CN109239767A - 基于智能手机或平板App的结构地震动监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明创造公布了一种基于智能手机或平板设备的结构地震动监测系统和方法。包括在智能手机或平板上安装具有数据采集功能、分析功能、存储功能、传输功能的App；将智能手机或平板设备水平固定在地表、桥梁或者建筑物中；开启App；监测设备可以为单台监测或者多台远程同步监测；监测方法有预警和记录两种。监测App在有网络连接的情况下，文件会被上传云端，使用设备可通过云端监测App查看或下载远程同步下的所有监测设备数据。本发明使用淘汰的智能手机或平板作为结构地震动监测设备，避免了大型昂贵的传感器材的开发和使用以及人工成本，利用App的横向整合能力把以前复杂的系统集约化，且淘汰的智能手机或平板价格更低廉、更便携、更易于商业推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种地震检测领域，尤其涉及一种基于智能手机或平板App的结构地震动检测系统和方法。
背景技术
地震是一种极具破坏力的自然灾害，常常造成大量的财产损失和人员伤亡。我国处于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，属于地震多发国家。目前，国内外基本上均采用地震流动监测方式，通过在主震周边及一定范围内设流动地震监测台站，捕捉更为详细的余震、微震资料，为分析预测地震发展趋势提供基础数据。2008年汶川8.0地震发生后，中国地震局就调集100多人架设60多个流动地震检测台加密震区的地震监测。
另据中国信息通信研究院公布的数据显示，2016年国内手机市场出货量为5.6亿部。业界预测未来几年中国每年更新的手机数量可能会达到4亿至5亿部，而此前我国已经沉积了约10亿部废旧手机，回收率不到2%。随着手机更换的频率越来越高，废旧手机比例也会逐年加大，这和目前极低的回收利用完全不成正比，处理这些废旧手机就会产生很大的社会负担包括经济负担、环境负担、个人信息安全负担等。
现有的地震监测设备体积较大，成本较高，一般用于对固定位置的地壳震动情况进行监测，因其所监测的范围较小，据此做出的地震预测的准确性较差，唯有增加地震台网密度才能提高预测的精准度，而增加地震台网密度往往伴随巨大的人力、物力和财力的消耗。因此，如果要实现大量密集结构地震监测的最大瓶颈在于检测系统及检测设备的昂贵的初始费用及维护费用。
因此，针对以上问题，有必要提供一种新的基于智能手机或平板App结构地震动检测系统和方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于智能手机或平板App的结构地震动监测方法，其使用人们日常广泛应用的手机作为平台工具，通过放置在地表、桥梁和建筑物内的不同位置的手机快速准确地获得地表运动和桥梁建筑物等结构的地震响应，最终设计实现一个便携的、简单的结构地震动的手机或平板App。
为实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下。
一种基于智能手机或平板的结构地震动的监测方法，所述方法包括以下步骤。
A1在智能手机或平板上安装具有数据采集功能、数据分析功能、数据存储功能、数据传输功能的结构地震动检测App。
A2将智能手机或平板设备水平固定在地表、桥梁或者建筑物中。
A3开启结构地震动检测App。
A4监测设备可以为单台设备检测或者多台设备远程同步监测。
A5监测方法可以为预警监测和记录监测两种。
A6预警监测记录条件。
A7结构地震动监测App通过智能手机或平板设备内系统授权从微型传感系统MEMS得到数据，结合系统的时间形成记录。
A8结构地震动监测App每一段时间（最大5分钟）形成一个文件并记录在本地的存储空间Sandbox里（相当于智能设备上为了某一应用而分配的硬盘）。
A9结构地震动监测App在有网络连接的情况下，文件会被上传云端，并把已经上传的文件每隔一定时间从本地硬盘删除。
A10使用智能手机或平板设备通过云端服务器利用结构地震动监测App可以查看或下载远程同步下的所有监测设备的监测数据。
作为本发明进一步改进，所述智能手机或平板设备中的App所采集的数据包括GPS数据、加速度传感器数据和转角传感器数据。
作为本发明进一步改进，所述加速度传感器数据包括空间三个方向（X，Y，Z）的加速度分量。
作为本发明进一步改进，所述转角传感器数据包括空间三个方向（X，Y，Z）的转动。
作为本发明进一步改进，所述GPS数据包括海拔高度和经纬度。
作为本发明进一步改进，所述GPS数据、加速度传感器数据和转角传感器数据还包括手机或平板设备系统时间和手机或平板设备记录开始及结束时间。
