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(wǎng)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(wǎng)絡化的新趨勢而非傳統(tǒng)的單純檢測功能。網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)卡，USB Host，標準串口，SD卡插座等?？杉汕度胧綗o線局域網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡設備和協(xié)議，本傳感器系統(tǒng)加載了網(wǎng)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。
3.1.4 文件系統(tǒng)定制
Linux采用文件系統(tǒng)來組織系統(tǒng)中的文件和設備，為設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，方便添加自己的應用程序。
3.2 地震烈度計主要硬件設備驅動
3.2.1 網(wǎng)絡設備驅動
系統(tǒng)中采用CS8900A的lO Mb/s網(wǎng)絡芯片，它使用S3C2410的nGCS3和IRQ_EINT9，相應修改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}，內核源碼中加入芯片的驅動程序drivers/net/arm/cs8900.h和cs8900.c，并且配置網(wǎng)絡設備驅動的Makefile和Kcon—fig文件，加入CS8900A的配置選項，這樣可以在內核編譯時加載網(wǎng)絡設備的驅動。
3.2.2 無線網(wǎng)卡驅動程序
從網(wǎng)上下載rt2x00的IPv4環(huán)境下的驅動程序，并針對該程序進行IPv6化改造，對其驅動程序進行修改，在系統(tǒng)重編譯的時候，將驅動程序加入到系統(tǒng)的內核中。將無線網(wǎng)卡的驅動程序作為一個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)卡驅動程序。
3.3 地震烈度計終端的軟件設計
通訊傳輸軟件主要負責完成傳感器與業(yè)務服務系統(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)絡后主動.向業(yè)務服務器發(fā)送傳感器上線通知;
(2)傳感器在成功上線后每隔30 s主動采集烈度傳感器的烈度值并上報給業(yè)務服務器;
(3)進行GPS時間校準;
(4)進行GPS定位(每隔8 min重新定位一次并上報定位數(shù)據(jù));
(5)業(yè)務服務器每隔10 min請求一次傳感器配置參數(shù);
(6)響應業(yè)務服務器的配置參數(shù)請求、數(shù)據(jù)請求、歷史數(shù)據(jù)請求、是否在線響應。
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。傳感器終端軟件結構見圖2。
4 性能指標和功能特點
4.1 性能指標
(1)網(wǎng)絡通信協(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)動態(tài)范圍：±4g;
(5)分辨率：±4mg;
(6)工作距離：室內40 m，室外330 m，配合增益天線最大可達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
(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)境適應性強;
(3)入網(wǎng)自動發(fā)現(xiàn);
(4)GPS自動定位、時間校準。
5 結 語
介紹了基于無線IPv6的SI一2型地震烈度計的技術設計和實現(xiàn)，該儀器建立在嵌入式Linux和ARM處理器的基礎上，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、成本低及便于布設等優(yōu)點。