樹莓派在地震觀測站智能監控中的應用研究

2021-05-16 10:32:52安一凡曾智輝涂先新

科學技術創新 2021年13期

安一凡張輝曾智輝涂先新

(1、中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室),湖北武漢430071 2、湖北省地震局,湖北武漢430071 3、湖北省地震局宜昌地震監測中心站,湖北宜昌443100)

地震觀測是地震監測預報、地震應急和地震科學研究的重要基礎。由于地震事件的隨機性和不可重復性,每一次地震事件的波形數據都是非常珍貴的。要保證測震臺站觀測系統可以完整地記錄到地震波形數據, 三峽地震臺網中各設備穩定的運行是諸多保障因素中一個不可或缺的重要組成部分。由于測震臺站環境復雜多樣,維護成本相對較高,如何對三峽臺網各臺站進行遠程統一有效地監控、維護和管理, 已經成為一項亟待解決的問題。為此,研究使用樹莓派微型電腦組建一套成本低、系統完善的遠程監控系統,對臺站內的電源、溫濕度等工作環境進行實時監控,通過預先設定好的故障觸發率閾值判斷臺站故障點,并發出報警信息,以便地震臺及時聯系看護或第一時間趕往現場維護設備,使觀測記錄最小化損失。

1 樹莓派微型電腦的技術特點

有著標準化硬件接口的樹莓派微電腦憑借著低價、開源以及極強的可拓展性獲得了迅速的發展,已成為全球最受關注的開源硬件。電腦能做的大部分事情,在樹莓派上都能做,而樹莓派以其低能耗、移動便攜性、GPIO 等特性,很多在普通電腦上難以做好的事情,用樹莓派卻是很適合的。可以將樹莓派連接電視、顯示器、鍵盤鼠標等設備使用。但樹莓派微電腦與桌面計算機最顯著的優勢是具有開源硬件和開源軟件技術,自由釋放詳細信息的硬件設計。開源硬件最強大的職責就是在真正的技術產品出現之前,可以快速的將功能實現。通過樹莓派微電腦板子加通用器材和傳感器就可以實現各種常規監測和實時監控功能,樹莓派微電腦板如圖1。

開源軟件的特點是所有人都可以看到代碼,可根據技術和功能需求直接對代碼進行修改,使源代碼運行更加完善,功能更豐富。樹莓派的開源具有優秀的擴展性和易于開發的特性。其優點：

圖1 樹莓派微電腦板圖

表1 樹莓派40Pin 引腳功能對照表

1.1 可以安裝完整的操作系統(例如,基于Linux 的Raspbian 或基于Windows 的OS 的Windows IOT Core)并將其用作日常計算機。

1.2 GPIO(通用輸入輸出引腳)的存在是RPi(樹莓派)與傳統計算機的區別所在。可以將這些引腳連接到傳感器和外部組件,并使用Python 之類的語言以編程方式與它們交互,能夠構建和原型化可以感知現實世界的物聯網設備。

1.3 內置了wifi 和藍牙。可以輕松地將項目加入無線模式。

2 樹莓派通用輸入輸出接口功能研究

樹莓派的通用輸入輸出(GPIO)接口可以通過各種信息傳感器,射頻識別技術,紅外感應器等各種裝置與技術組建物聯網設備,實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程。GPIO 接口引腳可以用于程序中讀取電路中的電信號,也可以為控制電路提供電信號。可以通過GPIO 口和硬件進行數據交互(如UART),控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態信號(如中斷信號)等。GPIO 口的使用非常廣泛,每個引腳都可以使用程序進行控制操作。樹莓派將IO 引腳的開放,可以通過引腳能連接各種電子設備、電路模塊、電子元件及各類傳感器,實現智能化控制。GPIO 接口的使用非常廣泛,每個引腳都可以使用程序進行控制操作。表1 是樹莓派GPIO 接口各引腳的編碼方式及功能對照。

2.1 樹莓派40 針GPIO 引腳功能

2.1.1 電源輸出引腳

3v3、5v 代表：3.3 伏特和5 伏特,是輸出供電的正極,也就是Vcc；GND 代表接地和輸出供電的負極。

2.1.2 GPIO 信號引腳

通過輸出高低電平或者通過讀入引腳的狀態：高電平或是低電平。可以通過GPIO 引腳和硬件進行數據交互(如UART),控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態信號(如中斷信號)等。

2.1.3 IC 總線引腳

IC 是內部整合電路的稱呼,是一種串行通訊總線,使用多主從架構,使主板、嵌入式系統或手機用以連接低速周邊裝置。

2.1.4 SPI 總線引腳

SPI 是串行外設接口(Serial Peripheral Interface),是一種高速的、全雙工、同步的通信總線,并且在芯片的管腳上只占用四根線,節約了芯片的管腳,同時為PCB 的布局上節省空間,提供方便。

