廉殷朝 李晓东 颜龙 斯琴 闫玮

摘要：为丰富新疆地震监测台站及灾害现场等区域对气象数据的需要，弥补新疆地球物理观测有人或无人值守台站以及GNSS台站缺少辅助观测手段的现状，设计并实现了基于嵌入式的气象辅助观测系统。该系统集成雨量、温度、气压、湿度等测项，具有低功耗、低成本，易操作、便携且可扩展性强等优点，能够大幅降低气象辅助观测台网式布局成本，填补新疆区域地震监测台站气象辅助观测资料空区，较好满足地震监测工作对气象数据的需求，为地震监测预报人员以及其他科研人员提供连续可靠的近点气象观测资料。

关键词：地震监测；气象观测；嵌入式；集成

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.01.012

在同地震灾害长期斗争中，通过不断的对比观测，研究人员收集到许多地震发生时的气象前兆资料并总结发现其与地震有密切的关系，可为地震预报提供定性参考。根据李欣荣等研究表明，喀什地区地震年度分布与年气温变化有关^［1］。喀什年气温自90年代开始变暖，尤其是1997年以来比历年明显偏高1 ℃左右。1997年1月21日到6月24日伽师连续发生了9次5级以上的地震，分析认为喀什地震的多发年代与气温异常变暖有密切的关系。祝晓江等学者也有相关的深入研究^［2-6］，通过研究发现，正确的气象资料不仅为地震预报相关研究提供基础数据资料，还对地震自生和次生灾害研判、震后的应急救援工作等具有一定的决策作用。此外，判断一个地震监测台站观测数据异常变化是否为地震前兆异常，通常需判断其是否满足3个必要判据：1） 有正常背景；2） 非干扰影响；3） 与地震相关。其中第二方面的排除过程需要近距离、连续的气象资料为定性、定量的分析工作提供依据。

值得一提的是，截止2022年，新疆维吾尔自治区地震局在网运行气象辅助观测设备仅11套，还不能满足科研人员日常分析的数据需求，同时来源于气象系统的区域性气象监测资料定点精准性不足，也无法为地震预报和异常的判定提供依据。综上所述，如何借助于快速发展的现代物联网技术和嵌入式微处理技术，研发低成本、低功耗和灵活部署的气象辅助观测系统，填补新疆区域地震观测定点气象辅助观测空区，以此提高地球物理资料分析处理能力和异常识别能力，是值得深入研究的。

1 区域背景

新疆地处欧亚大陆腹地，由南到北分布有5大主要地震带^［7-8］，历史上频繁发生的地震给人民生命财产带来了严重损失。为有效监测震前异常信息，尽量避免外部环境对地震监测的干扰，新疆维吾尔自治区地震局建立了很多无人值守地球物理观测台站，无人值守模式大大消除了外部環境对地震观测的影响，能够给科研人员提供稳定、连续、可靠的数据^［9］。截止2022年，新疆地球物理观测台网在网运行观测站有56个，共计149套观测仪器，394个测项分量（图1），各地州也有一定数量的地球物理观测站点，从地球物理监测站的分布来看，受地理条件限制主要分布在天山地震带，在网运行的地球物理监测站的气象辅助观测设备11台套，仅占观测设备总数的不到10%。影响气象辅助观测台网式布局的主要原因就是气象辅助观测设备普遍价格较高，不利于大范围台网式布局。

2 架构及硬件选型

2.1 系统架构

气象辅助观测设备多以嵌入式主控+WinCE等辅助系统为基础进行组合式的硬件架构，其优点在于开发周期短，系统集成度高；但因安装了复杂的Windows系统，使得设备造价较高，并且受野外恶劣环境影响，WinCE系统的故障率较高，尤其在冬季低温下工作时易造成设备死机等问题。因此考虑到设备的硬件成本、环境因素、运维成本等，项目采用基于ARM架构的纯嵌入式开发模式，除主控MCU外不采用任何外部辅助系统。ARM 处理器因为高性价比、丰富的片上资源等优势，在各个自动化领域嵌入式系统开发中都有广泛使用，考虑到采集器的功能、功耗、总体成本与稳定性，主控MCU选择使用目前性价比高且相对成熟稳定的STM32系列芯片，其主要特点就是接口丰富，运行速度快，寻址方式灵活，能够提高执行效率，在各个方面都能够很好的满足项目需求，节约系统硬件成本，提高设备工作的稳定性，产出连续可靠的数据产品。

