基于IPv6和無線網(wǎng)絡(luò)的地震烈度計(jì)開發(fā)

摘要：以低功耗微型電容式三軸向加速度傳感器作為傳感部件，采用基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)并定制Linux作為總控系統(tǒng)，選擇符合802．11b標(biāo)準(zhǔn)的無線通訊技術(shù)作為儀器的網(wǎng)絡(luò)接入方式，研制完成基于無線IPv6的SI一2型地震烈度計(jì)，實(shí)現(xiàn)了地震烈度的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化觀測，解決了我國缺乏直接測定地震烈度儀器的問題。
關(guān)鍵詞：IPv6；地震烈度；嵌入式系統(tǒng)；傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引 言
地震烈度是人們了解和研究地震的最早建立并用于描述地震影響強(qiáng)度的標(biāo)度。地震烈度的概念不僅在地震學(xué)和地震工程學(xué)領(lǐng)域中仍有著廣泛的應(yīng)用，而且在防震減災(zāi)的各個(gè)環(huán)節(jié)中繼續(xù)起著重要作用。顯然，最初人們用宏觀描述的方法評(píng)定一個(gè)地區(qū)遭受的地震影響程度存在局限性，因此在上世紀(jì)90年代全日本即實(shí)現(xiàn)了儀器測定地震烈度的實(shí)用化，現(xiàn)在日本發(fā)布的地震烈度等級(jí)是由地震烈度計(jì)測定的烈度。當(dāng)前國內(nèi)外已建設(shè)的城市地震災(zāi)害速報(bào)系統(tǒng)一般以地震烈度計(jì)觀測系統(tǒng)為主體。日本東京煤氣公司在1994年就完成了由331臺(tái)譜烈度計(jì)、20臺(tái)液化傳感器和5臺(tái)強(qiáng)震儀構(gòu)成的地震監(jiān)測與震害快速評(píng)估系統(tǒng)(SIGNAL)。阪神地震取得顯著的減災(zāi)效益后，東京煤氣公司于1997年～2007年的十年間布設(shè)了3 800個(gè)新型地震譜烈度計(jì)。
目前我國儀器測定地震烈度是通過強(qiáng)震儀觀測數(shù)據(jù)換算得到的。但強(qiáng)震儀結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，制造成本很高，不便于大規(guī)模布設(shè)，而大量應(yīng)用國外地震烈度測定儀器也不現(xiàn)實(shí)，因此自主開發(fā)我國適用的地震烈度傳感器很有必要。
近年來，傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和應(yīng)用已成為熱點(diǎn)。專業(yè)傳感元器件產(chǎn)品也在向小型化、高精度發(fā)展，傳感器的發(fā)展出現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化的新趨勢(shì)而非傳統(tǒng)的單純檢測功能。網(wǎng)絡(luò)傳感器以嵌入式微處理器為核心，集成了傳感器、信號(hào)處理器和網(wǎng)絡(luò)接口，由于引入了微處理器，采用了嵌入式技術(shù)和集成技術(shù)，使傳感器的體積減小，抗干擾性能和可靠性得到提高，同時(shí)提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性；網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的應(yīng)用，為系統(tǒng)的擴(kuò)充提供了極大的方便，具有便于遠(yuǎn)程操作、維護(hù)簡單、實(shí)時(shí)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。因此，嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在地震觀測領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。
鑒于此，新開發(fā)的SI一2型地震烈度計(jì)不只是一個(gè)單純的地震烈度檢測儀器，而是一個(gè)高度集成的網(wǎng)絡(luò)化傳感器，它集成了地震烈度感知器件、采集模塊、嵌入式處理器與存儲(chǔ)器、通信器件、嵌入式軟件系統(tǒng)等，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通訊、定位等功能，可以通過無線方式接入IPv6網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用SI一2型地震烈度計(jì)搭建的基于IPv6的地震傳感器示范網(wǎng)絡(luò)，在地震監(jiān)測預(yù)警、地震應(yīng)急快速響應(yīng)以及減輕地震災(zāi)害方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)架構(gòu)
基于IPv6的SI一2型地震烈度計(jì)的軟、硬件資源由加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊(A／D)，電源，嵌入式系統(tǒng)(CPU)，符合802．11b標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)卡，GPS，內(nèi)置測控軟件等模塊構(gòu)成。市場上現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)自帶的操作系統(tǒng)一般是Linux 2．4內(nèi)核，為支持IPv6須將操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行重新編譯，升級(jí)為2．6版本內(nèi)核。圖1所示是SI一2型地震烈度計(jì)的總體架構(gòu)。

