地震地声监测系统的设计

王轩力，孙立新

(山西工程技术学院信息工程与大数据系，山西 阳泉 045000)

0 前言

我们生活在一个不安宁的地球上，到如今地球已经46亿年的年纪，谁也不知道地球还能“活”多久。即使地球这么大年纪了，依然活力不减，地震、火山喷发时有发生，据统计每年发生的地震有好几百万次。

地震、火山喷发、海啸、暴风雨……,这些都是大自然对我们人类的考验，我们人类慢慢从未知到掌握这些自然灾害的特性，到现在可以提前预知，付出了几十年的时间。付出的是大量的时间、经济，更重要的是人的性命。在2004年印度洋海啸中死亡人数30万，而1976年我国的唐山大地震遇难同胞达到了24万之多。

地震的特点是频发的，而且时间短，破坏力强，预测困难。我们生活的地球有46亿年之久，人类在地球这么久时间里只占了很小的一点时间，对地球了解不多，特别是内部，而且地球还不是静止的，这么多内因和外因也就无法让我们真正了解清楚地震的原因，这也为预测地震带来了困难，所以地震预测至今仍然是个世界难题。

1 简介

由于地球是一直在运动的，所以大部分地震都是由于地球在自转当中，内部岩层相对运动所造成的,还有一部分是火山喷发引起的。

地震中为数最多的是浅源地震，发生于地壳内部。从成因上讲，多数为构造地震。地球内部的地壳不是完整一块的，所以在地球自转和外部其他一些应力的作用下，地壳会做相对运动，这样地壳弹性波动能形式释放出来，释放出来也就是地震了。这种解释只是人类的一种辩证和推理，具体的地震成因仍然没有完全了解。

我们中国人的哲学思想是自上而下的整体思想，正如中医看病理论，只用脉波就可以诊断出许多病，而不必了解清楚人体的构造和复杂的病因。同样的我们也可以通过地震发生前的一些特征来预测地震的发生，通过比较地震发生前的一些特征，地声这一特征被选择出来作为我们检测的目标。

本文研究的就是能够大面积推广的廉价的仪器、布置测声网络、捕获地声信息，为短临预报提供数据。

声音在空气中的传播速度要快于物体形变的速度，而且通过整理过去几次大地震资料可以发现，在地震前都会有强烈的声音从地下发出；还有就是在井下煤矿中，当冒顶事故前，会有相应的声音传出来。通过这些原理和事例，我们可以肯定，地声是地震发生的前兆，监测地声有很重要的实际意义。

1.1 地声

地声，顾名思义，也是一种声音，它是由于地球内部的运动或者外在一些因数刺激，是地壳运动所产生的，持续时间可长可短，有的像物体断裂，有的像炸药爆炸，有的像打雷。

地声的特征

•强度在0～30db范围；

•频率在0～200 Hz范围；

•以间歇性脉冲型出现，周期小于9 s；

•人耳能辨识最大距离大约为200 km。

2 系统设计

2.1 硬件设计

图1 系统框图

本系统框图如图1示所示，传感器选用武汉安全环保研究院的三轴向声发射探头。数据采集仪主要由前端信号调理电路、MSP430单片机组成。数据通信网络选用GPRS网，它的前部是基于GSM的无线移动网，后部是Internet网。这一选型设计使地声监测系统具有分布式、无线可移动、实时永远在线的特点。

1) 传感器选用武汉安全环保研究院的三轴向声发射探头。因为我们的世界是个三维立体，所以我们的传感器也要接收来自三个维度的信号，三轴向代表的是三个维度分别放置一个传感器，还有因为地声信号本身的低频特性，所以还要加上一个放大器。

2) 从传感器进来的信号，我们不能直接使用，因为当中有好多干扰信号，以及进入单片机的频率电压也在一定的范围内，综合考虑这些因素，需要设计前端调理电路，如图2所示。