作为本发明进一步改进，所述步骤A4包括利用单台智能手机或平板设备监测和多台智能手机或平板设备进行检测。
多台监测设备通过云端服务器，在有网的情况下都可以实现异地、不同区域、甚至不同国家的远程同步预警监测和记录监测。
本发明具有以下优势。
使用智能手机或平板设备进行结构地震动的监测，避免了大型昂贵的传感器材的开发和使用以及人工成本。
利用智能手机或平板设备的App的横向整合能力把以前复杂的系统集约化，且淘汰的智能手机或平板价格更低廉、便携、易于商业推广。
附图说明
为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图进行简单的介绍，下面描述中的附图仅是本发明记载的一些实施例，对于本领与普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于智能手机或平板的结构地震动的监测方法具体流程图。
图2图3为本发明基于智能手机或平板的结构地震动的监测方法原理图。
图4为本发明一具体实施中的方式中的智能手机或平板设备的坐标示意图。
图5为本发明一具体实施方式中加速度传感器值示意图。
图6为本发明一具体实施方式中转角传感器值示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于智能手机或平板设备的结构地震动的监测方法。首先，采集智能手机或平板中的可用信息，如加速度传感器、转角传感器、全球定位系统(GPS) 等数据等，通过MATLAB并以此为依托开发手机或平板的应用程序；在具体操作过程中需要工作人员安装设计好的APP，对其是否单台设备或者多台设备记录数据进行进行选择和操作。
参图1 所示，本发明公开了一种基于智能手机或平板设备的结构地震动监测方法，包括以下步骤。
一、智能手机或平板设备数据采集。
A1在智能手机或平板上安装具有数据采集功能、数据分析功能、数据存储功能、数据传输功能的结构地震动检测App。
A2将智能手机或平板设备水平固定在地表、桥梁或者建筑物中。
A3开启结构地震动检测App。
二、智能手机或平板设备监测数据处理方法。
A4设备监测数据可以为单台设备检测或者多台设备远程同步监测。
A5监测数据可以分为预警监测数据和记录监测数据两种。
A6 预警监测记录条件。
三、智能手机或平板设备监测数据的储存。
A7结构地震动监测App通过智能手机或平板设备内系统授权从微型传感系统MEMS得到数据，结合系统的时间形成记录。
A8结构地震动监测App每一段时间（最大5分钟）形成一个文件并记录在本地的存储空间Sandbox里（相当于智能设备上为了某一应用而分配的硬盘）。
A9结构地震动监测App在有网络连接的情况下，文件会被上传云端，并把已经上传的文件每隔一定时间从本地硬盘删除。
四、智能手机或平板设备监测数据的查看。
A10使用智能手机或平板设备通过云端服务器利用结构地震动监测App可以查看或下载远程同步下的所有监测设备的监测数据。
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
一、智能手机或平板设备数据采集：实现数据的获取功能，由智能手机或平板设备构成，智能手机或平板设备上安装有数据采集功能、数据分析功能、数据存储功能、数据传输功能的结构地震动检测App。数据采集记录有两种分别为开始预警、开始记录两个按键。当两个按键被触动之后，两个按键分别变为终止预警、终止记录按键。
智能手机近几年得到飞速发展，据统计，2013 年中国的手机的总用户就已超过10亿，其中智能手机是消费者的首选，占有着绝对的占有率。智能手机在人们生活中扮演着越来越重要的角色，同时也给研究人员提供了一个通用的研究平台。开发智能设备( 尤其是在目前有如此广大潜在市场的智能手机) 引起了广大开发人员和商家的兴趣。基于此，本发明所设计的结构地震动检测技术是在ISO平台开发上完成的。
苹果设备采用了意法半导体的MEMS(微电机系统)内置三轴向加速度微型传感器和三轴向陀螺仪微型传感器。三轴向加速度微型传感器能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质。三轴向陀螺仪微型传感器以在手机进行旋转运动时产生的科里奥力作用下向X，Y，Z三个方向发生位移，利用这个原理便可以测出手机的运动方向和角度。芯片核心中的另外一部分则可以将有关的传感数据转换为苹果设备可以识别的数字格式。
A1、将有数据采集等功能的应用程序(App) 安装智能手机上，优选地，本实施方式中采用ISO系统智能手机安装所设计的数据采集等功能应用程序，在其他实施方式中，其他包含MEMS(微电机系统)的部件的仪器也可以实现相同的功能，如安卓手机、平板电脑等。
