基于MEMS傳感器的小型智能化強震儀

胡星星 滕云田

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

本項目研制的小型MEMS強震儀，在軟硬件上均采用模塊化設計，以適應多種場合的應用需要。硬件由MEMS加速度計、控制處理器系統、數據存儲系統、有線IP網絡實時數據傳輸系統、無線3G數據傳輸模塊、GPS校時模塊以及內置高容量后備鋰電的供電系統等組成。傳感器以具有較高精度3分量數字輸出的MEMS加速度計為拾震傳感器，可以達到的低噪聲，測量范圍±2～±8 g可設，輸出采樣速率從1.56～800 Hz，最大僅有165μA的低功耗特性和僅有3 mm×3 mm的小體積封裝，此外片上還集成了數字低通和高通濾波器，通過編程可以方便提取地震頻帶范圍內的信號，減少了后期的數據處理過程。控制系統采用32位低功耗的嵌入式ARM9處理器S3C2440和嵌入式Linux操作系統，處理器工作主頻400 MHz，內存64 MB SDRAM，以及256 MB的程序和數據Flash存儲器，還可以外接大容量的SD卡數據存儲器，滿足對數據的采集、處理、傳輸及存儲等方面的要求。有線或無線接入網絡能使儀器通過遠程獲得實時監控和數據傳輸，或進行系統維護、狀態監控或軟件更新。軟件以嵌入式Linux為操作系統，采取分層處理設計。對傳感器的硬件驅動、數據采集、地震事件判斷觸發程序等放在底層驅動程序中，其中硬件驅動包括對傳感器的I2C總線接口驅動、IO口驅動、中斷驅動、異步通知的驅動等。而應用程序層主要包括地震動參數計算模塊、本地數據庫存儲管理模塊、數據傳輸模塊、遠程監控和FTP存儲數據下載等遠程服務器模塊等，應用層程序采用多線程設計實現系統的多任務處理。整個MEMS強震儀組裝在一個80 mm×120 mm×55 mm的小型鑄鋁盒中，在200 Hz采樣率和有線網絡實時傳輸狀態下內置鋰電池可連續供電24小時以上。

由于MEMS強震儀軟硬件采用模塊化設計，具有遠程軟件更新功能，可以適合多場合的應用：

（1）MEMS強震儀具有地震事件判斷和觸發記錄功能，能夠形成事件波形存儲文件和連續波形存儲數據文件，可用于強地震監測、爆破、橋梁、房屋健康檢測等地震波形記錄；

（2）地震儀內置地震事件地震動參數自動計算功能，可通過3G無線網絡進行參數傳送，且具有成本低、安裝簡便等特點，通過在城鎮區域或需要重點監護地區密集安裝布設，可以組建在大地震來臨時可快速產出高分辨率精細震動圖的地震動參數速報傳感器網絡，用于大地震的應急救援需要；

（3）通過加載地震波的P波檢測程序模塊，可用于大地震的地震預警；

（4）可以組建低成本高密度布設可遠程監控和無線傳輸的現代智能化地震傳感器網絡。