一种基于无线振动传感器网络的地震预警系统

1.本发明涉及地质灾害监测领域，特别是一种基于无线振动传感器网络的地震预警系统。


背景技术：

2.地震预警是指地震发生前，对地震前兆异常和地震活动的监测和分析，从而判断是否发生地震和地震的严重程度。一旦发生严重地震，不仅会对生命造成威胁，而且会对经济造成巨大的损失。为更好的保护人民生命安全，减少地震带来的损失，需要对地震进行监测预警。因此，研究一种地震预警系统十分重要。
3.目前，对于地震预警通常都是政府或者专门机构进行，需要耗费大量的人力和物力。对地震主要的监测仪器有强震仪、地震仪、电磁波测量仪、加速度计等。现如今地震预警系统中主要使用zigbee、gprs、lora等无线数据传输技术，但其具有传输数据量小、传输速率慢、易受干扰、网络拓扑结构复杂等问题，导致地震预警系统的准确性与实时性较差。振动传感器具有简单、灵活、便携等优势，广泛用于载体表面的位移、速度、加速度等振动量值测量。无线振动传感器因其具有自组织、自愈合的特点，在地震、滑坡、泥石流等地质灾害预警和安全防治方面广泛使用。现如今，4g传输技术已经成熟，并且国内4g覆盖率达到了96.9％，相较与其他传输方式，4g传输技术具有超远距离传输，传输数据量大，传输速率快等优势。因此，提出使用4g无线数据传输方式的无线振动传感器网络对地震的x、y、方向加速度进行监测，提高数据的传输效率，简化了网络的拓扑结构，降低了地震预警系统的成本，以助于对地震进行有效的预警，更好的保障人民群众的生命安全。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种基于无线振动传感器网络的地震预警系统。它简单高效、部署灵活、低成本，能实现对地震进行实时预警，以克服现有技术的不足。
5.本发明的技术方案：一种基于无线振动传感器网络的地震预警系统，包括如下步骤：
6.1)将由多个无线振动传感器组成的传感器网络分布式部署在地震监测区域内的不同位置，通过每个网络节点的传感器实时监测区域内的地面加速度；
7.2)通过无线数据传输模块将监测的地面加速度数据发送至云端服务器并进行存储，监控中心从云端服务器实时接收监测的地面加速度数据，并对其进行正确解码；
8.3)根据监测的地面加速度解算地震合成加速度与速度，并实时显示地震合成加速度与速度波形；
9.4)利用地震合成加速度与速度解算地震烈度，并与标准地震烈度表进行对比得到相应的地震等级，若监测区域内监测地点的地震等级超过报警阈值，则根据地震等级触发报警器发出相应等级的报警信号。
10.所述的地面加速度为传感器监测点的x、y、z方向加速度。
11.所述监控中心从云端服务器实时接收监测的地面加速度数据，并对其进行正确解码，具体根据传感器发送数据的报文格式将地面加速度数据正确解码为对应的十进制加速度。
12.地面加速度解算地震合成加速度与速度，具体包括：
13.(1)地面加速度包括x、y、z三个方向，分别代表东西方向、南北方向、垂直方向；
14.(2)采用如下公式计算合成加速度：
[0015][0016]
式中：a(ti)、a
x
(ti)、ay(ti)、az(ti)分别为ti时刻点的合成加速度、x方向加速度、y方向加速度、z方向加速度，单位为m/s2；
[0017]
(3)对于合成速度，采用如下公式计算：
[0018][0019]
式中：v(ti)、v
x
(ti)、vy(ti)、vz(ti)分别为ti时刻点的合成速度、x方向速度、y方向速度、z方向速度，单位为m/s。
[0020]
所述的利用地震合成加速度与速度解算地震烈度，具体是：
[0021]
(1)合成地面加速度的最大值pga与合成地震速度的最大值pgv描述为：
[0022][0023]
其中，n表示在10s内，传感器测量地面加速度的次数；
[0024]
(2)地震烈度i表示为：
[0025]
ia＝3.17log
10
(pga)+6.59 (4)
[0026]
iv＝3.17log
10
(pgv)+6.59 (5)
[0027][0028]
若i小于1.0，取1.0；若大于12.0，取12.0。
[0029]
所述实时显示地震合成加速度与速度波形，具体包括地面加速度波形显示模块、合成的加速度、速度波形显示模块、地震烈度等级显示模块、报警信号显示模块、无线振动传感器在线/离线指示灯、电子时钟显示模块及系统状态指示灯。
[0030]
所述的无线振动传感器为三轴向振动传感器，分辨率为0.1mg，精度为10mg，量程为
±
