专利名称：一种地震灾情监控仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种地震灾情监控仪。
背景技术：
地震以其突发性和巨大的破坏性给人类生存安全、社会经济发展和社会稳定带来严 重危害。为了最大限度地减轻地震造成的人员伤亡、财产损失和社会影响，务必做好防 震减灾工作。作为防震减灾三大工作体系之一的地震应急救援工作，是减灾的"关键"， 近年来逐步受到国家和社会的高度重视。地震应急救援工作是以获得地震现场详细的灾 情信息为前提和基础的。地震灾情发生后，地震规模、程度、空间分布、次生灾害，以 及震害发展趋势等信息的快速获取是整个地震应急响应的核心，同时也是救援决策的关
键。然而，从汶川8.0级地震救援过程中可以发现，灾情和救援信息的获取远远落后于 救援的实际需求。地震现场没有专用的灾情采集仪器，仅能依靠救援人员深入灾区才能 了解灾情，这些都大大延误了应急救援的时机，降低了救援决策的效能。因此必须开发 具有自主知识产权和符合我国国情和地震震情的地震灾情监控仪。
专利"输电线路灾情监测系统(申请号:200710035497.0)"和"实时水文信息自 动监测和灾情预警报警系统(申请号200610111352. X)"分别给出了两种面向输电线 路和水文信息的灾情监控系统，而实际应用中并没有专门针对于地震灾情的监控系统。 实际应用中通常采用强震仪获得地震动的要素信息，以达到地震灾情获取的目的。然而 强震仪仅能提供地震动的相关信息，并不能直观地提供现场破坏情况，以及火灾、高危 有毒物质泄漏等次生灾害信息，这给应急救援和救援决策带来极大的限制。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种地震灾情监控仪，实 现对地震要素(地震发生时间、地理位置和震级)、现场视频，以及次生灾害(火灾、 高危有毒物质泄漏等)等信息的获取，解决地震灾情信息的快速获取的问题。
本实用新型的技术解决方案 一种地震灾情监控仪，包括智能控制单元、数据采 集模块、视频监控模块、GPS模块、智能电源模块和IPv4/IPv6网络模块，其中
数据采集模块以单片机和A/D转换器为核心，通过多种灾情传感器采集地震现场灾 情数据，所述的多种灾情传感器包括三轴向加速度传感器、火灾传感器和有毒气体传感 器，三轴向加速度传感器用于获取地震动的要素信息，即通过计算三轴向加速度值获得 当地的地震烈度信息，火灾传感器和有毒气体传感器为次生灾害传感器，火灾传感器获得温度和烟感信息，有毒气体传感器获得高危有毒有害物质的浓度信息；数据采集模块 获取的上述灾情信息通过串行接口上传给智能控制单元；
视频监控模块由红外视频摄像机和图像采集卡构成，用以提供昼夜全天候地震现场 的视频监控；红外视频摄像机输出模拟视频信号，由图像采集卡将该模拟视频信号转换 为数字信号，通过USB接口上传给智能控制单元；
GPS模块用于获取地震灾情监控仪的地理位置和时间，并为整个地震灾情监控仪提 供统一的时间基准，通过串行接口上传给智能控制单元；
智能电源模块实现地震灾情监控仪状态切换，它产生感震启动、定时启动或人工启 动三种启动请求，通过串行接口上传给智能控制单元，达到电源管理的目的；
智能控制单元实现地震现场灾情数据的釆集、存储、显示及上传功能；智能控制单 元上电后从智能电源模块获得启动类型，即感震启动、定时启动和人工启动，然后根据 启动类型执行控制命令，向数据采集模块、视频采集模块和GPS模块发送采集命令，将 各模块采集的灾情数据进行本地的显示和保存，并将这些数据通过IPv4/IPv6网络模块 上传给上级部门或系统；
IPv4/IPv6网络模块，实现地震灾情监控仪的有线/无线网络接入。
所述的智能电源模块包括单片机、感震器、实时时钟、人机交互接口、太阳能供电 系统、监控仪电源控制电路和串行接口；为了保证地震灾情监控仪随时处于待命状态， 并降低系统功耗，地震灾情监控仪通常处于休眠状态，仅有智能电源模块工作；太阳能 供电系统在单片机的控制下通过监控仪电源控制电路为地震灾情监控仪其它部分供电； 感震器、实时时钟及人机交互接口分别与单片机的外部事件中断接口连接，当有地震发
