基于IPv6和ARM9的地震烈度計開發(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，研制完成基于無線IPv6的SI一2型地震烈度計，實現(xiàn)了地震烈度的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化觀測，解決了我國缺乏直接測定地震烈度儀器的問題。

　　引 言

　    當(dāng)前國內(nèi)外已建設(shè)的城市地震災(zāi)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(gòu)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(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(jié)構(gòu)相對復(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(luò)研究和應(yīng)用已成為熱點。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)化的新趨勢而非傳統(tǒng)的單純檢測功能。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，同時提高了控制系統(tǒng)的實時性和可靠性;網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)的應(yīng)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(luò)技術(shù)在地震觀測領(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(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(luò)。應(yīng)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(luò)，在地震監(jiān)測預(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)置測控軟件等模塊構(gòu)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(nèi)核，為支持IPv6須將操作系統(tǒng)的內(nèi)核進行重新編譯，升級為2.6版本內(nèi)核。圖1所示是SI一2型地震烈度計的總體架構(gòu)。

　　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(diào)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(yīng)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(yīng)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(shè)計，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(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(gòu)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(fù)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(nèi)核的，為支持IPv6須將操作系統(tǒng)的內(nèi)核進行重新編譯，升級為2.6版本內(nèi)核。但Linux 2.6內(nèi)核重編譯是一個比較復(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的主機上進行內(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S3C2410芯片的支持，不再需要任何補丁文件。修改內(nèi)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(nèi)核在啟動時初始化NAND FLASH信息。

　　3.1.3 內(nèi)核編譯加載

　　由于2.6內(nèi)核會根據(jù)本地系統(tǒng)配置進行初始設(shè)置，可以導(dǎo)入內(nèi)核源碼默認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。對MTD配置選擇支持MTD設(shè)備驅(qū)動以及NAND FLASH驅(qū)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(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 地震烈度計主要硬件設(shè)備驅(qū)動

　　3.2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動

　　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)動程序drivers/net/arm/cs8900.h和cs8900.c，并且配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的Makefile和Kcon—fig文件，加入CS8900A的配置選項，這樣可以在內(nèi)核編譯時加載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動。

　　3.2.2 無線網(wǎng)卡驅(qū)動程序

　　從網(wǎng)上下載rt2x00的IPv4環(huán)境下的驅(qū)動程序，并針對該程序進行IPv6化改造，對其驅(qū)動程序進行修改，在系統(tǒng)重編譯的時候，將驅(qū)動程序加入到系統(tǒng)的內(nèi)核中。將無線網(wǎng)卡的驅(qū)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(qū)動程序。

　　3.3 地震烈度計終端的軟件設(shè)計

　　通訊傳輸軟件主要負責(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.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主動采集烈度傳感器的烈度值并上報給業(yè)務(wù)服務(wù)器;

　　(3)進行GPS時間校準(zhǔn);

　　(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(wù)服務(wù)器每隔10 min請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)請求、數(shù)據(jù)請求、歷史數(shù)據(jù)請求、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(jié)構(gòu)見圖2。