2g，采样率为0～200hz，无线传输方式为4g无线数据传输方式，无线振动传感器固定于塑料防水盒内，铝制氧化磨砂处理的底座固定在防水盒底面，固定面与防水盒采用ab胶粘连，防水盒上打孔并使用防水接头外接1.5m的延长天线。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：针对当前的地震预警系统存在测量系统复杂、灵活性差、建设维护成本高等问题，本发明提出一种高效、简单、灵活、低成本的地震预警系统，具有数据传输效率高、网络拓扑结构简单、建设及维护成本低等优势，可实现对地震的高效预警。
附图说明
[0032]
附图1为本发明的网络结构示意图；
[0033]
附图2为本发明的流程图；
[0034]
附图3为地震x、y、z方向加速度数据处理流程图。
[0035]
附图4为无线振动传感器的安装示意图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步说明。
[0037]
为了解决地震预警系统存在测量系统复杂、灵活性差、建设维护成本高等问题，本发明提供一种基于无线振动传感器地震预警系统。通过对地震的x、y、z方向加速度进行测量和分析，从而实现了对地震的实时预警，下面结合附图对本发明做出详细的描述。
[0038]
本发明的实施例：一种基于无线振动传感器网络的地震预警系统，如图4所示，将无线振动传感器1采用m4螺丝固定于塑料防水盒2内，防水盒固定在铝制基座3上，在防水盒上打孔并使用防水接头外接延长天线4，将其安装至地面下一米处或地下室实时监测地面加速度。如图1所示，无线振动传感器1实时监测不同位置x、y、z方向加速度并发送至云平台服务器2，云平台服务器2储存加速度数据，并同时向监控中心实时发送加速度数据；数据处理与显示单元3从云平台服务器2接收加速度数据并对数据进行正确解码，解算地震合成加速度、合成速度及地震烈度，通过可视化人机交互界面实时显示地震合成加速度与速度的波形，利用地震合成加速度与速度解算地震烈度，并与标准地震烈度表进行对比得到相应的地震等级；根据相应的地震等级触发报警器4发出相应的警报提醒用户。本实施例的无线网络为4g网络，其成本低，范围广，且数据传输速度能满足当前使用需求。
[0039]
工作流程如图2所示，具体包括如下步骤：
[0040]
1)将由多个无线振动传感器组成的传感器网络分布式部署在地震监测区域内的不同位置，通过每个网络节点的传感器实时监测区域内的地面加速度；地面加速度为传感器监测点的x、y、z方向加速度。
[0041]
2)基于python编程，并通过tcp/ip协议连接云端服务器，从云端服务器实时接收多个振动传感器监测的加速度数据，并对其进行正确解码；具体根据传感器发送数据的报文格式将地面加速度数据正确解码为对应的十进制加速度。
[0042]
3)根据监测的地面加速度解算地震合成加速度与速度，并实时显示地震合成加速度与速度波形；具体包括：
[0043]
s11)地面加速度包括x、y、z三个方向，分别代表东西方向、南北方向、垂直方向；
[0044]
s12)采用如下公式计算合成加速度：
[0045][0046]
式中：a(ti)、a
x
(ti)、ay(ti)、az(ti)分别为ti时刻点的合成加速度、x方向加速度、y方向加速度、z方向加速度，单位为m/s2；
[0047]
s13)对于合成速度，采用如下公式计算：
[0048][0049]
式中：v(ti)、v
x
(ti)、vy(ti)、vz(ti)分别为ti时刻点的合成速度、x方向速度、y方向
速度、z方向速度，单位为m/s。
[0050]
4)利用地震合成加速度与速度解算地震烈度，并与标准地震烈度表进行对比得到相应的地震等级，若监测区域内监测地点的地震等级超过报警阈值，则根据地震等级触发报警器发出相应等级的报警信号。
[0051]
所述的利用地震合成加速度与速度解算地震烈度，具体是：
[0052]
s14)合成地面加速度的最大值pga与合成地震速度的最大值pgv描述为：
[0053][0054]
其中，n表示在10s内，传感器测量地面加速度的次数；
[0055]
s15)地震烈度i表示为：
[0056]
ia＝3.17log
10
(pga)+6.59 (4)
[0057]
iv＝3.17log
10
(pgv)+6.59 (5)
[0058][0059]
若i小于1.0，取1.0；若大于12.0，取12.0。
[0060]
s16)若地震烈度大于2.5且小于4.5，对应地震等级为3级到4级，则触发一级警报；若地震烈度大于4.5且小于6.5，对应地震等级为5级到6级，则触发二级警报；若地震烈度大于6.5，对应地震等级为7级以上，则触发三级警报。
[0061]
上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