A2、智能手机或平板设备水平固定在地表、桥梁或者建筑物中。手机的三维坐标系如图4所示，y轴沿手机长边方向上为正，下为负；x轴是面对手机屏幕操作者的右手方向右为正，左为负；z轴是屏幕方向为正，背面方向为负。
A3、开启结构地震动检测App。
a、手机或平板设备被放置在地表、桥梁或者建筑物中，并使用固定装置进行固定。为了简便化处理使用双面胶带将手机固定在建筑物地面上，保证手机不发生相对位移，在震动过程中做同样的三维空间运动。
b、使用智能手机或平板设备内MEMS(微电机系统)内置三轴向加速度微型传感器和三轴向陀螺仪微型传感器内置三轴重力加速度计可以测量（X、Y、Z）三个方向的加速度分量跟转动。
A4、当地表、桥梁或者建筑物发生振动时，获得加速度传感器数据和转角传感器数据。
A5、A6、获取数据分两种方式，开始记录为开始进行数据采集；开始预警为会自动开始一个缓冲记录，当缓冲记录满足加速度峰值超过阀值（预先设定）数据会被记录。
传感器所获得的数据根据的坐标体系是以手机或平板设备为标准，本发明中存在的在手机或平板设备坐标系在地表、桥梁或者建筑物中受到震动的处理过程。为了方便后续同地图相结合做地理信息上地表、桥梁和建筑物上的行为分析，在采集加速度传感器和转角传感器数据的同时也采集了全球定位系统的部分信息，在其他实施方式中，GPS数据也可使用基站或者蓝牙等多种室外定位方法代替。
本发明此处给出数据的样本示例如表1所示。分别记录了智能手机或平板设备记录的日期、时间和加速度传感器、转角传感器X，Y，Z的数值；表的底部则记录了摘要包括记录设备、记录日期时间、记录市场、PGA值、经纬度和一些参数设置以及实际采样率等，保存格式为文本格式“txt”。
表一手机日期、时间、加速度数据和转角数据以及表底数据等。
二、智能手机或平板设备监测数据处理方法：数据分析功能主要进行的是数据预处理、提取有效特征、进行类别判断的功能。信息处理从原始数据处开始，类别判断并返回数据给云端服务器为止。
A5、A6、A7通过开始预警或者开始记录两个方式，程序通过访问加速度和转角传感器获得当前数据值。
数据分为“加速度数据”(Acc)和“转角数据”(Gyro)两类。每一个数据各自由三个方向分量（X，Y，Z）组成。
数据大大小由三份量合成值表示，l=sqrt(x^2+y^2+z^2)。
加速度数据的单位为g(=9.8m/s/s),转角数据的单位为角度。
当选择开始预警模式时会自动开始一个缓冲记录。缓冲记录由用户按“开始预警”按钮激活。当记录达到缓冲时长（默认设定为60秒）后，记录会被保持一定的缓冲时长，也就是说，增加一条新数据的同时也会删除一条旧数据。缓冲记录只存在于内存里，而不会被写成文件。
三、智能手机或平板设备监测数据的储存：当软件开始生成记录(record)时，程序从系统获得记录开始时间，为记录开始时间。当记录结束时，程序过的记录结束时间。
记录名称一般为记录开始时间的字符串。开始时间包含年，月，日，小时，分，秒。
记录包含一系列数据，每一条数据包含数据采集时间，三轴向加速度和三轴向转角。一次第一条数据的时间基本和记录开始时间相当。
根据程序设计的采样频率，默认值是100Hz，数据被采集，但是往往实际采集时间要比设定延迟一点。当记录结束时，记录会对自己进行分析，计算出实际采样频率，数据采集地点的GPS坐标，数据的峰值加速度PGA等值。
记录在内存里为数据形式，可以将其转化为字符串，并形成记录文件。文件名为记录名，即开始时间的字符串。
记录分为2种。
用户激活的记录：用户点击记录按钮，开始进行采集，之后用户按停止记录按钮结束的记录。如果记录时间超过5分钟，会自动形成一个记录并连续开始一个新的记录。
被触发的数据：当开始预警模式中缓冲记录满足加速度峰值超过阀值，缓冲记录将自动被称被触发的记录，阀值默认设定为5gal。因此被触发的数据一开始就有60秒的数据。当连续一段时间（默认为60秒以上）没有被触发，记录将自动结束，形成文件。
A8、记录文件先是被存在本地储存空间Sandbox里。
A9、当网络有连接的时候，其将被上传到云服务器上。在服务器上数据根据自己的“／记录仪器名／年／月／日”被分到不同的文件夹里便于查找。
四、智能手机或平板设备监测数据的查看：单设备监测时，可以在App本地查看相应监测数据；多台设备同步检测时可以通过其中一台设备登陆相同账号下的云端服务器下载其他设备的监测数据进行查看。
A10、监测人员可以通过是智能手机或平板设备中的App程序以加速度时程图、傅立叶谱和转动时程图的形式查看数据.有助于监测者迅速理解趋势和跟踪数据，也有助于数据分析。
监测网络系统的形成
当对一个区域，或结构，或结构群进，预警或长期监测时，可以使用远程同期模式。对同一个项目的（云端服务器）的所有设备，设备之间可以通过云服务器的状态文件来了解其他设备的状态。当有一个设备被设定为预警状态，其他设备也会被同期到预警状态。当有某一个设备被触发记录，其他设备也将被同期开始记录。
