基于IPv6和ARM9的地震烈度儀開發(fā)

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(wú)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(wú)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(cè)，解決了我國(guó)缺乏直接測(cè)定地震烈度儀器的問(wèn)題。

引 言

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(guò)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(lái)，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(guò)無(wú)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(wú)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(guò)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(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無(wú)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(wú)線網(wǎng)卡和通信距離達(dá)到1.2km的無(wú)線AP構(gòu)成通信鏈路，作為SI一2型地震烈度計(jì)的無(wú)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(guò)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(lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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)。