基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的地下田野文物監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 針對(duì)地下田野文物被盜過(guò)程中洛陽(yáng)鏟、爆炸等行為特點(diǎn)，提出基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的地下田野文物監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)埋藏于地表的多個(gè)地震檢波器，建立檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)，識(shí)別多種人為行為特點(diǎn)，區(qū)分是否是洛陽(yáng)鏟、爆炸等盜竊及損壞地下田野文物的行為，從而向控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下田野文物監(jiān)控的目的。
關(guān)鍵詞： 文物；監(jiān)測(cè)；檢波；微震

我國(guó)歷史悠久，古墓葬、地下遺址等地下田野文物資源豐富。我國(guó)地下田野文物監(jiān)管的現(xiàn)狀是：地下田野文物分布點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣，且所處位置大都較為偏僻，交通不便，地下田野文物管理人員數(shù)量少，巡查難度大，監(jiān)管技術(shù)落后。這給不法分子盜竊文物等違法行為以可乘之機(jī)，盜竊行為時(shí)有發(fā)生。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下田野文物保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)在目標(biāo)區(qū)域建立監(jiān)控系統(tǒng)，完成對(duì)震動(dòng)信號(hào)的采集、分析、判別，判斷是否有盜掘行為的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)田野文物監(jiān)控的目的。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是微地震研究的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，本設(shè)計(jì)是微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在文物監(jiān)控領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)用。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體概述
系統(tǒng)包含檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)、調(diào)理電路、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)三部分，如圖1所示。其中，檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)采集人為活動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)參數(shù)，并可多節(jié)點(diǎn)定位，調(diào)理電路完成對(duì)原始信號(hào)的放大、變換、濾波等處理，信號(hào)采集PCI卡通過(guò)工控機(jī)的PCI插槽完成對(duì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)經(jīng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)軟件分析、處理、判別后做出識(shí)別，通過(guò)有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)，遠(yuǎn)程控制中心收到報(bào)警，采取相應(yīng)措施。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)
檢波監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)嵭斜O(jiān)控，實(shí)質(zhì)是監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的各種震動(dòng)信號(hào)。
檢波監(jiān)測(cè)網(wǎng)由N個(gè)檢波監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，檢波監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)定。本設(shè)計(jì)采用HK20DX-10S系列地震檢波器作為檢波監(jiān)測(cè)設(shè)備。該系列地震檢波器采用引線簧結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、假頻高、耦合好等特點(diǎn)。該系列檢波器適合沼澤、淺海、丘陵、山地、戈壁等不同地表環(huán)境的工作。其技術(shù)指標(biāo)如下：自然頻率10±5%，開路阻尼系數(shù)0.3，閉路阻尼系數(shù)(并1 kΩ)0.7±5%，開路靈敏度0.28 V/（cm·s-1），閉路靈敏度（并1 kΩ）0.2±5%，線圈電阻395±5% Ω，并聯(lián)電阻后直流電阻（并1 kΩ）283±5% Ω，失真度≤0.2%，假頻≥400 Hz，懸體質(zhì)量11 g，最大位移（P-P）1.5 mm，允許傾斜角度＜10°。
該系列地震檢波器假頻大于400 Hz，具有很強(qiáng)的抗橫向干擾能力，大幅度提高了檢波器的通頻帶寬度及信噪比。采用引線簧焊接導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，保證檢波器的高可靠性。檢波器體積小，易于埋置，與大地的耦合性好，抗干擾能力強(qiáng)，有效提高了檢波器的分辨率和信噪比。
2.2 調(diào)理電路
調(diào)理電路對(duì)地震檢波器采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，調(diào)整成適合工業(yè)控制計(jì)算機(jī)處理的信號(hào)，其單路設(shè)計(jì)如圖2所示。

