CN113487838A - 一种面向小区地震预警的装置及播报方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向小区地震预警的装置和方法，主要内容是：在硬件方面选用新唐科技的嵌入式arm芯片N32926U1DN作为整块开发板的MCU，辅以以太网芯片RTL8201和RJ45网口进行网络通信，并设计了mini PCIe接口和一些冗余接口用以连接移远通信的EC20模块及其它模块；在软件方面则实现了MQTT的客户端功能，用于订阅预警平台的发布信息，完成与预警发布平台之间的通信功能，接着对获得的地震信息进行解析，并综合EC20模块和智能音柱，配合基站服务，实现定向的预警短信提醒和局部范围内的应急音频广播,可以实现对地震预警内容的及时播报，从而减少灾害造成的人民生命安全损失。

Description

一种面向小区地震预警的装置及播报方法
技术领域
本发明属于地震预警系统领域，尤其涉及一种基于Linux系统和MQTT通信的小区地震预警装置及播报方法。
背景技术
地震预警系统作为近年来的研究热点，其在应对突发性地震灾害时对保障人民的生命财产安全具有重要意义。2021年5月22日，云南大理发生了6.4级地震并造成了多人伤亡，若采用先进有效的地震预警系统，地震所造成的损害可能会更低。通过地震预警EEW系统，人们获得的预警时间将会有所增加，这也有助于地震情况下各类伤亡情况的减轻。目前，地震预警终端设备品类广泛，并开始逐步应用于电视机顶盒、区域广播等领域中，但它们一般成本较高，功能也较为单一，同时其预警效率也有待提高。
发明内容
针对现有技术存在的以上问题，本发明旨在提供一种面向小区地震预警的装置和播报方法：在硬件方面，采用嵌入式arm芯片作为装置的MCU，同时设计了装置的存储模块、电源模块、以太网模块、串口模块、I2C总线接口模块以及SPI总线接口模块；在软件方面，实现了装置本身的GNSS定位功能、网络通信功能、预警信息计算功能以及预警信息播报功能。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种面向小区地震预警的装置，所述装置包括以下硬件单元组件：
单元组件一：MCU采用新唐科技N32926U1DN，并配合东芝的NANDFLASH存储芯片TC58NVG1S3HTAI0；
单元组件二：使用芯片MAX3232电平转化芯片；
单元组件三：使用电压型PHY芯片RTL8201F配合RJ45网络变压器51F-1202GYD2NL；
单元组件四：MCU引出MiniPCIe接口引脚、I2C总线接口引脚、SPI总线接口引脚；
单元组件五：使用移远通信EC20 R2.1模块、TN9525系列音柱与SYN6658模块。
其控制关系如图1所示，MCU作为设备的核心，其与NAND FLASH芯片连接作系统烧录和数据存储；通过SPI总线与语音合成模块SYN6658进行数据通信，控制音频预警信息的产生；此外，还通过Mini PCIe总线与EC20 R2.1模块建立通信，通过AT指令实现定位功能和预警短信发布功能；其还通过以太网模块，外接网口变压器实现与预警平台和智能音柱的通信；此外，其还预留了多个I2C接口和GPIO接口，用于之后设备功能的拓展。
作为本发明的一种改进，所述单元组件一中，采用新唐科技嵌入式Linux芯片N32926U1DN，配合东芝的NAND FLASH存储芯片TC58NVG1S3HTAI0实现系统内核烧录和资源存储，两芯片间采用NAND Interface相连，包括8个I/O引脚(ND0~ND7)、5个使能信号引脚(地址锁存使能ALE、命令锁存使能CLE、读使能RE、写使能WE、片选使能CE)、1个状态引脚R/B、1个写保护引脚NWP。
作为本发明的一种改进，所述单元组件二中，采用MAX3232电平转化芯片实现串口的TTL电平和RS-232电平转化，实现了一路外部设备通信串口和一路芯片调试串口的电平转化，同时采用ESD二极管PESD1CAN实现两路串口的静电防护。
作为本发明的一种改进，所述单元组件三中，使用PHY芯片RTL8201F并配合RJ45网口51F-1202GYD2NL实现电压型PHY接法的以太网模块。其中，MCU通过管理数据时钟接口MDC和管理数据输入输出接口MDIO对PHY芯片进行对应寄存器的管理，并将接收数据有效引脚RXDV以4.7KΩ电阻上拉，设置芯片为RMII简化媒体独立接口模式与MCU的MAC相连，通过TX+、TX-、RX+、RX-这四条差分传输脚与网口变压器相连，接入RJ45连接器中，由于51F-1202GYD2NL自带Magnetics网络变压器模块，因此无需额外的网络变压器。
作为本发明的一种改进，所述单元组件四中，地震预警装置引出了Mini PCIe接口引脚、I2C总线接口引脚、SPI总线接口引脚。其中Mini PCIe总线接口用于与移远通信EC20模块相连接，其通过网络系统标识接口UIM与SIM卡相连，供设备进行4G联网以及短信发送使用；SPI接口与I2C均通过上拉电阻直接与MCU相连，其中SPI接口用于连接SYN6658模块，用于设备的语音合成功能、I2C总线用于连接BMA250模块，用于获取装置的三轴加速度值。
作为本发明的一种改进，所述单元组件五中，使用移远通信EC20 R2.1模块、TN9525系列音柱与SYN6658模块。其中EC20 R2.1模块通过Mini PCIe总线连接器与MCU及SIM卡相连，并外接GNSS天线与4G天线用于设备的定位和入网；TN9525系列智能音柱通过网络与设备相连，用于TextToSpeech功能以及音频播报功能；SYN6658模块通过SPI总线接口与MCU相连，用于语音合成及播放。