生时，感震器向单片机发出感震启动请求，当到达事先设定的某个时间时，实时时钟向 单片机发出定时启动请求，当需要对地震灾情监控仪进行系统设置时，人机交互接口向 单片机发出人工启动请求；单片机收到启动请求后，通过监控仪电源控制电路建立太阳 能供电系统与地震灾情监控仪其它部分的电源连接为地震灾情监控仪其它部分供电，地 震灾情监控仪退出休眠状态，进入监控状态，同时单片机通过串行接口向智能控制单元 发送启动类型。
本实用新型明与现有技术相比的优点在于
(1) 本实用新型在实现地震要素信息快速获取的同时，还实现了火灾、毒气等次 生灾害信息的采集，为地震现场的灾情综合采集与应急救援奠定了必要的信息基础；
(2) 本实用新型能够提供现场视频模块，能够更直观、清晰地了解现场建筑物、 公路和桥梁等重要基础设施的实际破坏情况；
(3) 本实用新型配置有感震器和实时时钟，实现了地震现场灾情信息的自动以及定时采集；
(4)本实用新型采用IPv4/IPv6网络模块，支持有线、无线多种网络传输介质， 支持IPv4/IPv6双协议栈，为地震灾害发生后现场灾情数据的上传提供了可靠的信息通 路。
图l为本实用新型的原理框图2为本实用新型的数据采集模块的硬件框图3为本实用新型的智能电源模块的硬件框图4为本实用新型的监控仪电源控制电路的原理图5为本实用新型的总体工作流程图6为本实用新型的总体测控过程的工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，地震灾情监控仪由智能控制单元1、数据采集模块2、视频监控模块3、 GPS模块4、智能电源模块5和IPv4/IPv6网络模块6构成。
智能控制单元1采用高度集成化的嵌入式低功耗计算机，支持Windows平台开发， 能够胜任大数据量、大访问量的灾情数据采集、存储和上传等工作。用于其它模块的集 成和应用，实现地震现场灾情数据的采集、存储以及上传。
如图2所示，数据采集模块2以高性能的单片机21和A/D转换器22为核心，通过 多种灾情传感器采集地震现场灾情数据。灾情传感器包括三轴向加速度传感器23 (作为 地震烈度传感器)、火灾传感器24 (作为温度、烟感等传感器)和有毒气体传感器25。 三轴向加速度传感器23其型号为MMA7260Q，用于获取地震动的要素信息，即通过计算 三轴向加速度值获得当地的地震烈度信息。火灾传感器24和有毒气体传感器25为次生 灾害传感器，火灾传感器24其型号为IRBD300，用于获得温度和烟感信息，有毒气体传 感器25其型号分别为7E/F、 7HH和7ST/F，用于获得高危有毒有害物质的浓度信息。数 据采集模块2获取的上述灾情信息通过串行接口 26上传给智能控制单元1。数据采集模 块2在获取地震动要素信息的基础上，实现了火灾和高危有毒有害物质泄漏等次生灾害 信息的采集，达到了地震灾情综合监控的目的。
视频监控模块3由红外视频摄像机和USB图像采集卡构成，用以提供昼夜全天候地 震现场的视频监控。红外视频摄像机输出PAL/NTSC制式的模拟视频信号，图像采集卡 将该模拟视频信号转换为数字信号，通过USB接口上传给智能控制单元1。视频监控模 块3通过采集的视频信息可以动态上传地震现场的图像信息，清晰地了解到建筑物、公 路和桥梁等重要基础设施的实际破坏情况，为应急救援和救援决策提供最直观的灾情信息。
GPS模块4用于获取地震灾情监控仪的地理位置和时间，并为整个地震灾情监控仪 提供统一的时间基准。GPS模块4获取的时间和地理位置信息与三轴向加速度传感器23 获得的地震烈度一起构成地震动的完整要素信息。
如图3所示，智能电源模块5以高性能的单片机51为核心，由感震器52、实时时 钟53、人机交互接口 54、太阳能供电系统55、监控仪电源控制电路56和串行接口 57 组成，实现地震灾情监控仪电源的管理与仪器状态的切换。地震灾情监控仪由于配置多 种数据采集和监控模块，整机功耗较大，太阳能供电系统55并不能保证地震灾情监控 仪长期连续工作。当未有地震发生时，地震灾情监控仪中只有智能电源模块5工作。智 能电源模块5通过监控仪电源控制电路56切断太阳能供电系统55与地震灾情监控仪其 它部分电源的连接，地震灾情监控仪工作于休眠状态。当高性能的单片机51收到感震 器52、实时时钟53或人机交互接口 54启动请求时，监控仪电源控制电路56才会建立 太阳能供电系统55与地震灾情监控仪其它部分的电源连接，地震灾情监控仪从而退出 休眠状态，进入监控状态。感震器52和实时时钟53产生的启动请求为自动请求。感震 器52为UG系列地震感震器，当有地震发生时，向单片机51发出启动请求。实时时钟 53其型号为PCF 8563，当到达事先设定的某个时间时，向单片机51发出启动请求。人 机交互接口 54产生的启动请求为人工请求。人机交互接口 54由4X4矩阵键盘构成， 当需要对地震灾情监控仪进行系统设置时，4X4矩阵键盘向单片机51发出启动请求。 单片机51收到启动请求后，智能电源模块5通过监控仪电源控制电路56为地震灾情监 控仪供电，同时通过串行接口 57向智能控制单元1发送启动类型。智能电源模块5实 现了地震灾情监控仪的状态切换，达到了电源管理的目的，实现了地震灾情的自动获取。
