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(cè)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(cè)定的烈度。當(dāng)前國(guó)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(cè)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(cè)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(guó)儀器測(cè)定地震烈度是通過強(qiáng)震儀觀測(cè)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(guó)外地震烈度測(cè)定儀器也不現(xiàn)實(shí),，因此自主開發(fā)我國(guó)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)控軟件等模塊構(gòu)成,。市場(chǎng)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(guó)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(cè)量范圍：+／-2 g，測(cè)量精度：O．2μg,。

　　2．2 數(shù)據(jù)采集A／D

　　地震烈度通過測(cè)量加速度換算而得,，依據(jù)中國(guó)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(cè)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(zhǎng)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,。

　　3．1．4 文件系統(tǒng)定制

　　Linux采用文件系統(tǒng)來組織系統(tǒng)中的文件和設(shè)備，為設(shè)備和用戶程序提供統(tǒng)一接口,。Linux支持多種文件系統(tǒng),，本系統(tǒng)使用CRAMFS格式的只讀根文件系統(tǒng)，而將FLASH中的USER區(qū)使用支持可讀寫的YAFFS文件系統(tǒng)格式,，方便添加自己的應(yīng)用程序,。

　　3．2 地震烈度計(jì)主要硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)

　　3．2．1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)

　　系統(tǒng)中采用CS8900A的lO Mb／s網(wǎng)絡(luò)芯片，它使用S3C2410的nGCS3和IRQ_EINT9,，相應(yīng)修改linux／arch／arm／mach— s3c2410／irq．c,，并在roach—smdk24．10．c的smdk2410_iodesc[]中增加 {SMDK2410_ETH_IO，S3C2410_CS2,，SZ_1M,，MT_DEVICE}，內(nèi)核源碼中加入芯片的驅(qū)動(dòng)程序 drivers／net／arm／cs8900．h和cs8900．c,，并且配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Makefile和Kcon—fig文件,，加入 CS8900A的配置選項(xiàng)，這樣可以在內(nèi)核編譯時(shí)加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng),。

　　3．2．2 無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序

　　從網(wǎng)上下載rt2x00的IPv4環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序,，并針對(duì)該程序進(jìn)行IPv6化改造，對(duì)其驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行修改,，在系統(tǒng)重編譯的時(shí)候,，將驅(qū)動(dòng)程序加入到系統(tǒng)的內(nèi)核中。將無線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序作為一個(gè)模塊打包到操作系統(tǒng)中,，可避免系統(tǒng)掉電后每次都要重裝無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序,。

　　3．3 地震烈度計(jì)終端的軟件設(shè)計(jì)

　　通訊傳輸軟件主要負(fù)責(zé)完成傳感器與業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)之間的IPv6數(shù)據(jù)通信,，軟件功能如下：

(1)傳感器在成功接入到IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)后主動(dòng)．向業(yè)務(wù)服務(wù)器發(fā)送傳感器上線通知；
(2)傳感器在成功上線后每隔30 s主動(dòng)采集烈度傳感器的烈度值并上報(bào)給業(yè)務(wù)服務(wù)器,；
(3)進(jìn)行GPS時(shí)間校準(zhǔn),；
(4)進(jìn)行GPS定位(每隔8 min重新定位一次并上報(bào)定位數(shù)據(jù))；
(5)業(yè)務(wù)服務(wù)器每隔10 min請(qǐng)求一次傳感器配置參數(shù),；
(6)響應(yīng)業(yè)務(wù)服務(wù)器的配置參數(shù)請(qǐng)求,、數(shù)據(jù)請(qǐng)求、歷史數(shù)據(jù)請(qǐng)求,、是否在線響應(yīng),。
通訊軟件包括：GPS數(shù)據(jù)處理子程序，A／D數(shù)據(jù)采集子程序,，通訊子程序和傳感器配置文件,。對(duì)于不同的傳感器，需要修改配置文件中的傳感器IP,、傳感器ID和傳感器序列號(hào),。傳感器終端軟件結(jié)構(gòu)見圖2。

 　　4 性能指標(biāo)和功能特點(diǎn)

　　4．1 性能指標(biāo)

(1)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：IEE802．11b,，IEEE802．11g,，IPv4，IPv6,；
(2)通信頻率：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)動(dòng)態(tài)范圍：±4g；
(5)分辨率：±4mg,；
(6)工作距離：室內(nèi)40 m,，室外330 m，配合增益天線最大可達(dá)1 200 m
(7)功耗：≤1．5 W
(8)GPS定位精確度：水平：<6 m(50％),，<9 m(90％),，高度<11 m(50％),，<18 m(90％)，速度0．06 m／s,。

　　4．2 功能特點(diǎn)

(1)無線和有線方式均支持IPv6,；
(2)采用集成電路方式的傳感器，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),；
(3)入網(wǎng)自動(dòng)發(fā)現(xiàn),；
(4)GPS自動(dòng)定位、時(shí)間校準(zhǔn),。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　介紹了基于無線IPv6的SI一2型地震烈度計(jì)的技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),，該儀器建立在嵌入式Linux和ARM處理器的基礎(chǔ)上，集成了信息感知,、數(shù)據(jù)采集,、處理、供電,、定位,、通訊等功能，具有功耗低,、體積小,、成本低及便于布設(shè)等優(yōu)點(diǎn)。

　　隨著我國(guó)無線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和帶寬的提升,，國(guó)家和社會(huì)公眾對(duì)地震安全的重視，該儀器將在國(guó)家地震預(yù)警,、生命線工程自動(dòng)緊急處置,、地震立體觀測(cè)等系統(tǒng)建設(shè)以及震后應(yīng)急流動(dòng)加密觀測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，為減輕地震災(zāi)害損失做出重要貢獻(xiàn),。