一种面向小区地震预警的装置的播报方法，包括以下步骤：
步骤1：使用AT指令获得装置GNSS位置信息；
步骤2：与服务器建立HTTP连接，并下载所需资源文件；
步骤3：使用MQTT客户端与预警发布平台建立连接并订阅预警信息；
步骤4：处理订阅及本地信息，获得各预警装置的特色化预警信息；
步骤5：配合基站实现小区用户中短信预警功能和音频预警广播功能。
作为本发明的一种改进，步骤1中，使用AT指令获得装置GNSS位置信息。首先，针对EC20 R2.1模块需对版本号为2.6.35的Linux内核源码进行修改，为PCIe总线添加包括串口、Gobinet等驱动在内的程序；之后通过USB串口设备的读写操作实现对EC20模块的读写命令控制；最后通过写入AT命令依次执行配置GNSS参数、开启GNSS、获取定位信息、关闭GNSS等指令。此时在将获取的位置信息从字符串类型转换为浮点型时，其经纬度信息为均为度分格式，即纬度格式ddmm.mmmm、经度格式dddmm.mmmm，将其格式转换为度：
Figure 583645DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 704048DEST_PATH_IMAGE002
为度分格式的经纬度数据、
Figure 60949DEST_PATH_IMAGE003
为度格式的经纬度数据，而
Figure 49633DEST_PATH_IMAGE004
为两式之间的中间变量，其通过将度分格式除以100并将结果向下取整得到经纬度的整数部分。
作为本发明的一种改进，所述步骤2中，与服务器建立HTTP连接，并下载所需资源文件。其中，在装置第一次启动时，通过shell脚本控制启动程序，令装置通过HTTP协议发送GET请求从地震预警发布平台处直接下载得到所需的音频资源文件，并将其存放于内存文件系统目录/tmp中，以占用内存空间的方法节省了FLASH的空间。
作为本发明的一种改进，所述步骤3中，使用MQTT客户端与预警发布平台建立连接并订阅预警信息。其中，装置设备作为整个系统的订阅端，订阅地震预警相关信息的Topic内容，从代理服务器Broker中订阅得到预警平台所发布的预警信息，其信息内容包括当前地震的经纬度信息、震级信息、震源深度信息等。为了处理及应对各种网络异常，本发明针对MQTT客户端的断线重连功能进行了改进，其以shell脚本的形式对装置应用程序进行管理，判断其运行状态，当应用程序因网络问题而异常终止后，该 shell脚本负责进行网络的重新连接，其使用一种基于幂指数的时间间隔控制方法，实现对网络的按时重连，其规则如下，单位为秒：
Figure 67268DEST_PATH_IMAGE005
；
式中，
Figure 233938DEST_PATH_IMAGE006
为下一次尝试网络重连的时间间隔，kre为本次网络异常时间脚本尝试重连的次数。
作为本发明的一种改进，所述步骤4中，处理订阅及本地信息，获得各预警装置的特色化预警信息。其具体内容包括装置本地的经纬度信息与距离信息的转化、地震预警时间的估计、烈度估算以及震感评估。其中，针对经纬度信息与距离信息的转化，本发明将地球视为一个正球体，
此处假设预警装置A的经纬度信息为
Figure 828867DEST_PATH_IMAGE007
,震源位置B的经纬度信息为
Figure 496609DEST_PATH_IMAGE008
，此时采用弧度制，根据三角推导计算可以得到预警装置A和震源位置B的距离公式如下：
Figure 742652DEST_PATH_IMAGE010
式中，
Figure 204857DEST_PATH_IMAGE011
分别为预警装置A的经度、预警装置A的纬度、震源位置B的经度、震源位置B的纬度，其经纬度格式采取度格式,
Figure 552662DEST_PATH_IMAGE012
为计算过程中的中间变量，R为地球的平均半径，其值为6371.004km，Distance为计算所得出的预警装置和震源位置之间的距离，单位为km；
基于装置和震源之间的距离信息，可以进一步计算地震预警的倒计时估计时间，其由地震波到达时间与预警发布平台信息传输到达时间的时差来实现。其中地震波指的是地震横波即S波，虽然地震纵波P波的传播速度更快，但其仅导致地面的上下震动，对建筑的破坏性较小；而S波传播速度虽然更慢，但其却能引起地面的横向震动，对建筑物危害性极大，因此可以将S波的到达时间认作破坏性地震的到达时间。基于此，很容易计算得到地震预警的倒计时估计时间：
Figure 368302DEST_PATH_IMAGE013
；
其中
Figure 360529DEST_PATH_IMAGE014
指预警终端计算得到的预警倒计时估计时间；
Figure 118269DEST_PATH_IMAGE015
指S波到达预警终端处的时间
Figure 828736DEST_PATH_IMAGE016
为预警终端接收到预警信息的时间；
Figure 681024DEST_PATH_IMAGE017
指地震发生的时间；Distance为上文计算的装置和震源之间的距离，
Figure 917970DEST_PATH_IMAGE018
指S波的传播速度，取3.55Km/s。
在烈度估算以及震感评估方面，本发明综合本地信息和订阅信息对装置所处区域进行烈度估计并基于中国地震烈度标准GB/T 17742-2020进行相应的震感评估工作。其中，装置本地烈度与震中距和震级都有关系，依据椭圆烈度衰减模型，通过LM非线性拟合方法对过去几十年间苏沪附近地震等震线数据进行拟合，可以得到如下地震烈度衰减关系：