图2 前端信号调理电路

低功耗和低成本是设计的地声监测系统的特点,这是根据地声监测的实际需求设计的，所以放大芯片的选择主要选低功耗、低成本的芯片，而且由于地声信号具有微弱信号的特点，本设计选用的放大芯片是TI公司生产的TLC2252A这个芯片。

3) 我们选用了一块MSP430的实验板，然后连接上我们的前端调理电路，传感器选用一个我们经常用的麦克风作为试验用。

通过观察与分析麦克风的原理，用麦克风前端的压电陶瓷(也叫做“咪”)作为传感器(它的工作原理类似人耳的工作原理，当有声音传到耳朵里的时候，震动耳膜产生机械运动，耳膜的机械运动就产生了人体的神经电流，通过和脑部连接的神经网传到人的中央控制中心----大脑)。当有声音传到这个“咪“中，声音震动“咪“中的振片，振片处在一个磁场中，当振片震动时就在磁场中来回运动，切割磁力线，连接振片的电路就产生一个电压，电压值和声音的强度成正比，电流的频率和声音的频率成正比。然后通过分析一些高灵敏度麦克风的电路，模仿它的放大与滤波电路，设计出自己的电路，通过比较采用积分放大与带通滤波组合的电路。

等实验成功了，我们再用武汉安全环保研究院的三轴向声发射探头作为现场的传感器。图3所示为整体下位机连接实物图，无线信号传输我们选用GPRS模块实现。

图3 下位机整体连接图

2.2 软件设计

软件设计主要包括：单片机上的软件设计和电脑上的软件设计两部分。

2.2.1 单片机上的软件开发

单片机上的软件：A/D转换程序；写串口程序；求5个最大值。

◆ 求最大值软件设计：因为本系统是对地震前兆地声的监测，也就是要知道地声的幅值的变化，所以我们不需要把地声信号波形复原，只要把10 s内A/D采回来的电压值取5个最大值进行发送就行，如果5个最大值超过了正常的地声信号电压伏值，则可以基本上判定有地震发生。这个程序可以放在单片机中实现。

◆ A/D转换：在A/D转换软件时，应按以下步骤实现A/D转换的过程。

1) 初始化ADC，置ADC120N=1。

2) 初始化通道。

3) 开始转换。

4) 转换结束，结果存到ADC12MEM0，中断位置位。

5) 从第三步开始循环，直到都转换完。

◆ 写串口程序设计：当MSP430一上电就按设定的时间间隔进行采样和往串口写数据，本程序主要实现把A/D转换后的电压值传到串口(RS232)。具体的实现是用到循环，是把A/D转换后的值和单片机内的工作电压的最高值比较，计算出具体的电压值，同时把电压值的每一位转换成ASCII码，然后把电压值的每位值依次传到串口。

2.2.2 电脑上的软件开发

上位机软件主要是网络通信软件，是基于TCP/IP通信程序。在通信开始前，客户端建立客户的套接字、服务器端建立服务器的套接字，通过各自的套接字和信息的绑定实现信息的交互。因为我们是用VC++编程，所以客户机和服务器都会调用VC++里面自带的套接字函数socket()，通过它建立自己的套接字。

最后在上位机上用VC++做了个界面，周围环境是安静时候，上位机没有收到任何数据，当有声音时候，上位机会收到不同的数值，数值大小代表不同的声音大小。如图4所示。

图4 上位机界面

3 总结

地震预报是众所周知的世界难题，这一难题至今尚未解决的主要原因之一是“时空信息不足”，不能在足够大的空间区域内，分布足够密集的观测点，获得实时的观测数据，也没有记录下足够长的时间范围内，采样间隔又足够小的观测数据。依靠传统的人工观测的方法是不可能采集到足够的数据，为地震预报提供依据的。本文设计的分布广、可移动、实时、低功耗的地震前兆地声无线监测系统，试图为“时空信息不足”的问题提供一种解决方案。