CN203337834U - 地震波实时监测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种地震波实时监测装置及系统，地震波实时监测装置包括中央处理单元（21）、供电单元（22）、加速度传感器（23）、数字信号处理单元（24）、通信单元（25）、定位和授时单元（26），所述中央处理单元（21）分别与供电单元（22）、加速度传感器（23）、数字信号处理单元（24）、通信单元（25）、定位和授时单元（26）相连接，所述加速度传感器（23）还与数字信号处理单元（24）、供电单元（22）分别相连。本实用新型采用加速度传感器对地震波信息进行监测、采用单独的供电系统供电、采用移动通信网通信，打破了现有地震监测系统中由于供电和通信带来的局限，具有组网方便、覆盖范围广、成本低廉等优点。

Description

地震波实时监测装置及系统

技术领域

本实用新型涉及一种地震监测装置，具体涉及一种地震波实时监测装置及系统。

背景技术

2008年5月12日四川汶川地震、2010年4月14日玉树地震和2013年4月20日芦山地震给灾区人民的生命和财产造成了巨大损失。突如其来的强震大规模摧毁了现有的基础通信设施，中断了灾区与外界的通信联络，严重阻碍了抗震救灾工作的及时、全面开展；在抗震救灾现场，指挥及救援人员迫切盼望将现场的图像、语音以及相关的重要数据信息等实时传至指挥中心，使指挥决策人员提高决策的准确性和及时性，以增强对抗震救灾的快速反应能力。地震前的预警装置和地震后的通信装置具有非常重要的作用。

目前，我国使用的地震监测设备价格昂贵，其传输方式有限，在许多有线网络无法到达的地方无法进行监测；此外其供电也存在着局限，对于电网所不能达到的地方也无法实现监测，而且一旦地震发生灾区基础电力设施被破坏后，无法及时了解灾区情况。这些局限严重阻碍了地震监测工作。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种成本低廉、使用方便、覆盖范围广的地震波实时监测装置及系统，其使用加速度传感器对地震波进行实时监测，监测效果良好；并利用移动通信网进行信息的传输和预警，突破了有线网络带来的地域限制；且使用单独的供电单元供电，不依赖于基础电力设施。

为实现上述目的，本实用新型的地震波实时监测装置包括中央处理单元、供电单元、加速度传感器、数字信号处理单元、通信单元、定位和授时单元，上述中央处理单元分别与供电单元、加速度传感器、数字信号处理单元、通信单元、定位和授时单元相连接，上述加速度传感器还与数字信号处理单元、供电单元分别相连。本方案中，在中央处理单元的控制下，加速度传感器对该地震波实时监测装置所在监测点的水平、垂直三维立体空间的监测，将收集到的地震波数据保存并发送到数字信号处理单元，数字信号处理单元对加速度传感器采集到信号进行处理并通过通信单元发送到移动通信网中，从而转发给远程控制中心。定位和授时单元用于获取监测点的位置并保证监测信号的接受和发射方具有同频同相的同步时钟信号。供电系统用于满足设备日常供电，可以让该地震波实时监测装置设置在市电无法到达的地方，以及保证该地震波实时监测装置在地震损坏电力基础设施后继续正常工作。

作为本实用新型的进一步改进，上述供电单元为风能供电单元，包括依次相连的增速机、风力发电机、充电器和数字逆变器，充电器上还连接有蓄电池，蓄电池和数字逆变器均连接到中央处理单元和加速度传感器上。风能供电单元具有极高的自动化水平，可实施无人值守，能有效解决了市电不能到达的监测点的供电。

进一步，上述定位和授时单元包括北斗二代卫星信号接收芯片和北斗二代芯片模块。

为使加速度传感器产生的微小信号也能输出到数字信号处理单元，进一步，上述加速度传感器与数字信号处理单元之间还连接有放大器，用于将加速度传感器输出的电压信号放大后再输出到数字信号处理单元上进行模数转换等处理。