综上所述本发明具有以下有益效果。
使用智能手机或平板设备进行结构地震动的监测，避免了大型昂贵的传感器材的开发和使用以及人工成本。
利用智能手机或平板设备的App的横向整合能力把以前复杂的系统集约化，且淘汰的智能手机或平板价格更低廉、更便携、更易于商业推广。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (12)
1.一种基于智能手机或平板设备的结构地震动监测系统和方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A1、在智能手机或平板上安装具有数据采集功能、数据分析功能、数据存储功能、数据传输功能的结构地震动检测App；
A2、将智能手机或平板设备水平固定在地表、桥梁或者建筑物中；
A3、开启结构地震动检测App；
A4、监测设备可以为单台设备检测或者多台设备远程同步监测；
A5、监测方法可以为预警监测和记录监测两种；
A6、预警监测记录条件；
A7、结构地震动监测App通过智能手机或平板设备内系统授权从微型传感系统MEMS得到数据，结合系统的时间形成记录；
A8、结构地震动监测App每一段时间（最大5分钟）形成一个文件并记录在本地的存储空间Sandbox里（相当于智能设备上为了某一应用而分配的硬盘）；
A9、结构地震动监测App在有网络连接的情况下，文件会被上传云端，并把已经上传的文件每隔一定时间从本地硬盘删除；
A10、使用智能手机或平板设备通过云端服务器，利用结构地震动监测App可以查看或下载远程同步下的所有监测设备的监测数据。
2.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所述智能手机或平板设备中的App采集的数据包括GPS 数据和加速度传感器数据和转角传感器数据。
3.根据权利要求2 所述的方法，其特征在于，所述加速度传感器数据包括智能手机和平板设备在空间三个方向（X，Y，Z）上的加速度分量。
4.根据权利要求2 所述的方法，其特征在于，所述转角传感器数据包括智能手机和平板设备在空间三个方向（X，Y，Z）上的转动。
5.根据权利要求2 所述的方法，其特征在于，所述GPS 数据包括智能手机或平板设备的经度纬度。
6.根据权利要求2 所述的方法，其特征在于，所述GPS 数据和加速度传感器数据、转角传感器数据还包括手机系统时间和记录开始及记录结束的时间。
7.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所属步骤A4包括：
多台智能手机或平板设备通过远程同步实现异地、不同区域甚至是不同国家的远程同步监控。
8.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所属步骤A5包括：
程序通过访问加速度和转角传感器获得当前数据值，形成数据。
9.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所属步骤A6包括：
用户可通过控制面板上面的按钮使手机进入预警状态，之后如果有振动满足条件，将会触发记录，当振动变小而逐渐不可感知，记录会自动结束并储存上传记录文件，之后，智能设备会继续回到预警监测状态。
10.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所属步骤A7包括：
根据程序设计的采样频率，默认值是100Hz，数据被采集，记录结束时，记录会进行分析，计算出实际采样频率，数据采集地点的GPS坐标，数据的峰值加速度PGA等值记录在内存里为数据形式，可以将其转化为字符串，并形成记录文件，文件名为记录名，即开始时间的字符串。
11.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所属步骤A8、A9包括：
每一段时间（最大5分钟）形成一个文件并记录在本地的存储空间Sandbox里（相当于智能设备上为了某一应用而分配的硬盘），当有网络连接的情况下，文件会被上传云端，并把已经上传的文件每隔一定时间从本地硬盘删除。
12.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所属步骤A10包括：
所述智能手机或平板设备通过App可以将数据可视化，以加速度时间时程图、傅立叶谱和转角时程图的形式.有助于监测者迅速理解趋势和跟踪数据，也有助于数据分析。
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