Figure 456399DEST_PATH_IMAGE019
；
式中，
Figure 529528DEST_PATH_IMAGE020
为椭圆烈度衰减模型于等震线长轴处的衰减烈度值；
Figure 77184DEST_PATH_IMAGE021
为长轴震中距；M为震级；
Figure 903058DEST_PATH_IMAGE022
为该模型于等震线短轴处的衰减烈度值；
Figure 251868DEST_PATH_IMAGE023
表示短轴震中距。
依据上式，可以通过震中距和当前震级计算各个装置本地的估计烈度，配合中国地震烈度标准GB/T 17742-2020可以对当前位置的震感进行概念性的估计。本发明通过阈值分段方法，将烈度标准中的12个等级根据人的体感进行了对应的划分。其中，烈度IV度以下可以认为震感较弱，影响较小；V~VIII度可认为有明显震感，此时周围少量建筑被破坏；IX~X度可认为震感强烈，周围大量建筑损坏；XI~XII度则是毁灭性震感，山河裂变。
作为本发明的一种改进，所述步骤5中，配合基站实现小区用户中短信预警功能和音频预警广播功能。其中，小区范围内的居民可通过购买移动基站服务并配合该装置实现短信预警功能，其具体方法如下：首先，装置范围内的小区用户预留个人手机号码以订阅该服务；之后，预警装置将目标手机号码以资源文件的形式存储于FLASH中，供之后使用；当装置接收到平台发布的预警信息后，其通过访问服务商NSS(网络和通信子系统)的HLR(用户归属位置寄存器)数据库，获得资源文件中每个手机号码的大体位置信息；此时，判断目标用户是否处于小区范围内，若否且其处于等距离震源较远的位置时则取消向该号码发布预警短信，若是则可通过周围基站应用TDOA算法判断手机号码的具体位置，配合小区内的建筑位置等信息，获知手机号周围的环境状态并发布针对性的短信预警信息(室内则提醒注意找好掩体、室外则提醒远离大型建筑并至空旷地)，其中TDOA定位方法细节如下：
Figure 671348DEST_PATH_IMAGE025
；
以三个基站(基站1、基站2、基站3)为例，式中，x和y为对应手机号的坐标，
Figure 147329DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 578441DEST_PATH_IMAGE027
分别为三个基站的坐标，cv为电磁波波速
Figure 989831DEST_PATH_IMAGE028
则分别为手机信号到达基站1、基站2、基站3的时间，
Figure 755662DEST_PATH_IMAGE029
则分别为手机与基站1、基站2、基站3之间的距离。通过该方法可以较为精确地计算出当前的手机位置信息，配合小区内的建筑信息可以判断用户是否在建筑内。此时利用装置内的EC20模块，通过AT指令配置相关服务并编辑内容将短信发送到对应手机号内。其中，短信的内容包括预警时间、震源位置、震感估计以及行动建议(室内提醒找好掩体、室外提醒远离建筑)。
针对预警终端的倒计时估计时间预警，该发明提出了一种时间补偿策略。首先预警终端需要定时（一天）与预警发布平台进行时间同步，由预警终端发布同步信号，预警平台接收并进行回复，同步方法细节如下：
Figure 645120DEST_PATH_IMAGE030
；
其中
Figure 694854DEST_PATH_IMAGE031
分别表示预警平台服务器接收同步信号的时刻、预警终端发布同步信号的时刻、预警平台和预警终端之间的时间偏差、同步信号传播延迟、预警终端接收回复信号的时刻、预警平台发布回复信号的时刻、回复信号的传播延迟、总延迟。可以认为同步信号传播延迟和回复信号传播延迟相同，此时得到：
Figure 401779DEST_PATH_IMAGE032
；
其中，
Figure 530272DEST_PATH_IMAGE033
分别表示预警发布平台校正后的时间、预警发布平台校正前的时间、预警终端校正后的时间、预警终端校正前的时间。此时，可以进一步修正预警倒计时估计时间，具体内容如下：
Figure 98787DEST_PATH_IMAGE034
；
其中，
Figure 488180DEST_PATH_IMAGE035
分别表示预警终端待发布的实际预警时间、预警信息传播时间、程序运行时间、预警信息从平台发布的时间、预警信息于终端接收的时间、程序开始执行时间、程序执行结束时间。
针对小区范围内的音频预警广播功能，可通过SYN6658模块或是TN9525系列智能音柱实现。其中，装置可通过交换机或路由器与TN9525系列智能音柱连接通信，通过与其233网络端口建立TCP连接并发送对应指令帧以完成所需语音的合成及播放功能，其在发送前需要在指令帧末尾计算并添加消息体对应的CRC校验码，其规则采用CRC16-CCITT（选定的多项式为1021，初始值为0xffff）。若智能音柱返回值异常，则使用SPI总线连接的SYN6658模块，先判断其忙闲状态，再通过TextToSpeech功能发布对应预警信息的语音合成指令。所需播放的语音信息包括预警时间、震源位置、震感估计以及行动建议(远离建筑)。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的有益技术效果：