优选的，上述加速度传感器数量为2个，2个加速度传感器分别设置在该地震波实时监测装置所在的水平方向和竖直方向上，分别获得水平震动和垂直震动产生的信号。

优选的，上述加速度传感器为压电式晶体加速度传感器。

优选的，上述通信单元为GPRS通信模块，上述定位和授时单元采用BD-228 型号的GPS北斗双模模块。

优选的，上述数字信号处理单元采用德州仪器公司TMS320C6416型号的DSP芯片。

地震波实时监测系统，包括远程控制中心和至少一个监测中心，远程控制中心与监测中心通过移动通信网相连，监测中心安装有上述任一方案中的地震波实时监测装置。

进一步，上述监测中心还包括与地震波实时监测装置相连的传真机、电话机和数据终端，传真机、电话机和数据终端连接到数字信号处理单元上。

本实用新型的工作方式是：首先供电单元启动，为设备持续提供电源，远程控制中心利用北斗二代卫星定位和授时系统将全国各个监测中心的收发子系统都全部精确定位并接到北斗二代卫星时钟源上，然后利用2.5G网络链路发出信号通知整个系统开始工作。当整个系统开始工作时，每个监测中心的加速度传感器对监测中心进行水平和垂直三维空间的监测。当有震动发生时，监测中心的加速度传感器会产生加速度，并通过安装在监测中心的地震波实时监测装置的通信单元将信息传回远程控制中心。由于地震波是以弧形方式向外扩撒，接近弧形中心的地方先产生加速度和报警，远程控制中心根据震动点的位置通知其他监测中心，做好预防和撤离准备。

相对于现有技术，本实用新型具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型利用加速度传感技术来实现对监测中心的水平和垂直三维空间的加速度实时测量，能够及时感知地震波震动，并报警，便于提前做好预防和撤离准备；

2、本实用新型提供使用单独的供电单元供电，不依赖于基础电力设施，可以避免地震损坏电力基础设施后无法正常工作的问题和没有基础电力设施的地方无法监测的问题；

3、本实用新型将移动2.5G网络应用于地震实时监测系统，解决了有线通信网络不能到达的监测中心无法进行监测的问题，能及时为远程控制中心提供所有现场的监测中心的数据传送，还可以为监测中心提供电话通信、传真服务、数据传送服务、语音通信服务；

4、本实用新型首次在地震监测中使用北斗二代卫星定位和授时系统，解决了监测中心精确定位及其与远程控制中心时钟同步的问题，具有实时高精度定位能力；

5、本实用新型组网方便、覆盖范围广、成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为风能供电单元的结构示意图。

图例说明：1、远程控制中心； 2、监测中心； 21、中央处理单元；  22、供电单元；  221、增速机；  222、风力发电机；  223、充电器；  224、数字逆变器；  225、蓄电池；  23、加速度传感器；  24、数字信号处理单元；  25、通信单元；  26、定位和授时单元。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

【实施例1】

如图1所示，本实施例的地震波实时监测装置，包括对该地震波实时监测装置进行总体控制的中央处理单元21、用于满足设备用电的供电单元22、用于监测地震波信息的加速度传感器23、用于对加速度传感器23采集的地震波信息进行处理的数字信号处理单元24、用于发送和接收信息的通信单元25、用于精确定位并提供同频同相同步时钟信号的定位和授时单元26，上述中央处理单元21分别与供电单元22、加速度传感器23、数字信号处理单元24、通信单元25、定位和授时单元26相连接，上述加速度传感器23还与数字信号处理单元24、供电单元22分别相连。

本实施例中，加速度传感器23数量为2个，2个加速度传感器23分别安装在该地震波实时监测装置所在的水平方向和垂直方向，水平方向分为X轴和Y轴方向，垂直方向为Z轴方向，分别获得水平震动和垂直产生震动的信号。当有震动发生时，加速度传感器23内部由于加速度造成晶体变形，晶体变形产生微弱的电荷量，电荷使压电原件边界和节点边界上的导体充电得到电压。输出的电压信号送到数字信号处理单元24转换成数字信号。

中央处理单元1可采用嵌入式系统中常用的ARM板、FPGA、其他微处理器实现，供电单元2可单独采用风能供电单元或者太阳能供电单元，也可以是采用两种供电单元并存，其中一种是市电供电单元，另一种为风能供电单元或者太阳能供电单元，平常主要采用市电进行供电，在停电或市电不能到达的地方或者基础电力设施被损坏时采用风能或太阳能供电。

数字信号处理单元24主要完成将加速度传感器23发送至的模拟信号转换为数字信号。

通信单元25用于接入移动通信网，与远程控制中心进行通信和数据收发，其根据移动通信网的类型选择具体的类型和型号，例如移动通信网为TD-SCDMA网络，则通信单元25为相应的TD模块，依此类推选用。

【实施例2】

在实施例1的基础上，本实施例中的加速度传感器23为压电式晶体加速度传感器。数字信号处理单元24原本可以仅为一个简单地模数转换电路，由于震动强弱导致输出电压的强弱，为了使更弱的电压能输出，加速度传感器23与数字信号处理单元24之间还连接有放大器，增加放大器，加速度传感器23输出的电压信号通过放大器将电压进行放大，放大器将输入的信号放大送到数字信号处理单元24转换成数字信号。实际应用中，该放大器可以为单独的一个电路，也可以数字信号处理单元24的一部分，即数字信号处理单元24也可以包括信号调理电路，如增设放大电路、滤波电路等，对加速度传感器23发送至的模拟信号进行放大、滤波等处理。

