与记录器之间的网络连接，保证数据传输稳定可靠，提高了强震记录器的数据传输稳定性，利用手机中文短信实现记录器状态检查、传感器标定、功能设定、烈度速报的功能。本发明可高效灵活地通过网络或中文短信进行强震数据采集和实时监控强震记录器仪器状态，扩大仪器应用范围和可靠性。
文档编号G01V1/00GK102323611SQ20111014874
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者王雷, 高峰, 魏继武 申请人:中国地震局工程力学研究所, 王雷, 高峰, 魏继武