1、针对地震预警装置硬件实现问题，本发明提出了一种新的硬件选型方案，选择芯片N32926U1DN作为装置的MCU，配合TC58NVG1S3HTAI0实现数据和系统的存储功能，辅以以太网芯片RTL8201和RJ45网口51F-1202GYD2NL进行网络通信，使用MAX3232电平转换芯片得到RS-232串口电平并用于程序调试，同时还设计了mini PCIe接口用以连接移远通信的EC20模块，并通过SPI总线接口与SYN6658模块相连，硬件系统兼容且运行稳定。
2、针对地震预警装置软件实现问题，本发明提出了一种基于MQTT通信的预警播报方法。其利用EC20模块，通过AT指令获得装置的GNSS位置信息；之后与服务器建立HTTP连接，并下载所需资源文件；接着使用MQTT客户端与预警发布平台建立连接并订阅预警信息；在接收到发布平台信息后，综合订阅信息及本地信息，获得各预警装置的特色化预警信息，包括经纬度信息与距离信息的转化、地震预警时间的估计、烈度估算、震感评估及行动建议；最后配合基站实现小区用户中短信预警功能和音频预警广播功能，能够以高效率完成预警信息的获取和预警工作。
附图说明
图1是该装置设备硬件结构图；
图2是该装置设备软件流程图；
图3是该装置与各平台之间的连接关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案如下：一种面向小区地震预警的装置，所述装置包括以下硬件单元组件：
单元组件一：MCU采用新唐科技N32926U1DN，并配合东芝的NANDFLASH存储芯片TC58NVG1S3HTAI0；
单元组件二：使用芯片MAX3232电平转化芯片；
单元组件三：使用电压型PHY芯片RTL8201F配合RJ45网络变压器51F-1202GYD2NL；
单元组件四：MCU引出MiniPCIe接口引脚、I2C总线接口引脚、SPI总线接口引脚；
单元组件五：使用移远通信EC20 R2.1模块、TN9525系列音柱与SYN6658模块。
其控制关系如图1所示，MCU作为设备的核心，其与NAND FLASH芯片连接作系统烧录和数据存储；通过SPI总线与语音合成模块SYN6658进行数据通信，控制音频预警信息的产生；此外，还通过Mini PCIe总线与EC20 R2.1模块建立通信，通过AT指令实现定位功能和预警短信发布功能；其还通过以太网模块，外接网口变压器实现与预警平台和智能音柱的通信；此外，其还预留了多个I2C接口和GPIO接口，用于之后设备功能的拓展。
如图1所示，本发明提出了一种基于arm芯片的地震预警终端装置硬件设计方案，该其具体内容如下：
(1)MCU采用新唐科技N32926U1DN，并配合东芝的NAND FLASH存储芯片TC58NVG1S3HTAI0；
本装置采用新唐科技嵌入式Linux芯片N32926U1DN，配合东芝的NAND FLASH存储芯片TC58NVG1S3HTAI0实现系统内核烧录和资源存储，两芯片间采用NAND Interface相连，包括8个I/O引脚(ND0~ND7)、5个使能信号引脚(地址锁存使能ALE、命令锁存使能CLE、读使能RE、写使能WE、片选使能CE)、1个状态引脚R/B、1个写保护引脚NWP。
(2) 使用芯片MAX3232电平转化芯片；
本装置采用MAX3232电平转化芯片实现串口的TTL电平和RS-232电平转化，实现了一路外部设备通信串口和一路芯片调试串口的电平转化，同时采用ESD二极管PESD1CAN实现两路串口的静电防护。
(3) 使用电压型PHY芯片RTL8201F配合RJ45网络变压器51F-1202GYD2NL；
本装置使用PHY芯片RTL8201F并配合RJ45网口51F-1202GYD2NL实现电压型PHY接法的以太网模块。其中，MCU通过管理数据时钟接口MDC和管理数据输入输出接口MDIO对PHY芯片进行对应寄存器的管理，并将接收数据有效引脚RXDV以4.7KΩ电阻上拉，设置芯片为RMII简化媒体独立接口模式与MCU的MAC相连，通过TX+、TX-、RX+、RX-这四条差分传输脚与网口变压器相连，接入RJ45连接器中，由于51F-1202GYD2NL自带Magnetics网络变压器模块，因此无需额外的网络变压器。
(4) MCU引出Mini PCIe接口引脚、I2C总线接口引脚、SPI总线接口引脚；
本装置引出了Mini PCIe接口引脚、I2C总线接口引脚、SPI总线接口引脚。其中Mini PCIe总线接口用于与移远通信EC20模块相连接，其通过网络系统标识接口UIM与SIM卡相连，供设备进行4G联网以及短信发送使用；SPI接口与I2C均通过上拉电阻直接与MCU相连，其中SPI接口用于连接SYN6658模块，用于设备的语音合成功能、I2C总线用于连接BMA250模块，用于获取装置的三轴加速度值。
(5) 使用移远通信EC20 R2.1模块、TN9525系列音柱与SYN6658模块；
本装置使用移远通信EC20 R2.1模块、TN9525系列音柱与SYN6658模块。其中EC20R2.1模块通过Mini PCIe总线连接器与MCU及SIM卡相连，并外接GNSS天线与4G天线用于设备的定位和入网；TN9525系列智能音柱通过网络与设备相连，用于TextToSpeech功能以及音频播报功能；SYN6658模块通过SPI总线接口与MCU相连，用于语音合成及播放。
实施例2：如图2所示，一种面向小区地震预警的装置的播报方法，包括以下步骤：
步骤1：使用AT指令获得装置GNSS位置信息；
步骤2：与服务器建立HTTP连接，并下载所需资源文件；
步骤3：使用MQTT客户端与预警发布平台建立连接并订阅预警信息；
步骤4：处理订阅及本地信息，获得各预警装置的特色化预警信息；
步骤5：配合基站实现小区用户中短信预警功能和音频预警广播功能。
