地震監測自組網系統的研究與設計

摘" 要：傳統觀察臺網是一種用于觀測和監測的網絡系統，由多個分區在特定區域的觀測點組成，隨時收集和傳送環境數據、參考數據或其他類型的觀察數據，但其在通信范圍擴展、網絡穩定性和性能效率方面還略顯不足?；贛esh協議的自主網絡系統在密集觀測臺網中具備良好的通信能力和數據控制能力，用于解決密集觀測臺中的通信問題。該系統通過引入Mesh網絡結構和能量感知機制，實現通信范圍擴展、網絡自主組織和數據控制等功能。該研究為密集觀測臺網的應用提供一種可行的解決方案，并具有很好的實用性和估值。通過設計無線自組網傳輸系統與臺陣監控管理中心和自組網管理節點相結合可以更好地對系統進行研究。

關鍵詞：Mesh協議；無線自組網傳輸系統；臺陣監控；軟件設計；觀察臺網

中圖分類號：P315" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0007-04

Abstract： The traditional observation network is a network system for observation and monitoring， which is composed of multiple observation points in a specific area to collect and transmit environmental data， reference data or other types of observation data at any time. However， it is still slightly inadequate in terms of communication range expansion， network stability and performance efficiency. The autonomous network system based on Mesh protocol has good communication ability and data control ability in the dense observation network， which is used to solve the communication problems in the dense observation station. Through the introduction of Mesh network structure and energy sensing mechanism， the system realizes the functions of communication range expansion， network independent organization and data control. This study provides a feasible solution for the application of intensive observation network， and has good practicability and valuation. Through the combination of the design of wireless ad hoc network transmission system， array monitoring and management center and ad hoc network management node， the system can be better studied.

Keywords： Mesh protocol; wireless ad hoc network transmission system; array monitoring; software design; observation network

在地震監測和防護的關鍵區域，密集地進行地震綜合觀測是一種重要的方式和手段，通過收集大量的觀測數據，提取地震前兆信息并改進地震科學預測方法。在復雜的野外地震觀測環境下，需要將地震觀測儀器、視頻會議終端設備、手持發布終端以及應用系統等設備連接在一起，為各類傳感器、視頻會議平臺和地震觀測指標控制系統提供信息交換和傳輸的私有平臺，以支持語言、數據、視頻和圖像等業務。面對分散在各個地點、數量眾多的采集點，需要利用先進的通信技術，實時高效、有順序、可靠地將這些采集點的大量數據傳送到監控匯集中心。相比較傳統網絡，無線網絡技術具有工具使用方便、維護方式方便、高傳輸率、大傳輸范圍、可移動性和組網靈活性等特點，非常適合于野外流動觀測，布設這些采集點的距離從幾公里到幾十公里不等[1]。目前比較成熟的組網技術是利用通信運營商的基站進行3G/4G無線接入，但這種連接方式需要依賴運銷商的信號外殼，震后通信設施毀壞或無法覆蓋的網絡空白區域無法實現網絡接入，從而導致無法形成觀察設備的自組網系統。因此，需要一種新的技術手段來實測設備的自組網絡系統[2]。

1" 研究內容

為達到在震后通信設施損毀和信號沒有覆蓋的網絡空白區域進行組網觀測的目的，本研究設計了密集綜合臺陣組網的網絡拓撲結構，如圖1所示。

此研究網絡拓撲結構主要分為3部分，分別是無線自組網傳輸系統、臺陣監控管理中心、自組網管理節點。各部分主要設計功能如下。

1.1" 無線自組網傳輸系統的設計

設計多跳自組網的拓撲結構和數據多跳實現方式。采集節點在多跳自組網下通信的具體實現方式，分別對1～5 km、5～10 km、10～50 km距離的不同場景進行無線Mesh協議的自組網傳輸系統設計，有針對性地提高整個網絡通信質量。

1.2" 自組網管理節點的設計

Mesh監控節點主要由UPS模塊、AC/DC模塊、OV2640攝像頭模塊、主控芯片模塊和音頻模塊組成，其核心為ESP32主控芯片，用于數據處理以及轉發;通信系統控制終端在系統中作為監測部分，屬于手持式設備。為了保證終端設備使用的安全性和穩定性，必須針對具體的環境條件制定相應的性能要求[3]。管理節點的設計由7部分構成，其中硬件分別為主控芯片、高速存儲芯片、觸摸屏、通信接口、電池和操作系統。軟件系統基于安卓平臺，便于程序移植，如圖2所示。