IN端是地震檢波器信號(hào)采集端，OUT端是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)端，R00、R01、C01可以根據(jù)濾波、放大需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，調(diào)理電路路數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.3 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)
本設(shè)計(jì)采用的工業(yè)計(jì)算機(jī)包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)核心、高速模擬量數(shù)據(jù)采集卡、網(wǎng)絡(luò)模塊等部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2.3.1 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)核心
本設(shè)計(jì)采用GT-6355工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，英特爾凌動(dòng)230處理器，主頻1.6 GHz，主板采用英特爾945GC+ICH7芯片組，雙通道內(nèi)存接口，最多支持4 GB的DDR2 533/677 MHz內(nèi)存，顯示卡采用英特爾GMA950圖形媒體加速器，最大共享內(nèi)存224 MB，1個(gè)英特爾82573L PCI-E千兆網(wǎng)絡(luò)控制器，2個(gè)SATA硬盤接口，1個(gè)RS-232接口，1個(gè)RS-232/422/485接口，6個(gè)USB2.0接口，PICMG1.0總線，支持PCI及ISA擴(kuò)展設(shè)備，含PCI擴(kuò)展單槽。該工業(yè)控制計(jì)算機(jī)性能穩(wěn)定、資源豐富、使用方便，且能適應(yīng)惡劣環(huán)境。
2.3.2 高速模擬量數(shù)據(jù)采集卡
本設(shè)計(jì)采用PCI-1713型高速模擬量數(shù)據(jù)輸入卡。該卡是一款PCI總線的隔離高速模擬量輸入卡，提供32路差分模擬量輸入或者組合輸入通道，每個(gè)輸入通道的增益可編程控制，可對(duì)不同通道使用不同增益，并采用單端和差分輸入的不同組合方式來(lái)完成多通道采樣。模擬量輸入范圍為：雙極性時(shí)，±0.625 V，±1.25 V，±2.5 V，±5 V，±10 V；單極性時(shí)，0~1.25 V，0~2.5 V，0~5 V，0~10 V，最大輸入過(guò)載電壓±30 V；A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率可達(dá)100 kS/s、分辨率為12 bit；帶有一個(gè)4 KB采樣FIFO緩沖器，該特性提供了Windows下連續(xù)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕? 500 V(DC)的直流隔離保護(hù)，用于保護(hù)PC及外設(shè)免受輸入線上高壓電的損害；支持軟件內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)或外部定時(shí)觸發(fā)；工作溫度-20 ℃~+70 ℃，能適應(yīng)戶外工作要求。
數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)采用Windows XP作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，符合用戶的操作習(xí)慣。應(yīng)用軟件采用微軟公司的開發(fā)工具Visual Studio 2005進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。
3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
應(yīng)用程序包括系統(tǒng)界面、操作日志、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢等模塊。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（1）系統(tǒng)界面。軟件界面采用分級(jí)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)試驗(yàn)采用彈出子界面的方式單獨(dú)處理，這樣使軟件更具模塊化管理。軟件的整體界面框架包括菜單欄、工具欄、按鈕、編輯框、主窗口狀態(tài)欄等部分。
（2）操作日志。操作日志記錄了用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的用戶名、時(shí)間、指令等詳細(xì)信息。日志信息保存在文本文件中，便于查詢。
（3）數(shù)據(jù)通信模塊。數(shù)據(jù)通信模塊采用PCI通信模塊、網(wǎng)口和USB等接口和外部設(shè)備進(jìn)行通信。
（4）數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。本方案采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)， ADO是數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序開發(fā)的接口，具有使用簡(jiǎn)便、速度快、內(nèi)存消耗少和占用磁盤空間少等優(yōu)點(diǎn)。利用ADO技術(shù)實(shí)現(xiàn)Visual Studio 2005與數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，從而方便地實(shí)現(xiàn)Visual Studio 2005對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。
（5）歷史數(shù)據(jù)查詢。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊完成歷史數(shù)據(jù)信息的查詢操作，通過(guò)觀察歷史數(shù)據(jù)，可以對(duì)系統(tǒng)的性能做出分析，可以了解設(shè)備的工作過(guò)程及結(jié)果。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊包括窗體代碼設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)查詢代碼設(shè)計(jì)。
3.2 軟件流程設(shè)計(jì)
軟件流程如圖5所示。

應(yīng)用軟件啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化工作，包括初始化接口、記錄工作日志、打開數(shù)據(jù)庫(kù)等任務(wù)。如果初始化失敗，應(yīng)用程序不能正常運(yùn)行而退出；初始化成功后，開始監(jiān)控。當(dāng)關(guān)閉設(shè)備時(shí)，監(jiān)控結(jié)束，否則一直循環(huán)進(jìn)行。
本方案針對(duì)目前文物所在的環(huán)境特點(diǎn)劃分成多個(gè)小區(qū)域， 利用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，對(duì)異常狀況進(jìn)行報(bào)警，并及時(shí)保存所采集的數(shù)據(jù)信息，為文物保護(hù)工作者進(jìn)行文物保護(hù)方法的研究提供了重要依據(jù)。本方案所描述的系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、高效等特點(diǎn)，對(duì)維護(hù)文物古跡的安全具有重要的意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉光林，劉泰生，高中錄，等.地震檢波器的發(fā)展方向[J]. 勘探地球物理進(jìn)展，2003，26（3）：178-185.
[2] 李庶林.試論微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在地下工程中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009(1)：122-128.
[3] 李國(guó)棟，漢澤西.地震檢波器頻率響應(yīng)特性的研究[J].石油儀器，2009，23(4)：11-13.
[4] 吳瑞文，梁志瑞.基于工控機(jī)與DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力科學(xué)與工程，2009，25(9)：30-33.
[5] 李希文，趙建，李智奇.傳感器與信號(hào)調(diào)理技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008：3-14.