该方案提出了一种基于MQTT通信的地震预警终端装置软件设计方案，该其具体内容如下：
(1) 使用AT指令获得装置GNSS位置信息；
本装置使用AT指令获得装置GNSS位置信息。首先，针对EC20 R2.1模块需对版本号为2.6.35的Linux内核源码进行修改，为PCIe总线添加包括串口、Gobinet等驱动在内的程序；之后通过USB串口设备的读写操作实现对EC20模块的读写命令控制；最后通过写入AT命令依次执行配置GNSS参数、开启GNSS、获取定位信息、关闭GNSS等指令。此时在将获取的位置信息从字符串类型转换为浮点型时，其经纬度信息为均为度分格式，即纬度格式ddmm.mmmm、经度格式dddmm.mmmm，将其格式转换为度：
Figure 241373DEST_PATH_IMAGE036
式中，
Figure 231063DEST_PATH_IMAGE037
为度分格式的经纬度数据、
Figure 727904DEST_PATH_IMAGE038
为度格式的经纬度数据，而
Figure 502962DEST_PATH_IMAGE039
为两式之间的中间变量，其通过将度分格式除以100并将结果向下取整得到经纬度的整数部分。
(2) 与服务器建立HTTP连接，并下载所需资源文件；
本装置与服务器建立HTTP连接，并下载所需资源文件。其中，在装置第一次启动时，通过shell脚本控制启动程序，令装置通过HTTP协议发送GET请求从地震预警发布平台处直接下载得到所需的音频资源文件，并将其存放于内存文件系统目录/tmp中，以占用内存空间的方法节省了FLASH的空间。
(3) 使用MQTT客户端与预警发布平台建立连接并订阅预警信息；
本装置使用MQTT客户端与预警发布平台建立连接并订阅预警信息。其中，装置设备作为整个系统的订阅端，订阅地震预警相关信息的Topic内容，从代理服务器Broker中订阅得到预警平台所发布的预警信息，其信息内容包括当前地震的经纬度信息、震级信息、震源深度信息等。为了处理及应对各种网络异常，本发明针对MQTT客户端的断线重连功能进行了改进，其以shell脚本的形式对装置应用程序进行管理，判断其运行状态，当应用程序因网络问题而异常终止后，该 shell脚本负责进行网络的重新连接，其使用一种基于幂指数的时间间隔控制方法，实现对网络的按时重连，其规则如下，单位为秒：
Figure 771263DEST_PATH_IMAGE040
；
式中，
Figure 139927DEST_PATH_IMAGE041
为下一次尝试网络重连的时间间隔，kre为本次网络异常时间脚本尝试重连的次数。
(4) 处理订阅及本地信息，获得各预警装置的特色化预警信息；
本装置还能处理订阅及本地信息，获得各预警装置的特色化预警信息。其具体内容包括装置本地的经纬度信息与距离信息的转化、地震预警时间的估计、烈度估算以及震感评估。其中，针对经纬度信息与距离信息的转化，本发明将地球视为一个正球体，
此处假设预警装置A的经纬度信息为
Figure 33934DEST_PATH_IMAGE007
,震源位置B的经纬度信息为
Figure 804444DEST_PATH_IMAGE008
，此时采用弧度制，根据三角推导计算可以得到预警装置A和震源位置B的距离公式如下：
Figure 742182DEST_PATH_IMAGE042
式中，
Figure 722776DEST_PATH_IMAGE011
分别为预警装置A的经度、预警装置A的纬度、震源位置B的经度、震源位置B的纬度，其经纬度格式采取度格式,
Figure 295840DEST_PATH_IMAGE012
为计算过程中的中间变量，R为地球的平均半径，其值为6371.004km，Distance为计算所得出的预警装置和震源位置之间的距离，单位为km；
基于装置和震源之间的距离信息，可以进一步计算地震预警的倒计时估计时间，其由地震波到达时间与预警发布平台信息传输到达时间的时差来实现。其中地震波指的是地震横波即S波，虽然地震纵波P波的传播速度更快，但其仅导致地面的上下震动，对建筑的破坏性较小；而S波传播速度虽然更慢，但其却能引起地面的横向震动，对建筑物危害性极大，因此可以将S波的到达时间认作破坏性地震的到达时间。基于此，很容易计算得到地震预警的倒计时估计时间：
Figure 530643DEST_PATH_IMAGE013
；
其中
Figure 796540DEST_PATH_IMAGE014
指预警终端计算得到的预警倒计时估计时间；
Figure 733272DEST_PATH_IMAGE015
指S波到达预警终端处的时间
Figure 749507DEST_PATH_IMAGE016
为预警终端接收到预警信息的时间；
Figure 963451DEST_PATH_IMAGE017
指地震发生的时间；Distance为上文计算的装置和震源之间的距离，
Figure 524882DEST_PATH_IMAGE018
指S波的传播速度，取3.55Km/s。
在烈度估算以及震感评估方面，本发明综合本地信息和订阅信息对装置所处区域进行烈度估计并基于中国地震烈度标准GB/T 17742-2020进行相应的震感评估工作。其中，装置本地烈度与震中距和震级都有关系，依据椭圆烈度衰减模型，通过LM非线性拟合方法对过去几十年间苏沪附近地震等震线数据进行拟合，可以得到如下地震烈度衰减关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；
式中，
Figure 434063DEST_PATH_IMAGE020
为椭圆烈度衰减模型于等震线长轴处的衰减烈度值；
