基于IPv6和無線網絡的地震烈度計開發(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標準的無線通訊技術作為儀器的網絡接入方式，研制完成基于無線IPv6的SI一2型地震烈度計，實現(xiàn)了地震烈度的網絡化、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。
關鍵詞：IPv6；地震烈度；嵌入式系統(tǒng)；傳感器網絡

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度的標度。地震烈度的概念不僅在地震學和地震工程學領域中仍有著廣泛的應用，而且在防震減災的各個環(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定一個地區(qū)遭受的地震影響程度存在局限性，因此在上世紀90年代全日本即實現(xiàn)了儀器測定地震烈度的實用化，現(xiàn)在日本發(fā)布的地震烈度等級是由地震烈度計測定的烈度。當前國內外已建設的城市地震災害速報系統(tǒng)一般以地震烈度計觀測系統(tǒng)為主體。日本東京煤氣公司在1994年就完成了由331臺譜烈度計、20臺液化傳感器和5臺強震儀構成的地震監(jiān)測與震害快速評估系統(tǒng)(SIGNAL)。阪神地震取得顯著的減災效益后，東京煤氣公司于1997年～2007年的十年間布設了3 800個新型地震譜烈度計。
目前我國儀器測定地震烈度是通過強震儀觀測數(shù)據(jù)換算得到的。但強震儀結構相對復雜，制造成本很高，不便于大規(guī)模布設，而大量應用國外地震烈度測定儀器也不現(xiàn)實，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，傳感器網絡研究和應用已成為熱點。專業(yè)傳感元器件產品也在向小型化、高精度發(fā)展，傳感器的發(fā)展出現(xiàn)了智能化、網絡化的新趨勢而非傳統(tǒng)的單純檢測功能。網絡傳感器以嵌入式微處理器為核心，集成了傳感器、信號處理器和網絡接口，由于引入了微處理器，采用了嵌入式技術和集成技術，使傳感器的體積減小，抗干擾性能和可靠性得到提高，同時提高了控制系統(tǒng)的實時性和可靠性；網絡接口技術的應用，為系統(tǒng)的擴充提供了極大的方便，具有便于遠程操作、維護簡單、實時監(jiān)控等優(yōu)點。因此，嵌入式系統(tǒng)和網絡技術在地震觀測領域已得到廣泛應用。
鑒于此，新開發(fā)的SI一2型地震烈度計不只是一個單純的地震烈度檢測儀器，而是一個高度集成的網絡化傳感器，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、數(shù)據(jù)通訊、定位等功能，可以通過無線方式接入IPv6網絡。應用SI一2型地震烈度計搭建的基于IPv6的地震傳感器示范網絡，在地震監(jiān)測預警、地震應急快速響應以及減輕地震災害方面有著廣泛的應用前景。

1 系統(tǒng)架構
基于IPv6的SI一2型地震烈度計的軟、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標準的無線網卡，GPS，內置測控軟件等模塊構成。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內核，為支持IPv6須將操作系統(tǒng)的內核進行重新編譯，升級為2．6版本內核。圖1所示是SI一2型地震烈度計的總體架構。

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調理、一階低通鋁箔和溫度補償、高靈敏度、低噪聲、低功耗、線性輸出、自檢等特點。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對應的加速度在200 cm／s2左右，采用10位A／D進行采樣，其加速度分辨率為0．04 g，對應的烈度分辨率為O．024度，遠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層板設計，使用ARM920T內核，內部帶有全性能的MMU(內存處理單元)，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網卡，USB Host，標準串口，SD卡插座等。可集成嵌入式無線局域網設備，實現(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；啟動時間：冷啟動45 s、溫啟動38 s、熱啟動2～8 s；精度2．5 m CEP；再捕獲1 s，1PPS；刷新頻率：4 Hz；內置LNA；速度4 g。
2．5 通訊部件
考慮到地震行業(yè)地震觀測的實際需要，采用了符合IEEE802．11b的無線網卡和通信距離達到1.2km的無線AP構成通信鏈路，作為SI一2型地震烈度計的無線通訊單元。
2．6 電源模塊
選用可充電的鋰電池組作為供電電源，便于長期重復使用。電池組容量為60 Ah。

3 系統(tǒng)功能實現(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內核的，為支持IPv6須將操作系統(tǒng)的內核進行重新編譯，升級為2．6版本內核。但Linux 2．6內核重編譯是一個比較復雜的過程，具體步驟如下：
3．1．1 建立交叉編譯環(huán)境
在RedHat9的主機上進行內核移植開發(fā)，首先需要建立交叉編譯環(huán)境。由于2．6內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 內核修改
Linux 2．6．11．7內核加入了對S3C2410芯片的支持，不再需要任何補丁文件。修改內核源碼中Makefile的交叉編譯選項ARCH=arm，CROSS COMPILE=arm―linux一。針對硬件配置，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，使內核在啟動時初始化NAND FLASH信息。
3．1．3 內核編譯加載
由于2．6內核會根據(jù)本地系統(tǒng)配置進行初始設置，可以導入內核源碼默認S3C2410的配置文件，方便加載內核基本配置，然后再選擇所需選項。對MTD配置選擇支持MTD設備驅動以及NAND FLASH驅動；選擇支持要用到的各類文件系統(tǒng)(DEVFS，TMPFS，CRAMFS，YAFFS，EXT2，NFS)以及網絡設備和協(xié)議，本傳感器系統(tǒng)加載了網絡芯片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核源碼后，會在arch／arm／1boot／下生成名為zImage的內核映像，在Boot loader的命令提示模式下使用下載命令完成內核加載到開發(fā)板的存儲設備FLASH中。