基于IPv6和ARM9的地震烈度计开发

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以低功耗微型电容式三轴向加速度传感器作为传感部件，采用基于ARM9的嵌入式系统并定制Linux作为总控系统，选择符合802.11b标准的无线通讯技术作为仪器的网络接入方式，研制完成基于无线IPv6的SI一2型地震烈度计，实现了地震烈度的网络化、数字化观测，解决了我国缺乏直接测定地震烈度仪器的问题。
　　引 言
　    当前国内外已建设的城市地震灾害速报系统一般以地震烈度计观测系统为主体。日本东京煤气公司在1994年就完成了由331台谱烈度计、20台液化传感器和5台强震仪构成的地震监测与震害快速评估系统(SIGNAL)。阪神地震取得显著的减灾效益后，东京煤气公司于1997年～2007年的十年间布设了3 800个新型地震谱烈度计。
　　目前我国仪器测定地震烈度是通过强震仪观测数据换算得到的。但强震仪结构相对复杂，制造成本很高，不便于大规模布设，而大量应用国外地震烈度测定仪器也不现实，因此自主开发我国适用的地震烈度传感器很有必要。
　　近年来，传感器网络研究和应用已成为热点。专业传感元器件产品也在向小型化、高精度发展，传感器的发展出现了智能化、网络化的新趋势而非传统的单纯检测功能。网络传感器以嵌入式微处理器为核心，集成了传感器、信号处理器和网络接口，由于引入了微处理器，采用了嵌入式技术和集成技术，使传感器的体积减小，抗干扰性能和可靠性得到提高，同时提高了控制系统的实时性和可靠性;网络接口技术的应用，为系统的扩充提供了极大的方便，具有便于远程操作、维护简单、实时监控等优点。因此，嵌入式系统和网络技术在地震观测领域已得到广泛应用。
　　鉴于此，新开发的SI一2型地震烈度计不只是一个单纯的地震烈度检测仪器，而是一个高度集成的网络化传感器，它集成了地震烈度感知器件、采集模块、嵌入式处理器与存储器、通信器件、嵌入式软件系统等，具有数据采集、数据存储、数据通讯、定位等功能，可以通过无线方式接入IPv6网络。应用SI一2型地震烈度计搭建的基于IPv6的地震传感器示范网络，在地震监测预警、地震应急快速响应以及减轻地震灾害方面有着广泛的应用前景。
　　1 系统架构
　　基于IPv6的SI一2型地震烈度计的软、硬件资源由加速度传感器，数据采集模块(A/D)，电源，嵌入式系统(CPU)，符合802.11b标准的无线网卡，GPS，内置测控软件等模块构成。市场上现有的嵌入式系统自带的操作系统一般是Linux 2.4内核，为支持IPv6须将操作系统的内核进行重新编译，升级为2.6版本内核。图1所示是SI一2型地震烈度计的总体架构。
　　




　　2 主要部件选型
　　2.1 传感部件
　　选用美国Freescale公司出品的MMA7260Q低功耗微型电容式三轴向加速度传感器。传感器自身具有信号调理、一阶低通铝箔和温度补偿、高灵敏度、低噪声、低功耗、线性输出、自检等特点。测量范围：+/-2 g，测量精度：O.2μg。
　　2.2 数据采集A/D
　　地震烈度通过测量加速度换算而得，依据中国地震烈度表，最大的地震烈度2 g对应的加速度在200 cm/s2左右，采用10位A/D进行采样，其加速度分辨率为0.04 g，对应的烈度分辨率为O.024度，远高于人们所能接受的精度。[next]2.3 嵌入式系统


　　嵌入式系统采用三星公司基于ARM微处理器的S3C2410X。S3C2410X采用6层板设计，使用ARM920T内核，内部带有全性能的MMU(内存处理单元)，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。在尽可能小的板面上集成了64 MB SDRAM、64 MB NAND FLASH，1 MB BOOT FLASH，RJ 45网卡，USB Host，标准串口，SD卡插座等。可集成嵌入式无线局域网设备，实现数据采集和无线传输。
　　2.4 定位模块
　　选用的GPS模块，接收特性：16通道，L1，C/A码;自带陶瓷天线;启动时间：冷启动45 s、温启动38 s、热启动2～8 s;精度


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4 性能指标和功能特点

　　4.1 性能指标
　　(1)网络通信协议：IEE802.11b，IEEE802.11g，IPv4，IPv6;
　　(2)通信频率：2.412～2.462 GHz;
　　(3)通信速率：54 Mb/s，48 Mb/s，36 Mb/s，
　　24 Mb/s，18 Mb/s，12 Mb/s，11 Mb/s，9 Mb/s，
　　6 Mb/s，5.5 Mb/s，2 Mb/s，1 Mb/s;
　　(4)动态范围：±4g;
　　(5)分辨率：±4mg;
　　(6)工作距离：室内40 m，室外330 m，配合增益天线最大可达1 200 m
　　(7)功耗：≤1.5 W
　　(8)GPS定位精确度：水平：<6 m(50%)，<9 m(90%)，高度<11 m(50%)，<18 m(90%)，速度0.06 m/s。
　　4.2 功能特点
　　(1)无线和有线方式均支持IPv6;
　　(2)采用集成电路方式的传感器，环境适应性强;
　　(3)入网自动发现;
　　(4)GPS自动定位、时间校准。
　　5 结 语
　　介绍了基于无线IPv6的SI一2型地震烈度计的技术设计和实现，该仪器建立在嵌入式Linux和ARM处理器的基础上，集成了信息感知、数据采集、处理、供电、定位、通讯等功能，具有功耗低、体积小、成本低及便于布设等优点。