太阳能供电系统55由太阳能电池板、充电控制器和高性能锂电池组成。太阳能电 池板型号为STP075-12，用于将太阳能转换为电能，为整个地震灾情监控仪供电。充电 控制器型号为Solsum8.0,实现对高性能锂电池的充、放电控制。高性能锂电池型号为 Li 50-12.6,用于存储由太阳能电池板转换来的电能。
图4所示为监控仪电源控制电路56的原理图。监控仪电源控制电路56由电压变换 电路和开关电路两部分组成。电压变换电路由电容C1 C5、稳压二极管D1，以及DC/DC 模块U2组成，将高性能锂电池的输出电压Vb变换为地震灾情监控仪所需的直流5V电 压VDD，其中U2型号为EC5B01。开关电路由达林顿阵列Ul构成，Ul型号为ULN2003A。 Ul的1B 4B引脚短接，并与单片机51的电源控制引脚相连。Ul的1C 4C引脚短接， 并与U2的阴极一VIN相连。Ul的1B 4B引脚短接与1C 4C引脚短接，以充分利用达 林顿阵列的驱动能力。当单片机51的电源控制引脚输出为低电平时，即Ul的1B 4B输入为低电平，则U1的1C 4C输出为高电平，开关电路处于断开状态,电压变换电路 输出为低电平，监控仪电源控制电路56切断太阳能供电系统55与地震灾情监控仪其它 部分电源的连接，地震灾情监控仪工作于休眠状态。当单片机51的电源控制引脚输出 为高电平时，即Ul的1B 4B输入为高电平，则U1的1C 4C输出为低电平，开关电路 处于闭合状态，电压变换电路输出为VDD，监控仪电源控制电路56建立太阳能供电系统 55与地震灾情监控仪其它部分电源的连接，地震灾情监控仪退出休眠状态，进入监控状 态。
IPv4/IPv6网络模块6支持有线、WiFi无线网络(IEEE802. llx)、 WiMax无线网络 (IEEE802. 16) 、 3G无线网络等多种网络传输介质，支持IPv4/IPv6双协议栈，实现地 震灾情监控仪的有线/无线网络接入。IPv4/IPv6网络模块6实现了有线和无线多种网络 介质，以及多种传输协议的冗余设计，为地震灾情信息的上传提供的可靠的数据通道。
图5所示为地震灾情监控仪的总体工作流程。智能电源模块5产生感震启动、定时 启动或人工启动三种启动请求。当地震灾情监控仪启动时，智能电源模块5通过监控仪 电源控制电路56为整个地震灾情监控仪供电。智能控制单元1上电后启动操作系统， 操作系统启动完成后将控制权转交给运行于智能控制单元1之上的总体测控程序。总体 测控程序用于协调地震灾情监控仪的各个模块实现灾情数据的采集、处理、存储、显示 以及上传等功能。总体测控程序首先从智能电源模块5获得启动类型，即感震启动、定 时启动和人工启动，然后根据启动类型执行控制命令，向数据采集模块2、视频采集模 块3和GPS模块4发送采集命令，将各模块采集的灾情数据进行本地的显示和保存，并 将这些数据通过IPv4/IPv6网络模块6上传给上级部门或系统。
如图6所示，总体测控程序运行后进行各模块的初始化，获得各模块的状态信息， 分析地震灾情监控仪的启动类型。当感震启动时，读取灾情数据，上传灾情数据，判断 是否完成监测任务，完成则退出程序并关闭仪器，未完成则连续读取和上传灾情数据。 当定时启动时，读传感器状态，上传传感器状态，读取灾情数据，上传灾情数据，之后 退出程序并关闭仪器。当人工启动时，完成地震灾情监控仪软、硬件设置等人机事件处 理，之后退出程序并关闭仪器。
