基于ZigBee协议的地震开关的设计

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第 33卷增刊(I)2 0 1 3年 9月大 地 测 量 与 地 球 动 力 学J0URNAL OF GEODESY AND GEODYNAMICSVo1．33 Supp．(I)Sept．，2013文章编号：1671—5942(2013)Supp．(I)-0183-03基于 ZigBee协议的地震开关的设计吴雄伟 ’ 李道忠 ， ’ 于来宝 ， ’／1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071、＼2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071 ／摘 要 设计了一种基于ZigBee协议的地震开关，布设于大型建筑物，实时采集地震动加速度值，若加速度峰值(PGA)或累积绝对速度(CAV)达到设定 阈值时，通过无线网络发出报警指令以及控制命令，切断电源、煤气等次生灾害源。

关键词 ZigBee协议；强震；地震开关；PGA；CAV中图分类号：TH762 文献标识码：ADESIGN oF SEISM IC SW ITCH BASED oN ZIGBEE PRoTOCoLWu Xiongwei ’ ．Li Daozhong ， )and Yu Laibao ’ )／1)Key Laboratory ofEarthquake Geodesy，Institute ofSeismology，CEA，Wuhan 430071＼＼2)Wuhan Base ofInstitute of Crustal Dynamics，CEA，Wuhan 430071 ／Abstract A ZigBee—based seismic switch is proposed，which is emplaced in or outside some large buildings，and the seismic acceleration can be real—time colected．If Peak Ground Acceleration r PGA)or Cumulative AbsoluteVelocity(CAV)exceeds the set threshold，the switch wil give a alarm command via ZigBee wireless network to cutof the power，gas and other dangerous sources in order to avoid secondary disasters.

Key words：ZigBee protocol；violent vibration；seismic switch；Peak Ground Acceleration(PGA)；CumulativeAbsolute Velocity(CAV)1 引言地震预报与抗震是防震减灾的两大措施 ，但到目前为止 ，我们还无法在地震到来之前进行预警。

建筑物的抗震设计虽然可以有效减小灾害，但抗震工程的建设需要投入大量的人力物力，目前仅应用于少量关键建筑物和一些重大设施。因此，有必要研发一种设备，作为抗震设计的补充，在地震到来的瞬问发出报警提示，同时自动切断电源、煤气，为人员疏散赢得宝贵时间，有效减小次生灾害。

本文设计一种地震开关，若 PGA和 CAV达到设定阈值，则发出报警以及控制指令，经由ZigBee协议构建的无线网络，将指令传送控制中心，切断水、电、煤气等灾害源头。

2 设计原理为了实时监测建筑物各个部位的振动状况，系统采用 ZigBee技术构建网状无线网络，将多个地震开关布设在建筑物内部和四周。每个地震开关作为ZigBee网络的终端设备，实时监测采集地振动加速度，并计算CAV，当计算结果超过预设阈值时，通过无线网络发送报警信号；在建筑物配电房或供气站收稿日期：2012—11-06基金项目：中国地震局地震研究所所长重点基金(1366)作者简介：吴雄伟，男，1981年生，硕士，工程师，主要从事地震监测仪器的设计研发工作．E—mail：wwweIl###163
． c0m 184 大地测量与地球动力学设置控制中心，随时接收所有地震开关的报警指令，一 旦有地震报警 ，立即切断水、电、煤气等可能引发次生灾害的源头。

终端设备的加速度传感器选用 HAAM．326型MEMS加速度计，通过 A／D转换器 AD7716模块将加速度计的电压信号转换为数字信号，并 由 AD.

SP2181型 DSP完 成数据计 算；选 用 TI公 司 的CC2530无线模块实现ZigBee无线组网(图 1)。

l I块 ． I模块一l天线 _∈
■ 计 调零螺程，图 1 设备结构Fig．1 Equipment structure3 系统设计3．1 ZigBee无线传输模块系统使用TI公司的CC2530芯片作为无线终端和协调器的主芯片，是一款符合 IEEE802．15．4标准的ZigBee无线网络芯片，模块通过编程后，既可作为终端发送测试数据，也可作为协调器或路由器进行无线组网。组网后，各模块之间使用 2．4G的公共频段进行通讯，不会对其他设备产生干扰。

3．2 地震动数据采集与计算模块选用 HAAM．326型加速度计进行加速度值的采集，其内部结构是由三片微型电容传感器集成封装而成，可同时检测三个正交方向上的加速度信号，量程为 ±2 g，可满足绝大部分工程现场的需求，响应频带为 0—200 Hz，涵盖了强震频段。加速度计将待测点的横向、纵向以及垂直向的加速度值转化为电压值 ，经 A／D模块转换后传送到 DSP中进行数据计算。

4 软件设计4．1 地震报警的判别与噪声剔除设备现场使用时，会因环境因素、人为因素以及电噪声的干扰，导致地震报警的误触发；同时，重物坠落和附近大型机械的运行都会导致采集到的加速度值超限而出现假地震报警，本设备主要用于监测强震对建筑物的破坏，因此，可以根据设备使用范围以及强震的物理特征，在软件中设置限定条件剔除非地震信号干扰和噪声。