1.3" 臺陣監控軟件的設計

臺陣監控軟件設計的狀態信息共享模塊選用 B/S（Browser/Server）瀏覽器和服務器的開發模式，將互聯網技術運用到此監控軟件的設計中。明確客戶端瀏覽器與服務器通信的流程，采用分層的設計思想將信息共享模塊分為表現層、控制層、數據層3個部分[4]。表現層包括用戶登錄注冊和信息顯示，控制器包括了頁面的跳轉控制，數據層包括數據庫的選取以及各個表的建立等，最終實現對采集站多跳信息的發布。此模式的運行過程大致可分為瀏覽器請求服務、服務器提供服務，前端瀏覽器只是負責顯示請求信息任務，而大量業務內容以及數據服務都集中到服務器端。因此會極大減輕客戶端的負擔，并且不需要安裝其他的服務軟件，僅需要不同瀏覽器就可以滿足要求[5]。

1.3.1" 軟件總體結構設計

用戶通過此軟件可對臺陣檢測到的信息進行直觀地可視化觀察，后臺實現數據分析和處理，可通過臺陣監控管理，數據質量評估以及系統管理實現全方位常態化管控。本系統設計分為控制臺、臺陣監控管理、數據質量評估和系統管理共4個模塊，控制臺主要功能是對檢測到的信息進行一個圖表可視化的處理；臺陣監控管理具有運行監控、節點信息管理、節點狀態管理、節點注冊日志、設備類型管理、設備信息管理、設備測項管理和設備狀態管理的功能；數據質量評估具有數據連續率和運行率、地磁數據峰峰值噪音分析、電磁波數據-階差分析、地磁波功率譜、流體數據分析和觀測數據可視化的功能；系統管理分為系統設置和個人設置。本軟件的總體結構設計圖如圖3所示。

1.3.2" 軟件架構設計

本軟件作為信息管理平臺，最終目標是利用信息數據、計算機互聯網實現信息智能化處理，對臺陣監測到的信息進行有效管理。管理人員可根據監測到的數據實現信息獲取、數據查詢。因此本軟件對于數據傳遞具有極高的要求。軟件采用MVC設計模式將系統劃分為表示層、應用層和數據層3部分，使用SpringBoot作為后臺架構、BootStrap作為前端架構、MyBatis作為數據持久層進行部署和設計。臺陣監測軟件的實現，高效整合數據信息，提供實時可視化圖表及各種數據統計，為管理員對臺陣的監控提供決策支持。

1.3.1" 數據庫設計

健全的管理系統應從基礎信息表進行設計。本系統使用MySQL作為數據庫，設計15張基礎表。其主要分為設備信息表、設備測項表、設備狀態表、設備類型表、節點信息表、節點狀態表和節點注冊表等。數據庫表間均以command_log表的stationid作為外鍵進行開發設計，通過降低表與表間的耦合度提高系統響應速度。本軟件主要圍繞設備信息表、節點信息表實現，詳見表1與表2。

1.3.4" 軟件核心功能實現

登錄注冊功能：用戶輸入賬號密碼進入，在此過程中將會提交form表單并處理post請求，通過存儲在庫內的用戶數據會與輸入的賬號密碼進行一個對比，如果校驗無誤則進入到相應的前端界面，如果不一致，則返回到前端并在頁面上返回出相應的信息給用戶。

運行監控功能：監控界面允許用戶查詢、編輯和刪除節點，并支持通過節點編號進行快速搜索。這使用戶能夠方便地管理節點，并對其進行實時監測。通過監控界面的交互性，用戶可以輕松地執行各種操作，如獲取節點信息、設置或刪除節點。同時，輸入節點編號的搜索功能使用戶能夠快速定位并訪問所需節點，提高了工作效率和操作便利性。

節點信息管理功能：用戶可以通過查詢節點編號獲取與該節點相關的各種信息，如圖4所示。這些信息包括節點的更新時間、位置坐標、現狀深度、土壤深度、層次深度以及相應的基巖類型。通過這些數據，用戶可以全面了解節點的狀態和特征，從而做出相應的決策和分析。此外，用戶還可以對每個節點進行修改和刪除操作。通過修改節點信息，用戶可以更新節點數據或調整相關參數，以保持數據的準確而刪除節點功能用戶清理或不需要的節點記錄，以提高數據管理效率。這樣的靈活性和操作性使用戶能夠更好地管理節點，并輕松地調整和優化監測系統的配置。