【实施例3】

在实施例1或实施例2的基础上，本实施例中的地震波实时监测装置，其定位和授时单元26采用GPS定位和授时装置利用北斗二代卫星定位和授时系统进行定位和授时，具体包括用于卫星信号接收的北斗二代卫星信号接收芯片和用于定位授时的北斗二代芯片模块，北斗二代卫星信号接收芯片和北斗二代芯片模块相连，其中，北斗二代卫星信号接收芯片可采用北斗二代射频接收芯片RX1002，北斗二代芯片模块可采用BM3005型号的北斗二代RDSS基带处理芯片。

北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统CNSS（China Shipping Service）。第二代北斗卫星导航系统由4颗同步卫星、12颗中轨道卫星和9颗高轨道卫星，形成一个覆盖全球的庞大卫星网。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。其提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

本实施例中采用装置所采用的北斗二代卫星信号接收芯片和北斗二代芯片模块采用授权服务，定位精度达到2米，授时精度为20纳秒。可以使远程控制中心和地震波实时监测装置所在的监测点能够更加精确定位并具有同频同相的同步时钟信号。

【实施例4】

在上述实施例的基础上，本实施例的供电单元22为风能供电单元，包括依次相连的增速机221、风力发电机222、充电器223和数字逆变器224，上述充电器223上还连接有蓄电池225，上述蓄电池225和上述数字逆变器224均连接到中央处理单元21和加速度传感器23上。风力发电机222由机头、转体、尾翼、叶片组成，每部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。增速,221负责把叶片的转速提高到发电机额定转速，并调速使转速保持稳定，然后连接到发电机上。充电器223负责将风力发电机输出的13-25V变化的交流电进行整流，并对蓄电池225进行充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。数字逆变器224负责保护电路，把电瓶中的化学能转变成交流220V，保证了电流的稳定性并供本系统使用。蓄电池225负责电能贮存问题：蓄电池225将风力充足时设备发出的多余电能，保留无风天使用，解决了发电与用电时间不一致的问题。风能供电单元的工作原理是：在风力达到要求的时候，风力带动风力发电机222的叶片进行发电，增速机221启动给叶片增速并调整转速，风能发电机开始发电；发电机输出的13-25V变化的交流电通过充电器223是进行整流成直流电，并对蓄电池225进行充电；负责保护电路的数字逆变器224把电瓶中的化学能转变成交流220V输出。增速机221、风力发电机222、充电器223和数字逆变器224和蓄电池225均可采用现有风能发电领域常用的设备，本实施例中不再赘述其具体结构和连接方式。

上述数字信号处理单元24采用TI（德州仪器）公司TMS320C6416型号的DSP芯片，上述定位和授时单元26采用BD-228 型号的GPS北斗双模模块。

TMS320C6416采用26脚BGA(Ball Grid Array)封装，其时钟频率达600MHz，最高处理能力为4800MIPS，内核有6个32/40bit的ALU(Arithmetic Logic Unit),每个时钟周期可以执行8条指令,所有指令都可以条件执行，具有Viterbi译码协处理器和Turbo译码协处理器功能。信号经过射频接收、A/D转换、中频处理后的数据送到FPGA/ASIC（Field Programmable Gate Array/ Application Specific Integrated Circuit），FPGA/ASIC完成码片速率级处理等；然后送到DSP，DSP主要进行第二次解交织、物理信道合并、传输信道解复用、解速率匹配、合并无线帧、第一次解交织、Viterbi译码/Turbo译码、去CRC校验比特、FP帧组成等符号速率级算法处理。DSP的EMIFB(External Memory Interface B)异步接口连接到FPGA/ASIC，用来控制FPGA/ASIC并读取解调后的数据；DSP的HPI(Hardware Platform Interface)接口连接到中央处理单元1，中央处理单元1通过HPI下发信道的建立、删除等命令；DSP的64bit宽的EMIFA接口连接到一个外部SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)，用来缓存处理过程中的中间数据；UTOPIA接口连接到接口电路，把FP(Frame Protocol)帧转换成ATM(Asynchronous Transfer Mode)信元进而送到RNC(Radio Network Controller)进行上层业务处理。实际应用中，上述中央处理单元1、数字信号处理单元24、定位和授时单元26也可以根据实际需求选用其他的型号的芯片或模块，并不局限于本实施例提供的型号。