Figure 473563DEST_PATH_IMAGE021
为长轴震中距；M为震级；
Figure 542014DEST_PATH_IMAGE022
为该模型于等震线短轴处的衰减烈度值；
Figure 523614DEST_PATH_IMAGE023
表示短轴震中距。
依据上式，可以通过震中距和当前震级计算各个装置本地的估计烈度，配合中国地震烈度标准GB/T 17742-2020可以对当前位置的震感进行概念性的估计。本发明通过阈值分段方法，将烈度标准中的12个等级根据人的体感进行了对应的划分。其中，烈度IV度以下可以认为震感较弱，影响较小；V~VIII度可认为有明显震感，此时周围少量建筑被破坏；IX~X度可认为震感强烈，周围大量建筑损坏；XI~XII度则是毁灭性震感，山河裂变。
(5) 配合基站实现小区用户中短信预警功能和音频预警广播功能；
本装置配合基站实现小区用户中短信预警功能和音频预警广播功能。其中，小区范围内的居民可通过购买移动基站服务并配合该装置实现短信预警功能，其具体方法如下：首先，装置范围内的小区用户预留个人手机号码以订阅该服务；之后，预警装置将目标手机号码以资源文件的形式存储于FLASH中，供之后使用；当装置接收到平台发布的预警信息后，其通过访问服务商NSS(网络和通信子系统)的HLR(用户归属位置寄存器)数据库，获得资源文件中每个手机号码的大体位置信息；此时，判断目标用户是否处于小区范围内，若否且其处于省外等距离震源较远的位置时则取消向该号码发布预警短信，若是则可通过周围基站应用TDOA算法判断手机号码的具体位置，配合小区内的建筑位置等信息，获知手机号周围的环境状态并发布针对性的短信预警信息(室内则提醒注意找好掩体、室外则提醒远离大型建筑并至空旷地)，其中TDOA定位方法细节如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
；
以三个基站(基站1、基站2、基站3)为例，式中，x和y为对应手机号的坐标，
Figure 903780DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 497703DEST_PATH_IMAGE027
分别为三个基站的坐标，cv为电磁波波速
Figure 951818DEST_PATH_IMAGE028
则分别为手机信号到达基站1、基站2、基站3的时间，
Figure 589473DEST_PATH_IMAGE029
则分别为手机与基站1、基站2、基站3之间的距离。通过该方法可以较为精确地计算出当前的手机位置信息，配合小区内的建筑信息可以判断用户是否在建筑内。此时利用装置内的EC20模块，通过AT指令配置相关服务并编辑内容将短信发送到对应手机号内。其中，短信的内容包括预警时间、震源位置、震感估计以及行动建议(室内提醒找好掩体、室外提醒远离建筑)。
针对预警终端的倒计时估计时间预警，该发明提出了一种时间补偿策略。首先预警终端需要定时（一天）与预警发布平台进行时间同步，由预警终端发布同步信号，预警平台接收并进行回复，同步方法细节如下：
Figure 129039DEST_PATH_IMAGE030
；
其中
Figure 783046DEST_PATH_IMAGE031
分别表示预警平台服务器接收同步信号的时刻、预警终端发布同步信号的时刻、预警平台和预警终端之间的时间偏差、同步信号传播延迟、预警终端接收回复信号的时刻、预警平台发布回复信号的时刻、回复信号的传播延迟、总延迟。可以认为同步信号传播延迟和回复信号传播延迟相同，此时得到：
Figure 216302DEST_PATH_IMAGE032
；
其中，
Figure 900224DEST_PATH_IMAGE033
分别表示预警发布平台校正后的时间、预警发布平台校正前的时间、预警终端校正后的时间、预警终端校正前的时间。此时，可以进一步修正预警倒计时估计时间，具体内容如下：
Figure 271294DEST_PATH_IMAGE034
；
其中，
Figure 721867DEST_PATH_IMAGE035
分别表示预警终端待发布的实际预警时间、预警信息传播时间、程序运行时间、预警信息从平台发布的时间、预警信息于终端接收的时间、程序开始执行时间、程序执行结束时间。
针对小区范围内的音频预警广播功能，可通过SYN6658模块或是TN9525系列智能音柱实现。其中，装置可通过交换机或路由器与TN9525系列智能音柱连接通信，通过与其233网络端口建立TCP连接并发送对应指令帧以完成所需语音的合成及播放功能，其在发送前需要在指令帧末尾计算并添加消息体对应的CRC校验码，其规则采用CRC16-CCITT（选定的多项式为1021，初始值为0xffff）。若智能音柱返回值异常，则使用SPI总线连接的SYN6658模块，先判断其忙闲状态，再通过TextToSpeech功能发布对应预警信息的语音合成指令。所需播放的语音信息包括预警时间、震源位置、震感估计以及行动建议(远离建筑)。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向小区地震预警的装置，其特征在于，所述装置包括以下硬件单元组件：
单元组件一：MCU采用新唐科技N32926U1DN，并配合东芝的NANDFLASH存储芯片TC58NVG1S3HTAI0；
单元组件二：使用芯片MAX3232电平转化芯片；
单元组件三：使用电压型PHY芯片RTL8201F配合RJ45网络变压器51F-1202GYD2NL；
单元组件四：MCU引出MiniPCIe接口引脚、I2C总线接口引脚、SPI总线接口引脚；
