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1遠程監控技術原理

目前國際上用于流動地震觀測臺站遠程監控的方式主要有因特網直接接入、基于手機通信網絡的無線傳輸、VSAT衛星通信等。目前中國具備因特網直接接入條件的野外流動臺站并不多，流動觀測中基于手機通信網絡的無線監控方式應用廣泛，但對于一些無接入條件的偏遠地區仍存在盲區。基于VSAT衛星通信的遠程監控理論上可覆蓋全球任何地點，在歐美國家應用廣泛，由于不菲的使用費用，目前中國流動地震觀測臺站使用極少。因此，對于無網絡接入條件的偏遠地區，中國流動地震觀測臺站一直處于離線觀測狀態。“北斗”系統是我國自主研發的衛星導航通信系統，兼有定位、通信、導航、授時功能，由“北斗一代”和“北斗二代”兩套系統組成。“北斗一代”具有的短報文通信功能是區別于國際上其他衛星導航系統的一個顯著特點，能夠提供用戶與用戶、用戶與中心控制系統間的雙向簡短數字報文通信，目前該系統已覆蓋包括中國在內的亞太地區大部（王家偉等，2013）。“北斗一代”目前已開放為軍民兩用系統，市場上已出現較為成熟的北斗通信模塊可供使用。不同于軍用系統，民用系統的通信頻度受到限制，在一個頻度內可傳送數據比特數也受到限制，因此僅適用于通信帶寬、頻度要求不高的通信領域。對于流動地震臺站的遠程監控，僅需傳送某些觀測狀態信息，并進行一些遠程控制，采用基于北斗通信的監控方式比較適合。這種監控方式類似手機的短消息功能，通過短消息承載通信內容來實現野外流動地震臺站的無盲區監控。此外，從國內觀測現狀及使用成本出發，在研制設備中加入GSM通信功能，也就是俗稱的手機短信通信方式。目前國內手機通信網絡的遠程監控主要基于GPRS/3G等數據通道，實際使用發現，在許多偏遠地區未提供數據通道服務，而GSM短信息服務可用。鑒于GSM短信方式較北斗通信方式經濟性更高，采用GSM及北斗雙系統通信方式，兼顧研制設備的使用成本和使用范圍。圖1是我們研制的流動地震臺站遠程監控系統的原理示意圖。如圖1所示，監控系統包括與監控服務器連接的監控主機和與觀測臺站設備連接的監控終端機兩部分組成，其中監控主機還可用便攜性更強的手持終端代替。監控主機管理多個遠程監控終端的參數配置、對終端機發送控制指令、對多個臺站的回傳信息進行數據管理。監控終端機負責與地震觀測設備通信，解讀觀測設備返回信息或對觀測設備進行操作控制，響應監控主機的指令；監控主機與監控終端之間的通信過程由GSM通信網絡或北斗衛星導航系統來承載。我們研制的監控系統可以設定為每天定時傳送流動地震臺站觀測狀態信息給監控主機或者隨時接受請求回傳觀測信息，還可以接受監控主機指令實現對臺站的遠程控制。通過遠程監控可以隨時了解觀測狀態，及時處理觀測過程中出現的問題。

2基于北斗通信的監控系統軟硬件設計

2.1硬件設計監控終端硬件設計見圖2，采用保定飛凌公司的ARM11核心板作為主控板，增加的外部資源包括：1個RJ45網口、2路RS232串口和1路TTL串口、1路系統調試串口、顯示用led燈2個，另外還包括GSM收發模塊、SD卡數據存儲模塊和電源管理單元等。各部分結構、連接關系及用途分別如下：GSM收發模塊：由GSM通信模塊1塊、與外接天線的連接線1根、SIM卡電路等組成，通過1路TTL串口與ARM核心板連接，用于實現基于GSM網絡的通信功能；LED顯示：由2個單色LED燈組成，采用2個led燈不同的組合及秒閃規律表示設備的工作狀態及過程；北斗通信接口：與ARM核心板連接的RS232接口，用于和北斗通信單元通信；電源管理模塊：為ARM核心板、GSM收發模塊、外接的北斗通信單元等提供電源服務，同時根據外接電源電壓高低進行通斷選擇（詳見2.1.1）；數據存儲模塊：為SD卡存儲設備，提供大容量存儲服務（可支持至16GB）；調試串口：調試ARM軟件系統所用接口；復用的數采通信/系統管理接口：由1路RJ45網口與1路RS232串口復用組成3種用途接口，分別用于與地震觀測設備的串口或網口通信以及對監控設備的系統交互和參數設置等（詳見2.1.2）。監控主機與監控終端的硬件設計部分完全一致，區別僅在軟件部分處理，考慮到使用便攜性，監控主機可采用北斗手持終端代替，手持終端可運行基于Android系統的應用程序或直接采用系統自帶的短信管理器。