2.1.5 UART 總線引腳

UART 是一種通用串行數據總線,用于異步通信。該總線雙向通信,可以實現全雙工傳輸和接收。在嵌入式設計中,UART用于主機與輔助設備通信,與PC 機通信包括與監控調試器和其它器件,如EEPROM通信。可以理解為計算機的串口,RS232、TTL。

2.1.6 PWM脈沖寬度調制引腳

脈沖寬度調制是一種模擬控制方式,其根據相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS 管柵極的偏置,來實現晶體管或MOS 管導通時間的改變,從而實現開關穩壓電源輸出的改變。脈沖寬度調制是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術,廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

2.2 樹莓派40 針GPIO 引腳編號方式

GPIO 的編號有三種不同的方式：

2.2.1 BOARD 編號方式：編號側重P1 插座側,從上到下,從左到右。如表1 的BOARD 編碼一欄。

2.2.2 BCM2835 編號方式：編號側重CPU 寄存器,根據BCM2835 的GPIO 寄存器編號。如表1 的BCM編碼一欄。

2.2.3 wiringPi 編號方式：編號側重實現邏輯,把擴展GPIO端口從0 開始編號,這種編號方便編程。如表1 的WiringPi 編碼一欄。

2.3 操作樹莓派的GPIO 端口

掌握了GPIO,就掌握了樹莓派操作硬件的方法。通常在項目功能硬件連接好后,進行應用編程。編程時,通常采用第三方類庫來作為開發的基礎API 進行使用,不同的API 庫對于GPIO的編號不一樣,而不同的API 庫對于開發語言的支持也不同。常見的類庫有以下幾種：

2.3.1 wiringPi C,有Perl, PHP, Ruby, Node.JS 和Golang 的擴展,支持wiringPi Pin 和BCM GPIO 兩種編號。

2.3.2 RPi.GPIO Python,支持Board Pin 和BCM GPIO 兩種編號。

2.3.3 WiringPi-Go, Go 語言,支持wiringPi Pin、BCM GPIO和Board Pin 三種編號選擇好需要的開發語言就可以了,比如選擇Python 語言,選擇RPi.GPIO,其他語言選擇wiringPi。

3 樹莓派遠程智能監測系統

三峽井網臺站偏遠,維護困難,成本高風險大,而相當比例的維護任務僅為重啟設備,通過研究樹莓派微型電腦GPIO 接口的功能和信號數據控制、讀取和傳輸方法原理,選擇技術成熟的遠程管理或自動監測設備和部件,在無人值守臺站組建遠程智能監測系統。

3.1 遠程監測系統實現方法和技術

通過樹莓派微型電腦開源硬件的深入分析研究,根據通用輸入/輸出接口各連接端的功能屬性,研究實現所需專用設備部件的連接,組建遠程實時監控系統：

表2 DHT11 溫濕度傳感器引腳功能說明表

3.1.1 無人值守臺站儀器工作環境溫濕度實時監測,設定高溫和高濕度警示。通過樹莓派微型電腦的GPIO 接口連接溫濕度傳感器,組成溫濕度實時監測設備。對無人值守臺站的環境的溫濕度進行實時檢測,通過開源軟件的修改和編寫,編譯后實時讀取溫濕度數據并顯示變化曲線。設定極限閾值,在環境條件突變的情況下發出警示信號。

3.1.2 電源實時監測控制,樹莓派微型電腦鏈接MI 家智能電源開關,并且實時顯示電壓值變化曲線,在異常情況出現時給出警示信號,通過遠程控制關閉或重啟觀測儀器。

3.1.3 遠程實時圖像監控,樹莓派微型電腦連接MI 家智能攝像頭,可在中心臺站值班電腦實時顯示監控畫面,并在有非法闖入時識別運動變化,并發出警報至值班電腦。

3.1.4 通過樹莓派微型電腦連接臺網無線4G 路由器,開啟樹莓派VNC 服務,使用VNC 遠程連接。開啟之后,通過樹莓派的IP 地址進行連接,完成樹莓派微型電腦與中心臺站值班電腦遠程連接,實現遠程信號和數據的實時傳輸。

3.2 溫濕度遠程監測系統構建方法和試運行效果

樹莓派微型電腦連接DHT11 數字溫濕度傳感器組建實時溫濕度檢測設備,DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器,應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術,確保該部件具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性,如圖2-7 所示。其三根引腳接線：“-”的是電源負極(GND)、“+”的是電源正極(VCC)、“out”的是數據輸入輸出(DATA),進行編譯后可以實時讀取數據和顯示變化的溫濕度曲線。引腳功能說明如表2。

傳感器引腳的連接沒有特定的限制,vcc 只要連接的是樹莓派上標有“5v”標識的引腳(pin2 或pin4),GND 連接樹莓派上標有“GND”標識的引腳(pin6,pin9,pin14,pin25,pin30,pin39),DATA連接任意標有“GPIO”的引腳。由于樹莓派軟件的開源性,使用Python 現成的庫,代碼簡單,易懂,直接導入Adafruit DHT11 庫,完成代碼的修改和編寫。