单元组件五：使用移远通信EC20 R2.1模块、TN9525系列音柱与SYN6658模块；
MCU为设备的核心，其与NAND FLASH芯片连接作系统烧录和数据存储；通过SPI总线与语音合成模块SYN6658进行数据通信，控制音频预警信息的产生；通过Mini PCIe总线与EC20 R2.1模块建立通信，通过AT指令实现定位功能和预警短信发布功能；MCU通过以太网模块，外接网口变压器实现与预警平台和智能音柱的通信。
2.根据权利要求1所述的一种面向小区地震预警的装置，其特征在于：所述单元组件一中，采用新唐科技嵌入式Linux芯片N32926U1DN，配合东芝的NANDFLASH存储芯片TC58NVG1S3HTAI0实现系统内核烧录和资源存储，两芯片间采用NANDInterface相连，包括8个I/O引脚即ND0~ND7、5个使能信号引脚即地址锁存使能ALE、命令锁存使能CLE、读使能RE、写使能WE、片选使能CE、1个状态引脚R/B、1个写保护引脚NWP；
所述单元组件二中，采用MAX3232电平转化芯片实现串口的TTL电平和RS-232电平转化，实现了一路外部设备通信串口和一路芯片调试串口的电平转化，同时采用ESD二极管PESD1CAN实现两路串口的静电防护。
3.根据权利要求1所述的一种面向小区地震预警的装置，其特征在于：所述单元组件三中，使用PHY芯片RTL8201F并配合RJ45网口51F-1202GYD2NL实现电压型PHY接法的以太网模块，其中，MCU通过管理数据时钟接口MDC和管理数据输入输出接口MDIO对PHY芯片进行对应寄存器的管理，并将接收数据有效引脚RXDV以4.7KΩ电阻上拉，设置芯片为RMII简化媒体独立接口模式与MCU的MAC相连，通过TX+、TX-、RX+、RX-这四条差分传输脚与网口变压器相连，接入RJ45连接器中。
4.根据权利要求1所述的一种面向小区地震预警的装置，其特征在于：所述单元组件四中，地震预警装置引出了MiniPCIe接口引脚、I2C总线接口引脚、SPI总线接口引脚,其中Mini PCIe总线接口用于与移远通信EC20模块相连接，其通过网络系统标识接口UIM与SIM卡相连，供设备进行4G联网以及短信发送使用；SPI接口与I2C均通过上拉电阻直接与MCU相连，其中SPI接口用于连接SYN6658模块，用于设备的语音合成功能、I2C总线用于连接BMA250模块，用于获取装置的三轴加速度值；所述单元组件五中，使用移远通信EC20 R2.1模块、TN9525系列音柱与SYN6658模块，其中EC20 R2.1模块通过Mini PCIe总线连接器与MCU及SIM卡相连，并外接GNSS天线与4G天线用于设备的定位和入网；TN9525系列智能音柱通过网络与设备相连，用于TextToSpeech功能以及音频播报功能；SYN6658模块通过SPI总线接口与MCU相连，用于语音合成及播放。
5.权利要求1-4任意一项所述的一种面向小区地震预警的装置的播报方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：使用AT指令获得装置GNSS位置信息；
步骤2：与服务器建立HTTP连接，并下载所需资源文件；
步骤3：使用MQTT客户端与预警发布平台建立连接并订阅预警信息；
步骤4：处理订阅及本地信息，获得各预警装置的特色化预警信息；
步骤5：配合基站实现小区用户中短信预警功能和音频预警广播功能。
6.根据权利要求5所述的面向小区地震预警的装置的播报方法，其特征在于：
步骤1中，使用AT指令获得装置GNSS位置信息,首先，针对EC20 R2.1模块需对版本号为2.6.35的Linux内核源码进行修改，为PCIe总线添加包括串口、Gobinet驱动在内的程序；之后通过USB串口设备的读写操作实现对EC20模块的读写命令控制；最后通过写入AT命令依次执行配置GNSS参数、开启GNSS、获取定位信息、关闭GNSS指令,此时在将获取的位置信息从字符串类型转换为浮点型时，其经纬度信息为均为度分格式，即纬度格式ddmm.mmmm、经度格式dddmm.mmmm，将其格式转换为度：
Figure 153820DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 477485DEST_PATH_IMAGE002
为度分格式的经纬度数据、
Figure 53960DEST_PATH_IMAGE003
为度格式的经纬度数据，而
Figure 121273DEST_PATH_IMAGE004
为两式之间的中间变量，其通过将度分格式除以100并将结果向下取整得到经纬度的整数部分。
7.根据权利要求6所述的一种面向小区地震预警的装置的播报方法，其特征在于：步骤2中，与服务器建立HTTP连接，并下载所需资源文件,其中，在装置第一次启动时，通过shell脚本控制启动程序，令装置通过HTTP协议发送GET请求从地震预警发布平台处直接下载得到所需的音频资源文件，并将其存放于内存文件系统目录/tmp中，以占用内存空间的方法节省了FLASH的空间。
8.根据权利要求7所述的一种面向小区地震预警的装置的播报方法，其特征在于：步骤3中，使用MQTT客户端与预警发布平台建立连接并订阅预警信息，其中，装置设备作为整个系统的订阅端，订阅地震预警相关信息的Topic内容，从代理服务器Broker中订阅得到预警平台所发布的预警信息，其信息内容包括当前地震的经纬度信息、震级信息、震源深度信息；当应用程序因网络问题而异常终止后，shell脚本负责进行网络的重新连接，其使用一种基于幂指数的时间间隔控制方法，实现对网络的按时重连，其规则如下，单位为秒：
