地震观测台站远程监控技术范文

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1远程监控技术原理

目前国际上用于流动地震观测台站远程监控的方式主要有因特网直接接入、基于手机通信网络的无线传输、VSAT卫星通信等。目前中国具备因特网直接接入条件的野外流动台站并不多，流动观测中基于手机通信网络的无线监控方式应用广泛，但对于一些无接入条件的偏远地区仍存在盲区。基于VSAT卫星通信的远程监控理论上可覆盖全球任何地点，在欧美国家应用广泛，由于不菲的使用费用，目前中国流动地震观测台站使用极少。因此，对于无网络接入条件的偏远地区，中国流动地震观测台站一直处于离线观测状态。“北斗”系统是我国自主研发的卫星导航通信系统，兼有定位、通信、导航、授时功能，由“北斗一代”和“北斗二代”两套系统组成。“北斗一代”具有的短报文通信功能是区别于国际上其他卫星导航系统的一个显著特点，能够提供用户与用户、用户与中心控制系统间的双向简短数字报文通信，目前该系统已覆盖包括中国在内的亚太地区大部（王家伟等，2013）。“北斗一代”目前已开放为军民两用系统，市场上已出现较为成熟的北斗通信模块可供使用。不同于军用系统，民用系统的通信频度受到限制，在一个频度内可传送数据比特数也受到限制，因此仅适用于通信带宽、频度要求不高的通信领域。对于流动地震台站的远程监控，仅需传送某些观测状态信息，并进行一些远程控制，采用基于北斗通信的监控方式比较适合。这种监控方式类似手机的短消息功能，通过短消息承载通信内容来实现野外流动地震台站的无盲区监控。此外，从国内观测现状及使用成本出发，在研制设备中加入GSM通信功能，也就是俗称的手机短信通信方式。目前国内手机通信网络的远程监控主要基于GPRS/3G等数据通道，实际使用发现，在许多偏远地区未提供数据通道服务，而GSM短信息服务可用。鉴于GSM短信方式较北斗通信方式经济性更高，采用GSM及北斗双系统通信方式，兼顾研制设备的使用成本和使用范围。图1是我们研制的流动地震台站远程监控系统的原理示意图。如图1所示，监控系统包括与监控服务器连接的监控主机和与观测台站设备连接的监控终端机两部分组成，其中监控主机还可用便携性更强的手持终端代替。监控主机管理多个远程监控终端的参数配置、对终端机发送控制指令、对多个台站的回传信息进行数据管理。监控终端机负责与地震观测设备通信，解读观测设备返回信息或对观测设备进行操作控制，响应监控主机的指令；监控主机与监控终端之间的通信过程由GSM通信网络或北斗卫星导航系统来承载。我们研制的监控系统可以设定为每天定时传送流动地震台站观测状态信息给监控主机或者随时接受请求回传观测信息，还可以接受监控主机指令实现对台站的远程控制。通过远程监控可以随时了解观测状态，及时处理观测过程中出现的问题。

2基于北斗通信的监控系统软硬件设计

2.1硬件设计监控终端硬件设计见图2，采用保定飞凌公司的ARM11核心板作为主控板，增加的外部资源包括：1个RJ45网口、2路RS232串口和1路TTL串口、1路系统调试串口、显示用led灯2个，另外还包括GSM收发模块、SD卡数据存储模块和电源管理单元等。各部分结构、连接关系及用途分别如下：GSM收发模块：由GSM通信模块1块、与外接天线的连接线1根、SIM卡电路等组成，通过1路TTL串口与ARM核心板连接，用于实现基于GSM网络的通信功能；LED显示：由2个单色LED灯组成，采用2个led灯不同的组合及秒闪规律表示设备的工作状态及过程；北斗通信接口：与ARM核心板连接的RS232接口，用于和北斗通信单元通信；电源管理模块：为ARM核心板、GSM收发模块、外接的北斗通信单元等提供电源服务，同时根据外接电源电压高低进行通断选择（详见2.1.1）；数据存储模块：为SD卡存储设备，提供大容量存储服务（可支持至16GB）；调试串口：调试ARM软件系统所用接口；复用的数采通信/系统管理接口：由1路RJ45网口与1路RS232串口复用组成3种用途接口，分别用于与地震观测设备的串口或网口通信以及对监控设备的系统交互和参数设置等（详见2.1.2）。监控主机与监控终端的硬件设计部分完全一致，区别仅在软件部分处理，考虑到使用便携性，监控主机可采用北斗手持终端代替，手持终端可运行基于Android系统的应用程序或直接采用系统自带的短信管理器。