技术特征：
1.一种基于无线振动传感器网络的地震预警系统，其特征在于，包括如下步骤：1)将由多个无线振动传感器组成的传感器网络分布式部署在地震监测区域内的不同位置，通过每个网络节点的传感器实时监测区域内的地面加速度；2)通过无线数据传输模块将监测的地面加速度数据发送至云端服务器并进行存储，监控中心从云端服务器实时接收监测的地面加速度数据，并对其进行正确解码；3)根据监测的地面加速度解算地震合成加速度与速度，并实时显示地面合成加速度与速度波形；4)利用地面合成加速度与速度解算地震烈度，并与标准地震烈度表进行对比得到相应的地震等级，若监测区域内监测地点的地震等级超过报警阈值，则根据地震等级触发报警器发出相应等级的报警信号。2.根据权利要求1所述的基于无线振动传感器网络的地震预警系统，其特征在于：所述的地面加速度为传感器监测点的x、y、z方向加速度。3.根据权利要求1或2所述的基于无线振动传感器网络的地震预警系统，其特征在于：所述监控中心从云端服务器实时接收监测的地面加速度数据，并对其进行正确解码，具体根据传感器发送数据的报文格式将地面加速度数据正确解码为对应的十进制加速度。4.根据权利要求2所述的基于无线振动传感器网络的地震预警系统，其特征在于：地面加速度解算地震合成加速度与速度，具体包括：(1)地面加速度包括x、y、z三个方向，分别代表东西方向、南北方向、垂直方向；(2)采用如下公式计算合成加速度：式中：a(t
i
)、a
x
(t
i
)、a
y
(t
i
)、a
z
(t
i
)分别为t
i
时刻点的合成加速度、x方向加速度、y方向加速度、z方向加速度，单位为m/s2；(3)对于合成速度，采用如下公式计算：式中：v(t
i
)、v
x
(t
i
)、v
y
(t
i
)、v
z
(t
i
)分别为t
i
时刻点的合成速度、x方向速度、y方向速度、z方向速度，单位为m/s。5.根据权利要求4所述的基于无线振动传感器网络的地震预警系统，其特征在于：所述的利用地震合成加速度与速度解算地震烈度，具体是：(1)合成地面加速度的最大值pga与合成地震速度的最大值pgv描述为：其中，n表示在10s内，传感器的采样点数；(2)地震烈度i表示为：i
a
＝3.17log
10
(pga)+6.59 (4)iv＝3.17log
10
(pgv)+6.59 (5)
若i小于1.0，取1.0；若大于12.0，取12.0。6.根据权利要求1所述的基于无线振动传感器网络的地震预警系统，其特征在于：所述的无线振动传感器为无线三轴向振动传感器，将无线振动传感器放置在防水盒内，将其安装至地面下一米处或地下室实时监测地面加速度。

技术总结
本发明涉及一种基于无线振动传感器网络的地震预警系统，将由多个无线振动传感器组成的传感器网络分布式部署在地震监测区域内的不同位置，通过每个网络节点的传感器实时监测区域内的地面加速度；通过无线数据传输模块将监测的地面加速度数据；根据监测的地面加速度解算地震合成加速度与速度；利用地震合成加速度与速度解算地震烈度，若监测区域内监测地点的地震等级超过报警阈值，则根据地震等级触发报警器发出相应等级的报警信号。本发明针对当前的地震预警系统存在测量系统复杂、灵活性差、建设维护成本高等问题，提出一种高效、简单、灵活、低成本的地震预警系统，可实现对地震的高效预警。的高效预警。


技术研发人员：杨明 朱鑫 王德光 梁成斌
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/6/26