Figure 840705DEST_PATH_IMAGE005
式中，
Figure 459906DEST_PATH_IMAGE006
为下一次尝试网络重连的时间间隔，
Figure 399043DEST_PATH_IMAGE007
为本次网络异常时间脚本尝试重连的次数。
9.根据权利要求8所述的一种面向小区地震预警的装置的播报方法，其特征在于：步骤4中，处理订阅及本地信息，获得各预警装置的特色化预警信息，其具体内容包括装置本地的经纬度信息与距离信息的转化、地震预警时间的估计、烈度估算以及震感评估；其中，针对经纬度信息与距离信息的转化，将地球视为一个正球体，此处假设预警装置A的经纬度信息为
Figure 4467DEST_PATH_IMAGE008
,震源位置B的经纬度信息为
Figure 470084DEST_PATH_IMAGE009
，此时采用弧度制，根据三角推导计算得到预警装置A和震源位置B的距离公式如下：
Figure 869972DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 794941DEST_PATH_IMAGE012
分别为预警装置A的经度、预警装置A的纬度、震源位置B的经度、震源位置B的纬度，其经纬度格式采取度格式,
Figure 63111DEST_PATH_IMAGE013
为计算过程中的中间变量，R为地球的平均半径，其值为6371.004km，Distance为计算所得出的预警装置和震源位置之间的距离，单位为km；基于装置和震源之间的距离信息，进一步计算地震预警的倒计时估计时间，其由地震波到达时间与预警发布平台信息传输到达时间的时差来实现，其中地震波指的是地震横波即S波，将S波的到达时间认作破坏性地震的到达时间，基于此，计算得到地震预警的倒计时估计时间：
Figure 258600DEST_PATH_IMAGE014
；
其中
Figure 219603DEST_PATH_IMAGE015
指预警终端计算得到的预警倒计时估计时间；
Figure 867753DEST_PATH_IMAGE016
指S波到达预警终端处的时间
Figure 814981DEST_PATH_IMAGE017
为预警终端接收到预警信息的时间；
Figure 255189DEST_PATH_IMAGE018
指地震发生的时间；Distance为上文计算的装置和震源之间的距离，
Figure 495415DEST_PATH_IMAGE019
指S波的传播速度，取3.55Km/s。
10.根据权利要求9所述的一种面向小区地震预警的装置的播报方法，其特征在于：步骤5中，配合基站实现小区用户中短信预警功能和音频预警广播功能，其中，小区范围内的居民通过购买移动基站服务并配合装置实现短信预警功能，其具体方法如下：首先，装置范围内的小区用户预留个人手机号码以订阅服务；之后，预警装置将目标手机号码以资源文件的形式存储于FLASH中，供之后使用；当装置接收到平台发布的预警信息后，其通过访问服务商NSS即网络和通信子系统的HLR即用户归属位置寄存器数据库，获得资源文件中每个手机号码的位置信息；此时，判断目标用户是否处于小区范围内，若否且其距离震源较远的位置时则取消向手机号码发布预警短信，若是则可通过周围基站应用TDOA算法判断手机号码的具体位置，配合小区内的建筑位置信息，获知手机号周围的环境状态并发布针对性的短信预警信息，其中TDOA定位方法细节如下：
Figure 755495DEST_PATH_IMAGE020
三个基站即基站1、基站2、基站3，式中，x和y为对应手机号的坐标，
Figure 506414DEST_PATH_IMAGE021
，分别为三个基站的坐标，cv为电磁波波速
Figure 410916DEST_PATH_IMAGE022
则分别为手机信号到达基站1、基站2、基站3的时间，
Figure 979300DEST_PATH_IMAGE023
则分别为手机与基站1、基站2、基站3之间的距离；针对预警终端的倒计时估计时间预警，设计一种时间补偿策略；首先预警终端需要定时与预警发布平台进行时间同步，由预警终端发布同步信号，预警平台接收并进行回复，同步方法细节如下：
Figure 336464DEST_PATH_IMAGE024
，
其中
Figure 750127DEST_PATH_IMAGE025
分别表示预警平台服务器接收同步信号的时刻、预警终端发布同步信号的时刻、预警平台和预警终端之间的时间偏差、同步信号传播延迟、预警终端接收回复信号的时刻、预警平台发布回复信号的时刻、回复信号的传播延迟、总延迟；认为同步信号传播延迟和回复信号传播延迟相同，此时得到：
Figure 273250DEST_PATH_IMAGE026
；
其中，
Figure 622323DEST_PATH_IMAGE027
分别表示预警发布平台校正后的时间、预警发布平台校正前的时间、预警终端校正后的时间、预警终端校正前的时间,此时，进一步修正预警倒计时估计时间，具体内容如下：
Figure 856995DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
分别表示预警终端待发布的实际预警时间、预警信息传播时间、程序运行时间、预警信息从平台发布的时间、预警信息于终端接收的时间、程序开始执行时间、程序执行结束时间。
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