2.1.1电源设计。野外流动地震观测系统的电源设计部分要求设备功耗要尽可能的低，一套地震仪的功耗一般均低于5W，目前大部分流动观测用的充电电源功耗一般不超过30W。北斗通信单元作为双向通信系统（发射和接收），在信号发射时的功耗峰值远超过30W，有时甚至会达到100W以上，如果不做处理是无法直接接在流动地震观测系统的充电电路里。另外，北斗通信单元的待机功耗约5W，相对较高。因此，电源设计里必须解决北斗通信单元待机的高功耗和信号发射时的超高功耗问题。我们采用间歇性打开北斗通信单元电源的方式来降低其待机功耗，在每次信息传送完毕后可关闭其电源。同时为了实现远程控制，可设定为每天固定几个时间段打开北斗通信模块电源，还可根据要求远程调整打开/关闭电源的时间段。相应的硬件设计主要在用ARM芯片3.3V的GPIO口通断来控制北斗通信单元的12V电压输入的通断，采用了可控硅芯片来设计实现。对于北斗通信在发射信号时的超高功耗问题，我们采取的方法是直接把监控设备连接在蓄电池上，目前野外常用蓄电池完全可胜任北斗通信模块在信号发射瞬间的高功耗要求。同时，监控设备作为辅助性设备，为了避免其对蓄电池电量的无节制消耗而影响地震观测主设备使用，我们设计了蓄电池输入电压检测电路，当输入电压过低时切断监控设备的电源供给，在电压恢复正常时再重新恢复供给，确保观测主系统的正常运行。

2.1.2复用的数采通信/系统管理接口。目前国内使用的流动地震观测设备通信接口主要包括串口和网口两种，而且随着观测技术发展，网口更有替代串口的趋势。为了能够兼容目前大部分的设备使用，我们在监控设备中同时支持串口和网口两种通信方式，利用专用芯片以及ARM芯片的3.3VGPIO口电平高低控制来实现复用接口的功能选择。在对监控设备监控参数的查看和修改方面，除了远程无线方式，还实现了通过网口连接便携式电脑登录网页的方式，这里用的网口与和数采设备通信的RJ45网口共用，采用不同的端口提供不同服务，使该路网口既可用于和数采设备连接通信，又可用作和便携式电脑连接通信使用。

2.2软件设计采用基于Linux操作系统的软件设计方法，主要内容包括底层对系统引导程序bootloader和内核映像文件进行适当的修改来实现相应的硬件驱动和初始化以及在应用层设计多线程程序完成系统功能。应用层编程需要解决的主要问题包括地震观测设备即地震数据采集器的协议解析、北斗通信协议解析以及由程序控制的具体实现。

2.2.1地震数据采集器的协议解析。以太网口作为通信接口是未来观测设备的发展方向，也被目前市场上大部分地震数据采集器所采用，因此我们选择以太网口作为缺省通信接口。网口通信协议多采用通用的TCP或UDP通信协议作为底层封装，通过研究设备相关技术文档结合socket编程解析该设备控制软件传送代码即可掌握设备通信协议细则，目前我们的监控设备已加入Reftek系列地震数据采集器的全部通信协议。对于新类型的地震数据采集器，仅需在软件上加入新的协议解析即可支持。对于串口作为通信接口的设备，通信协议实现方式与网口类似，所不同的是需要在监控设备参数设置里选取串口作为通信接口选择。