本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进 和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1、一种地震灾情监控仪，其特征在于包括智能控制单元(1)、数据采集模块(2)、视频监控模块(3)、GPS模块(4)、智能电源模块(5)和IPv4/IPv6网络模块(6)，其中数据采集模块(2)包括单片机(21)、A/D转换器(22)和多种灾情传感器；所述的多种灾情传感器包括用于获取地震动的要素信息，即通过计算三轴向加速度值获得当地的地震烈度信息的三轴向加速度传感器(23)、获得温度和烟感信息的火灾传感器(24)和获得高危有毒有害物质的浓度信息的有毒气体传感器(25)；多种灾情传感器采集地震现场灾情数据经过A/D转换器(22)将其转换为数字信号送入单片机(21)中进行处理，获取的上述灾情信息；采集模块(2)获取的上述灾情信息通过串行接口(26)上传给智能控制单元(1)；视频监控模块(3)由红外视频摄像机和图像采集卡构成，用以提供昼夜全天候地震现场的视频监控；红外视频摄像机输出模拟视频信号，由图像采集卡将该模拟视频信号转换为数字信号，通过USB接口上传给智能控制单元(1)；GPS模块(4)用于获取地震灾情监控仪的地理位置和时间，并为整个地震灾情监控仪提供统一的时间基准，通过串行接口上传给智能控制单元(1)；智能电源模块(5)实现地震灾情监控仪状态切换，它产生感震启动、定时启动或人工启动三种启动请求，通过串行接口上传给智能控制单元(1)，达到电源管理的目的；智能控制单元(1)实现地震现场灾情数据的采集、存储、显示及上传功能；智能控制单元(1)上电后从智能电源模块(5)获得启动类型，即感震启动、定时启动和人工启动，然后根据启动类型执行控制命令，向数据采集模块(2)、视频采集模块(3)和GPS模块(4)发送采集命令，将各模块采集的灾情数据进行本地的显示和保存，并将这些数据通过IPv4/IPv6网络模块(6)上传给上级部门或系统；IPv4/IPv6网络模块(6)，实现地震灾情监控仪的有线/无线网络接入。
2、根据权利要求l所述的地震灾情监控仪，其特征在于所述的智能电源模块(5) 包括单片机(51)、感震器(52)、实时时钟(53)、人机交互接口 (54)、太阳能供 电系统(55)、监控仪电源控制电路(56)和串行接口 (57);太阳能供电系统(55) 在单片机(51)的控制下通过监控仪电源控制电路(56)为地震灾情监控仪其它部分供 电；感震器(52)、实时时钟(53)及人机交互接口 (54)分别与单片机(51)的外部事件中断接口连接，当有地震发生时，感震器(52)向单片机(51)发出感震启动请求， 当到达事先设定的某个时间时，实时时钟(53)向单片机(51)发出定时启动请求，当 需要对地震灾情监控仪进行系统设置时，人机交互接口 (54)向单片机(51)发出人工 启动请求；单片机(51)收到启动请求后，通过监控仪电源控制电路(56)建立太阳能 供电系统(55)与地震灾情监控仪其它部分的电源连接为地震灾情监控仪其它部分供电， 地震灾情监控仪退出休眠状态，进入监控状态，同时单片机(51)通过串行接口 (57) 向智能控制单元(1)发送启动类型。
3、根据权利要求1所述的地震灾情监控仪，其特征在于所述的IPv4/IPv6网络 模块(6)支持有线、WiFi无线网络、WiMax无线网络、3G无线网络的多种网络传输介 质，并支持IPv4/IPv6双协议栈。
专利摘要一种地震灾情监控仪，包括智能控制单元、数据采集模块、视频监控模块、GPS模块、智能电源模块和IPv4/IPv6网络模块，数据采集模块以单片机和A/D转换器为核心，通过多种灾情传感器采集地震现场灾情数据；视频监控模块由红外视频摄像机和图像采集卡构成，用以提供昼夜全天候地震现场的视频监控；GPS模块用于获取地震灾情监控仪的地理位置和时间；智能电源模块实现地震灾情监控仪状态切换，它产生感震启动、定时启动或人工启动三种启动请求；智能控制单元实现地震现场灾情数据的采集、存储、显示及上传功能；IPv4/IPv6网络模块，实现地震灾情监控仪的有线/无线网络接入。本实用新型实现了对地震要素(地震发生时间、地理位置和震级)、现场视频，以及次生灾害(火灾、高危有毒物质泄漏等)等信息的获取，解决地震灾情信息的快速获取的问题。
文档编号G08C19/00GK201298288SQ20082012392
公开日2009年8月26日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者付继华, 刘冠中, 刘晓皙, 吴荣辉, 王建军, 巧 谭, 陈明金 申请人:中国地震局地壳应力研究所