造成破坏的强震频率一般为 1至几十赫兹?，而重物坠落以及大型机械的干扰源噪声频率较高，因此，这类干扰源可从强震的频率特征上进行剔除。

依据强震设计规范，采用冲击滤波法将有效信号限定在(0．5～33)Hz以内 J，剔除高频噪声，即触发报警的地震信号为(0．5～33)Hz范围内有效，这样既有效地检测了低频信号，也剔除了高频振动信号的干扰；对于小于报警阈值的强震，长时间累加在建筑物上也会对其结构造成永久性的损伤，为了对地震累计破坏性进行判断，在本系统中引入 CAV报警项 。根据定义，CAV=CAVi+J 0(t)dt (1t ) +△
若利用式(1)进行计算 ，将会将加速度较小、不具有破坏性的地面振动记入 CAV，也会将瞬时冲击干扰源当作有效数据进行记录，导致出现误报警。为了解决这一 问题，系统软件采用分段记录与多次阈值超限为条件进行数据判别，具体计算方式如下：将数据按照 1 S时间进行等分 ，若这一秒钟内有两次以上加速度值超过设定阈值，且数据之间的时间间隔小于30 ms(33I-Iz)，则该秒内数据为CAV有效数据。此时，CAV=CAV,+ 。(n) (2)图2为地震开关采集到的一段振动台加速度信号，将 CAV阈值设定为0．025 g，依照判别方法，1～2 S内数据无超限，则丢弃；2～6 S内数据满足条件，则累加；6～7 S内只有一个尖峰超过阈值，则判别为噪声，不进行累加。

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} li1 ＼4．2 多台地震开关组网地震开关通过 Zigbee无线网 与建筑物内设定的控制中心进行无线通讯。当检测到地震报警或 CAV报警后，必须通过无线网络将报警指令传送到控制中心完成后续控制流程，因此，必须检测无线s／增刊(I) 吴雄伟等：基于 ZigBee协议的地震开关的设计 185网络的可靠性。

选取钢筋混凝土结构房屋作为测试场地，将两套地震开关组网后，一个放置在设定的室内，另一台放置于不同的距离进行点对点测试，测试结果见表 1。

表 1 测试结果Tab．1 Test results表 1可见，单一的点对点组网实际上无法现场使用 J，必须在在协调器与终端之间增加路由通讯模块形成网状组网方式。从图3可知，离协调器较近的终端可直接传输信号，而布设较远的终端无法直接传输到协调器时，就从路由器进行中转。经测试，组成网状网络方式后，终端离协调器距离 100 m可有效通讯。

图3 网络状态转换Fig．3 Net station transition5 系统测试为了测试设备的频响以及数值采集的精度，从装配好的地震开关中抽取 3台，使用振动台模拟地震，并采用 GEO公司的 GSR一18型记录器与 AC-23型核级传感器现场比测(图4)，测试结果如下：地震开关在 1～50 Hz频率范围内无共振；在 1—33 Hz内响应平坦，在超过33 Hz的高频段有较大的下降。

测试表明，地震开关终端可以有效地实现地震和CAV报警，达到了设计要求；现场网络布设完成后，在拷机过程中反复增减路由器数量以及更改路由器的安装位置，得出了路由器的最佳安装方位和数量，最大限度地减少了系统的复杂性并降低了成本。

0．30．25O-20．150．10．O50R 、
j{ 、、 ＼ l一 Il — 。一 厂 I 10 1O 2O 3O 40 5O频率／Hz图4 幅频响应对 比Fig．4 Comparison of frequency response6 结语详细阐述了ZigBee协议的地震开关的设计原理，并完成了系统的硬件与软件设计，经过实地测试 ，表明地震开关终端可以有效地实现地震和 CAV报警，为抗震工程提供了一种新的预警方法。

参 考 文 献1 库尔哈莱克．地震图解析[M]．北京：地震出版社，1992.

2 核电厂地震仪表准则[S]．中国核工业总公司，1993.

3 朱翊洲，绝对累计速度 CAV的标准算法及其对地震监测的影响[J]．噪声与振动控制，2012，4(2)：182—184.

4 ZigBee Specifciation[S]．ZigBee Standards Organization，2007.

5 李长江，王玉芬．基于 ZigBee技术的矿井监控系统研究[J]．安阳工学院学报，2012，4(11)：40—42.

(上接第 182页)253高程廊道静力水准仪的标定记录，其中△ 为标定装置的变化量，△日7l(为各个测点仪器主体中水位变化值。K=△月 水／△ 85输出，△ 85输出是仪器 485数字信号输出采集 获取 的数值 J。当标定装 置(△日棒)变化 30 mm时，各测点水位的变化(,al水)为10 mm。

行状态稳定。

6 结语JSY—ID型静力水准仪系统在向家坝水电站工程监测中的应用表明，该静力水准测量系统具有稳定好、可靠性高等特点。

参 考 文 献5 静力水准测量观测结果计算与处理 1戴加东
，等．静力水准自动化监测系统在某工程 中的应用各个测点的仪器观测采用 H =K×H485输出计 ? ．工程勘察，2009，(5)：80.

算。每个测点的实际沉降参照静力水准测量的工作 2 陈德福，聂磊·液体静力水准仪及其应用[M]·北京：地震原理进行计算。整个静力水准测量系统 自2012年 出版社，200 ·10月安装调试完，运行至今，仪器没有发生故障，运