2.2.2北斗通信数据传送协议拟定。在“北斗一”开放给民用的通信协议里，通信频度一般在分钟级别，通信内容长度除去底层封装协议以及通信模块研发厂家的二次封装后留给用户可使用的信息长度一般不超过100个字节。基于这样的低频度、短报文的通信特点，在协议拟定时我们需要尽量压缩传送信息内容，同时确保每条信息具备相对的独立性和完整性，方便远端监控主机识别及处理。此外，为了手持终端使用方便，我们拟定的传送协议做到了方便软件处理的同时短信直接接收时可读性也较强，专业操作人员通过收到的短信内容即可获得重要字段信息。按照上述两个原则拟定的传送协议见表1，协议首尾部的底层包头包尾为北斗通信模块固定字段，指明了本条消息属何种类型，如北斗信号强度查询、SIM卡号查询或者文本消息等；用户地址为本通信模块SIM卡号码；信息类别指明本条消息的电文形式、通信方式及是否加密等；对端地址为对方通信模块SIM卡号码；电文长度为本条消息内容长度；是否应答提示信息接收方是否需对该信息做出何种应答；数采包类别为区分不同包内容设置，为可见ASCⅡ码；数采包帧号为该类别数采包的子包序号，用于一条信息不够编码的数采包类型；数采时间为获得该条信息的数采时间；包内容为对应数采包类别的具体内容；校验和为该条信息的校验信息码。

2.2.3监控终端程序实现。多线程程序实现示意见图3。如图3所示，主要线程包括与数采交互的通信线程、与北斗模块交互的通信线程及接受外部控制的网页服务线程等，各线程间的同步采用信号灯方式实现。我们定义了发送缓存和接收缓存两块存储空间，前者存放北斗模块需发送的内容，由数采通信线程填充；后者存放北斗模块接收到的指令或参数配置信息，由北斗通信线程填充。通过多线程协同对两块缓存空间操作完成整个通信过程。在数采通信线程里，首先根据参数配置确定通信端口为网口或是串口，之后对连接的数采进行种类识别；种类识别既可在参数配置里预置，也可选择根据已有数采协议进行智能检测；当判别数采有效后，检查接收缓存空间是否有内容可供处理，当该内容经解析合法后直接与数采交互获得所需信息，填入发送缓存等待北斗通信线程处理。在北斗通信线程里，首先进行北斗模块初始化，获取信号场强；当信号判定有效后接收北斗模块的通信信息填入接收缓存供数采通信线程处理；之后检查发送缓存非空时按北斗通信频度发送其中内容。网页服务线程的目的是对监控终端进行状态查看、参数配置，采用轻量级的boa服务器结合cgi以及C语言编程实现。来自监控主机或手持终端的外部通信指令通过和北斗通信线程交互来实现经由监控终端对地震数据采集器的状态查看、参数配置以及远程控制等。

3实际使用

我们研制的监控设备在北京国家地球观象台白家疃基地进行了为期两周的实验工作，重点测试了低输入电压切断功能、系统功耗、参数传送和控制功能以及连续工作可靠性等，实验期间一直正常连续工作，功能性测试基本通过。借助喜马拉雅计划二期工程，2014年10月初在内蒙古省阿拉善右旗的观测台站安装两台监控设备进行实际测试（该地区附近有多个观测台站无监控设施），目前正常工作，每日定时回传观测设备运行状态信息，设备的实际功能及性能基本达到设计要求，能够满足目前地震观测监控需求。在实际使用中发现，由于北斗通信为分钟级通信频度，随着外接终端数目增加较多时，单个北斗监控主机或手持终端的控制负担就显得较重，需要在未来考虑解决监控主机的带宽问题。我们计划在主机端采用多个北斗通信模块组成一个监控主机组，采用轮询方式使多个北斗模块轮流工作来变相提高通信频度以满足潜在需求，相关工作已着手展开。

4结论

（1）基于北斗通信的流动地震观测远程监控系统，经实验证明可连续稳定工作，基本满足目前流动地震观测需求，可实现国内观测台站无盲区远程监控，对于提高流动地震观测的工作效率和观测质量具有重要意义。（2）考虑未来拓展监控深度，提供对观测数据某些指标测算及监控功能。比如，可对观测数据的功率谱、均方差等进行计算并回传，对测算数据进行深度分析，发现一些观测中隐藏的问题，同时便于快速评价观测质量。（3）监控设备硬件接口适用于目前大多数地震观测设备，在监控设备里加入观测设备通信协议后即可使用，具备良好的推广性。进一步而言，我们研制的监控终端对于一些可靠性要求较高的观测需求，考虑到潜在的地震、火灾等灾难可能造成的物理链路损坏，可作为后备通信链路提供应急通信。

作者：许卫卫 单位：中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所