2.1.1電源設計。野外流動地震觀測系統的電源設計部分要求設備功耗要盡可能的低，一套地震儀的功耗一般均低于5W，目前大部分流動觀測用的充電電源功耗一般不超過30W。北斗通信單元作為雙向通信系統（發射和接收），在信號發射時的功耗峰值遠超過30W，有時甚至會達到100W以上，如果不做處理是無法直接接在流動地震觀測系統的充電電路里。另外，北斗通信單元的待機功耗約5W，相對較高。因此，電源設計里必須解決北斗通信單元待機的高功耗和信號發射時的超高功耗問題。我們采用間歇性打開北斗通信單元電源的方式來降低其待機功耗，在每次信息傳送完畢后可關閉其電源。同時為了實現遠程控制，可設定為每天固定幾個時間段打開北斗通信模塊電源，還可根據要求遠程調整打開/關閉電源的時間段。相應的硬件設計主要在用ARM芯片3.3V的GPIO口通斷來控制北斗通信單元的12V電壓輸入的通斷，采用了可控硅芯片來設計實現。對于北斗通信在發射信號時的超高功耗問題，我們采取的方法是直接把監控設備連接在蓄電池上，目前野外常用蓄電池完全可勝任北斗通信模塊在信號發射瞬間的高功耗要求。同時，監控設備作為輔助性設備，為了避免其對蓄電池電量的無節制消耗而影響地震觀測主設備使用，我們設計了蓄電池輸入電壓檢測電路，當輸入電壓過低時切斷監控設備的電源供給，在電壓恢復正常時再重新恢復供給，確保觀測主系統的正常運行。

2.1.2復用的數采通信/系統管理接口。目前國內使用的流動地震觀測設備通信接口主要包括串口和網口兩種，而且隨著觀測技術發展，網口更有替代串口的趨勢。為了能夠兼容目前大部分的設備使用，我們在監控設備中同時支持串口和網口兩種通信方式，利用專用芯片以及ARM芯片的3.3VGPIO口電平高低控制來實現復用接口的功能選擇。在對監控設備監控參數的查看和修改方面，除了遠程無線方式，還實現了通過網口連接便攜式電腦登錄網頁的方式，這里用的網口與和數采設備通信的RJ45網口共用，采用不同的端口提供不同服務，使該路網口既可用于和數采設備連接通信，又可用作和便攜式電腦連接通信使用。

2.2軟件設計采用基于Linux操作系統的軟件設計方法，主要內容包括底層對系統引導程序bootloader和內核映像文件進行適當的修改來實現相應的硬件驅動和初始化以及在應用層設計多線程程序完成系統功能。應用層編程需要解決的主要問題包括地震觀測設備即地震數據采集器的協議解析、北斗通信協議解析以及由程序控制的具體實現。

2.2.1地震數據采集器的協議解析。以太網口作為通信接口是未來觀測設備的發展方向，也被目前市場上大部分地震數據采集器所采用，因此我們選擇以太網口作為缺省通信接口。網口通信協議多采用通用的TCP或UDP通信協議作為底層封裝，通過研究設備相關技術文檔結合socket編程解析該設備控制軟件傳送代碼即可掌握設備通信協議細則，目前我們的監控設備已加入Reftek系列地震數據采集器的全部通信協議。對于新類型的地震數據采集器，僅需在軟件上加入新的協議解析即可支持。對于串口作為通信接口的設備，通信協議實現方式與網口類似，所不同的是需要在監控設備參數設置里選取串口作為通信接口選擇。