1.3.5" 主要功能和特點

實時監測：軟件能夠足夠接收并實時顯示地震臺陣的數據，讓用戶能夠及時了解地震活動。

數據分析：軟件提供數據處理和分析功能，用于提取地震事件的關鍵信息和特征參數。

數據存儲和管理：軟件能夠足夠高效地存儲和管理大量的地震數據，方便用戶進行數據查詢和統計分析。

可視化展示：通過圖表、地圖等可視化方式，軟件將地震數據以直觀的形式展示給用戶，提供更好的數據管理理解和分析能力。

2" 軟件設備的協議設計

此系統軟件與設備的數據傳輸協議采用MQTT協議，這種協議能夠實現高效可靠的消息傳輸。在系統中，中心端通過消息隊列對傳輸的數據進行緩存。這樣做的好處是可以平衡數據傳輸和數據處理之間的速度差異，避免數據丟失或堆積。中心端通過啟動消息消費線程，完成對緩存數據的存儲和狀態數據的更新。

通過使用消息隊列，系統能夠實現異步的數據處理和存儲。當節點端向中心端發送數據時，數據會先被存儲在消息隊列中，而不是立即進行處理。這樣，即使中心端的處理能力有限或出現短暫的故障，數據也能得到保留，不會丟失。同時，中心端可以根據自身的處理能力和優先級，靈活地消費消息隊列中的數據，確保及時處理和存儲重要的數據。

消息消費線程負責從消息隊列中取出數據并進行存儲和狀態數據的更新。這種線程的設計能夠有效地利用系統資源，提高數據處理的效率。通過將數據存儲和狀態數據更新分離到獨立的線程中，系統可以同時進行多個任務，提高整體的并發性能。

使用MQTT協議和消息隊列進行數據傳輸和處理，可以確保數據的可靠性和高效性。中心端通過消息消費線程完成數據存儲和狀態數據更新，提高了系統的穩定性和響應速度。

3" 研究意義

地震野外流動監測是預測和預防地震災害的重要手段。無線網絡系統在地震野外流動監測和無人值守測中起著關鍵作用。本文研究了地震觀測儀器在自組網絡中的接入商機械和實踐技術流程，并基于此設計了整體網絡系統架構方案[6]。該方案實踐了觀察儀器的動態接入，支持地震野外匯動態監控臺網的動態組網監控，快速匯集和管理包括基礎數據在內的觀察數據，并高效輸出數據產品。通過設計地震密集綜合觀測臺陣點管理與通信單元模塊，采用統一通信協議與觀測臺陣中的設備進行通信[7]。平臺可視化開發監控、管理和控制業務，設計了很多設備數據接入和傳輸的動態調頻機制。該機制根據優先級、鏈路鏈路狀態和數據匯集端計算資源情況等，分配大量資源和線路，為臺陣監測與研究提供了方便、高效的數據獲取服務。

4" 結論

本研究利用無線Mesh網絡同時具有WLAN和Ad-hoc的特點，設計無線多跳的密集觀測臺網的自組網傳輸系統，針對地震密集綜合觀測的實際需求，設計一體化管理節點與通信單元，對野外觀測站點各類傳感器進行統一管理，實現統一供電、授時和數據采集的管理功能，搭建臺陣監控管理平臺，具有節點管理、數據匯集、數據存儲管理和運行監控等功能，實現臺陣實時數據傳輸和動態監控[8]。臺陣監控軟件是一款用于管理和監控地震臺陣的應用程序，其提供了對地震臺陣的實時監控、數據采集和分析的功能。該軟件的主要目標是現實對地震活動的快速響應和準確的數據分析，以支持地震預警和科學研究。

參考文獻：

[1] 李東偉.基于無線Mesh網絡的應急救援通信系統的設計與實現[D].西安：西北大學，2019（1）：76.

[2] 吳永紅.多接口多信道無線Mesh網絡信道分配與路由度量算法研究[D].沈陽：遼寧大學，2019（10）：66.

[3] 劉俊昌，何林.無線Mesh網絡通信技術在露天礦調度系統中的應用研究[J].露天采礦技術，2017（12）：37-40.

[4] 楊雅頌.基于無線Mesh網絡技術視頻監控系統的實現[D].福州：福州大學，2019（5）：56.

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[7] SURAJ S， ZHAO Y X，WANG G D，et al. Improved Hybrid Wireless Mesh Protocol with Modified Routing Metric in Smart Meter Networks[C//Proceedings of 2017 9th International Conference on Modelling， Identification an;d Control （ICMIC 2017）， 2017（7）：960-965.

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