【实施例5】

地震波实时监测系统，包括远程控制中心1和至少一个监测中心2，上述远程控制中心1与监测中心2通过2.5G移动通信网相连，上述监测中心2安装有上述任一实施例中的地震波实时监测装置，且地震波实时监测装置的通信单元5为GPRS通信模块，该GPRS通信模块可以采用型号为SIM900A的双频GSM/GPRS模块，其工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。2.5G（Generation）移动通信网是基于2G（Generation）与3G（Generation）之间的过渡类型,比2G在速度、带宽上有所提高。目前已经进行商业应用的2.5G移动通信技术是从2G迈向3G的衔接性技术，突破了2G电路交换技术对数据传输速率的制约，引入了分组交换技术，从而使数据传输速率有了质的突破，是一种介于2G与3G之间的过度技术。在2.5G技术中，数据应用完全由通用信息包无线电服务GPRS（General Packet Radio Service）控制。通过在众多用户之间共享14.4kbps GSM（Global System of Mobile）信道带宽，它实现了较高的通信速率。在2.5G网络系统中，检测中心2发出的信号通过中央处理单元21发送到无线基站。在基站中经过射频接收、中频处理、RAKE接收，然后进行信道解复用、解交织和Viterbi/Turbo译码处理。然后信号通过2.5G网络传送到远程控制中心1。本实施例中，将移动2.5G网络应用与中央处理单元21和数字信号处理单元24结合，让其具有通信功能，能与外网进行互联互通。监测中心2还包括与地震波实时监测装置相连的传真机、电话机和数据终端，本实施例中该数据终端是指计算机，传真机、电话机和数据终端连接到数字信号处理单元24上，为用户提供电话通信、传真收发和数据传输等业务。

电话/传真业务：通过中央处理单元21和语音网关，将信号转换成IP数据，接入2.5G网络，实现远程控制中心1与监测中心2之间电话/传真业务的传输。

数据传输业务：监测到的数据通过中央处理单元21直接接入2.5G网络传输终端，通过2.5G网络传输通道，实现远程控制中心1与监测中心2之间数据业务的传输。

实际应用中，可以根据该监测中心2所处位置的网络覆盖情况选择远程控制中心1和监测中心2的通信网络，例如但不限于2G移动通信网、3G移动通信网，甚至扩展到今后的4G、LTE移动通信网，通信单元5也相应变更为与通信网络相适应的模块，具体型号也可以根据使用需求、成本等具体要求选择。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.地震波实时监测装置，包括中央处理单元（21）、供电单元（22），其特征在于，还包括加速度传感器（23）、数字信号处理单元（24）、通信单元（25）、定位和授时单元（26），所述中央处理单元（21）分别与供电单元（22）、加速度传感器（23）、数字信号处理单元（24）、通信单元（25）、定位和授时单元（26）相连接，所述加速度传感器（23）还与数字信号处理单元（24）、供电单元（22）分别相连。

2.根据权利要求1所述的地震波实时监测装置，其特征在于，所述供电单元（22）为风能供电单元，包括依次相连的增速机（221）、风力发电机（222）、充电器（223）和数字逆变器（224），所述充电器（223）上还连接有蓄电池（225），所述蓄电池（225）和所述数字逆变器（224）均连接到中央处理单元（21）和加速度传感器（23）上。

3.根据权利要求1所述的地震波实时监测装置，其特征在于所述定位和授时单元（26）包括北斗二代卫星信号接收芯片和北斗二代芯片模块。

4.根据权利要求1所述的地震波实时监测装置，其特征在于，所述加速度传感器（23）与数字信号处理单元（24）之间还连接有放大器。

5.根据权利要求1所述的地震波实时监测装置，其特征在于，所述加速度传感器（23）数量为2个，2个加速度传感器（23）分别设置在该地震波实时监测装置所在的水平方向和竖直方向上。

6.根据权利要求5所述的地震波实时监测装置，其特征在于，所述加速度传感器（23）为压电式晶体加速度传感器。

7.根据权利要求1所述的地震波实时监测装置，其特征在于，所述通信单元（5）为GPRS通信模块，所述定位和授时单元（26）采用BD-228 型号的GPS北斗双模模块。

8.根据权利要求1所述的地震波实时监测装置，其特征在于，所述数字信号处理单元（24）采用德州仪器公司TMS320C6416型号的DSP芯片。

9.地震波实时监测系统，包括远程控制中心（1）和至少一个监测中心（2），其特征在于，所述远程控制中心（1）与监测中心（2）通过移动通信网相连，所述监测中心（2）安装有如权利要求1至8任一所述的地震波实时监测装置。

10.根据权利要求9所述的地震波实时监测系统，其特征在于，所述监测中心（2）还包括与地震波实时监测装置相连的传真机、电话机和数据终端，所述传真机、电话机和数据终端连接到数字信号处理单元（24）上。

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