2.2.2北斗通信數據傳送協議擬定。在“北斗一”開放給民用的通信協議里，通信頻度一般在分鐘級別，通信內容長度除去底層封裝協議以及通信模塊研發廠家的二次封裝后留給用戶可使用的信息長度一般不超過100個字節。基于這樣的低頻度、短報文的通信特點，在協議擬定時我們需要盡量壓縮傳送信息內容，同時確保每條信息具備相對的獨立性和完整性，方便遠端監控主機識別及處理。此外，為了手持終端使用方便，我們擬定的傳送協議做到了方便軟件處理的同時短信直接接收時可讀性也較強，專業操作人員通過收到的短信內容即可獲得重要字段信息。按照上述兩個原則擬定的傳送協議見表1，協議首尾部的底層包頭包尾為北斗通信模塊固定字段，指明了本條消息屬何種類型，如北斗信號強度查詢、SIM卡號查詢或者文本消息等；用戶地址為本通信模塊SIM卡號碼；信息類別指明本條消息的電文形式、通信方式及是否加密等；對端地址為對方通信模塊SIM卡號碼；電文長度為本條消息內容長度；是否應答提示信息接收方是否需對該信息做出何種應答；數采包類別為區分不同包內容設置，為可見ASCⅡ碼；數采包幀號為該類別數采包的子包序號，用于一條信息不夠編碼的數采包類型；數采時間為獲得該條信息的數采時間；包內容為對應數采包類別的具體內容；校驗和為該條信息的校驗信息碼。

2.2.3監控終端程序實現。多線程程序實現示意見圖3。如圖3所示，主要線程包括與數采交互的通信線程、與北斗模塊交互的通信線程及接受外部控制的網頁服務線程等，各線程間的同步采用信號燈方式實現。我們定義了發送緩存和接收緩存兩塊存儲空間，前者存放北斗模塊需發送的內容，由數采通信線程填充；后者存放北斗模塊接收到的指令或參數配置信息，由北斗通信線程填充。通過多線程協同對兩塊緩存空間操作完成整個通信過程。在數采通信線程里，首先根據參數配置確定通信端口為網口或是串口，之后對連接的數采進行種類識別；種類識別既可在參數配置里預置，也可選擇根據已有數采協議進行智能檢測；當判別數采有效后，檢查接收緩存空間是否有內容可供處理，當該內容經解析合法后直接與數采交互獲得所需信息，填入發送緩存等待北斗通信線程處理。在北斗通信線程里，首先進行北斗模塊初始化，獲取信號場強；當信號判定有效后接收北斗模塊的通信信息填入接收緩存供數采通信線程處理；之后檢查發送緩存非空時按北斗通信頻度發送其中內容。網頁服務線程的目的是對監控終端進行狀態查看、參數配置，采用輕量級的boa服務器結合cgi以及C語言編程實現。來自監控主機或手持終端的外部通信指令通過和北斗通信線程交互來實現經由監控終端對地震數據采集器的狀態查看、參數配置以及遠程控制等。

3實際使用

我們研制的監控設備在北京國家地球觀象臺白家疃基地進行了為期兩周的實驗工作，重點測試了低輸入電壓切斷功能、系統功耗、參數傳送和控制功能以及連續工作可靠性等，實驗期間一直正常連續工作，功能性測試基本通過。借助喜馬拉雅計劃二期工程，2014年10月初在內蒙古省阿拉善右旗的觀測臺站安裝兩臺監控設備進行實際測試（該地區附近有多個觀測臺站無監控設施），目前正常工作，每日定時回傳觀測設備運行狀態信息，設備的實際功能及性能基本達到設計要求，能夠滿足目前地震觀測監控需求。在實際使用中發現，由于北斗通信為分鐘級通信頻度，隨著外接終端數目增加較多時，單個北斗監控主機或手持終端的控制負擔就顯得較重，需要在未來考慮解決監控主機的帶寬問題。我們計劃在主機端采用多個北斗通信模塊組成一個監控主機組，采用輪詢方式使多個北斗模塊輪流工作來變相提高通信頻度以滿足潛在需求，相關工作已著手展開。

4結論

（1）基于北斗通信的流動地震觀測遠程監控系統，經實驗證明可連續穩定工作，基本滿足目前流動地震觀測需求，可實現國內觀測臺站無盲區遠程監控，對于提高流動地震觀測的工作效率和觀測質量具有重要意義。（2）考慮未來拓展監控深度，提供對觀測數據某些指標測算及監控功能。比如，可對觀測數據的功率譜、均方差等進行計算并回傳，對測算數據進行深度分析，發現一些觀測中隱藏的問題，同時便于快速評價觀測質量。（3）監控設備硬件接口適用于目前大多數地震觀測設備，在監控設備里加入觀測設備通信協議后即可使用，具備良好的推廣性。進一步而言，我們研制的監控終端對于一些可靠性要求較高的觀測需求，考慮到潛在的地震、火災等災難可能造成的物理鏈路損壞，可作為后備通信鏈路提供應急通信。

作者：許衛衛 單位：中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所