2 主要部件選型
2．1 傳感部件
選用美國Freescale公司出品的MMA7260Q低功耗微型電容式三軸向加速度傳感器。傳感器自身具有信號(hào)調(diào)理、一階低通鋁箔和溫度補(bǔ)償、高靈敏度、低噪聲、低功耗、線性輸出、自檢等特點(diǎn)。測量范圍：+／-2 g，測量精度：O．2μg。
2．2 數(shù)據(jù)采集A／D
地震烈度通過測量加速度換算而得，依據(jù)中國地震烈度表，最大的地震烈度2 g對(duì)應(yīng)的加速度在200 cm／s2左右，采用10位A／D進(jìn)行采樣，其加速度分辨率為0．04 g，對(duì)應(yīng)的烈度分辨率為O．024度，遠(yuǎn)高于人們所能接受的精度。
2．3 嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)采用三星公司基于ARM微處理器的S3C2410X。S3C2410X采用6層板設(shè)計(jì)，使用ARM920T內(nèi)核，內(nèi)部帶有全性能的MMU(內(nèi)存處理單元)，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性。在盡可能小的板面上集成了64 MB SDRAM、64 MB NAND FLASH，1 MB BOOT FLASH，RJ 45網(wǎng)卡，USB Host，標(biāo)準(zhǔn)串口，SD卡插座等?？杉汕度胧綗o線局域網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。
2．4 定位模塊
選用的GPS模塊，接收特性：16通道，L1，C／A碼；自帶陶瓷天線；啟動(dòng)時(shí)間：冷啟動(dòng)45 s、溫啟動(dòng)38 s、熱啟動(dòng)2～8 s；精度2．5 m CEP；再捕獲1 s，1PPS；刷新頻率：4 Hz；內(nèi)置LNA；速度4 g。
2．5 通訊部件
考慮到地震行業(yè)地震觀測的實(shí)際需要，采用了符合IEEE802．11b的無線網(wǎng)卡和通信距離達(dá)到1.2km的無線AP構(gòu)成通信鏈路，作為SI一2型地震烈度計(jì)的無線通訊單元。
2．6 電源模塊
選用可充電的鋰電池組作為供電電源，便于長期重復(fù)使用。電池組容量為60 Ah。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
3．1 SI一2型地震烈度傳感器的IPv6化
ARM嵌入式系統(tǒng)自帶的操作系統(tǒng)一般是Linux2．4內(nèi)核的，為支持IPv6須將操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行重新編譯，升級(jí)為2．6版本內(nèi)核。但Linux 2．6內(nèi)核重編譯是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，具體步驟如下：
3．1．1 建立交叉編譯環(huán)境
在RedHat9的主機(jī)上進(jìn)行內(nèi)核移植開發(fā)，首先需要建立交叉編譯環(huán)境。由于2．6內(nèi)核中采用了一些新的特性和指令，需要采用較新的工具集。采用binutils一2．15，gcc一3．4．2，glibc一2．2．5，linux一2．6．8，glibc―linuxthreads-2．2．5來建立交叉編譯工具鏈，建立之后將工具鏈路徑加入系統(tǒng)路徑MYMPATH中。
3．1．2 內(nèi)核修改
Linux 2．6．11．7內(nèi)核加入了對(duì)S3C2410芯片的支持，不再需要任何補(bǔ)丁文件。修改內(nèi)核源碼中Makefile的交叉編譯選項(xiàng)ARCH=arm，CROSS COMPILE=arm―linux一。針對(duì)硬件配置，需要在arch／arm／mach―s3c2410／devs．c或者smdk2410．c中添加FLASH的分區(qū)信息s3c nand info。然后在s3c device nand中增加．dev={．platform data=s3c nand info}，在arch／arm／mach―s3c2410／mach―smdk2410．c中的initdata部分增加s3c device nand，使內(nèi)核在啟動(dòng)時(shí)初始化NAND FLASH信息。
3．1．3 內(nèi)核編譯加載
由于2．6內(nèi)核會(huì)根據(jù)本地系統(tǒng)配置進(jìn)行初始設(shè)置，可以導(dǎo)入內(nèi)核源碼默認(rèn)S3C2410的配置文件，方便加載內(nèi)核基本配置，然后再選擇所需選項(xiàng)。對(duì)MTD配置選擇支持MTD設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及NAND FLASH驅(qū)動(dòng)；選擇支持要用到的各類文件系統(tǒng)(DEVFS，TMPFS，CRAMFS，YAFFS，EXT2，NFS)以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議，本傳感器系統(tǒng)加載了網(wǎng)絡(luò)芯片CS8900以及USB支持；在H．264多媒體系統(tǒng)中還需要加載Frame buff―er以支持LCD顯示功能。使用交叉編譯工具編譯內(nèi)核源碼后，會(huì)在arch／arm／1boot／下生成名為zImage的內(nèi)核映像，在Boot loader的命令提示模式下使用下載命令完成內(nèi)核加載到開發(fā)板的存儲(chǔ)設(shè)備FLASH中。