通常数据采集器硬件系统（以下简称采集器）设计还需要对稳定性、功耗、数据处理能力和可扩展性进行考虑，因此根据功能将采集器划分为主控MCU，气象传感器、无线通信、以太网通信、电源控制等主要部分（图2）。采集器可实现自动采集环境温度、湿度、大气压、降雨量等信息，并按规定格式进行存储。用户根据需要可选择有线或无线传输方式进行数据交互；同时可利用嵌入式WEB服务器对设备的IP、网关、参数信息进行配置^［10-11］；通过串口或者USB接口从采集器中读取历史数据。

2.2 气象传感器

温度传感器选择已校准数字式输出温湿度传感器，传感器包含一个电容式感湿元件、NTC测温元件和一个8位单片机，测量范围（-40）℃～90 ℃，具有比较高的可靠性与长期稳定性^［12］。传感器使用单线制串行接口，单总线模式使系统集成变得简易快捷。

其具有体积小、功耗低，传输距离远的优势，在对环境温度与湿度测量要求较高的环境中与主控MCU结合使用，可快速实现温湿度相关的测量。主控MCU输入输出接口PB1与温度传感器单总线连接（图3a），主控MCU向传感器发送一个读取数据命令，传感器则相应串行返回40位的观测数据，由主控MCU读取并格式化存储到硬件存储器。气压传感器采用数字式气压传感器，其拥有更低的功耗，更小的尺寸、更高的分辨率和更宽松的观测环境要求^［13］。传感器使用I2C通信方式，主控MCU通过I2C协议驱动PB10、PB11即可获得到当前大气压和海拔高度数据（图3b）。雨量传感器选择485型光学雨量计，区别于传统气象观测使用的机械式雨量桶，光学雨量计传感器内部采用光学感应原理测量降雨量，内置多个光学探头，雨量检测可靠。可广泛应用于气象监测、地质灾害监控等领域。光学雨量计具有体积小、功耗低、易维护、数据准确等特点^［14］。本项目所使用光学雨量计传感器使用485接口与主控MCU通信，主控MCU输入输出接口PC7、PC6、PG8通过RS485转换芯片连接至雨量计485输出接口进行数据的收取和传感器控制功能（图3c）。

2.3 数据传输

依据地震行业标准^［15］，要求设备在TCP/IP协议基础上支持WEB和指令控制方式的数据传输与控制功能，也就是每台仪器需要一个固定的 IP 地址^［16］。因此采集器保留以太网数据传输模式，采用台站现有以太网链路与服务器进行数据交互，同时服务器可通过以太网链路下发符合《规程》要求的设备参数配置、SNTP等控制指令。以太网模块采用较为成熟稳定的LAN8720A芯片。图4为以太网模块外围电路原理图，以太网芯片与主控MCU之间使用SPI接口通信。

3 采集器设计与实现

3.1 硬件设计

采集器硬件设计采用国产PCB（印刷电路板）设计软件立创EDA^［17］进行设计并贴片生产，硬件集成在10 cm×10 cm的双层电路板上，主控MCU、传感器、无线控制芯片均采用插接设计，达到便携、易维修的目的。系统硬件设计工作主要包括：

（1） 为优化信号传输质量，避免走线间信号干扰，对主控MCU、无线传输模块、以太网模块等输入输出信号线的布局和走线进行优化设计；

（2） 为匹配传感器输出，使传感器工作稳定，根据传感器参数设计传感器外围电路；

（3） 为匹配现有台站电源供应方式，数据采集器采用12 V直流输入，使用DCDC（直流变换）输出3V3及5V电源接口供主控MCU和传感器等模块使用。

3.2 嵌入式程序

一般嵌入式开发采用编译型的C/C++作为嵌入式开发语言，本研究采集器嵌入式编程语言采用基于Python3的Micropython编程语言，其是为了在性能有限的微控制器上运行而产生，相比编译型语言具有较大优势，主要表现在拥有良好的平台兼容性和丰富的库文件，屏蔽底层细节，易于工程人员使用，可扩展性高等，能够大幅降低开发难度和周期。

因采集器大部分时间处于数据采集处理状态，来自外部的访问命令较少，为简化系统主程序，提升系统稳定性，主控MCU未使用RTOS（实时操作系统），无法实现任务调度和并行处理，因此采集器主程序分为采集状态、处理状态和待命令状态，优先级依次降低互斥执行，以此保证数据采集和处理任务的连续可靠。如图5所示，系统上电复位后自动初始化系统模块，初始化结束后进入待命令状态并启动定时器，采集任务定时器触发采集状态后进入数据采集阶段，数据采集任务结束后进入数据处理状态进行数据格式化加工，生产符合要求的待交换数据，最后进行数据存储、显示或通过通信模块交换数据。

采集器單次数据采集任务结束后复位看门狗定时器，看门狗定时器触发前未接到复位命令则自动复位整个系统，保障系统长期稳定运行。同时系统可通过以太网对主控MCU下达系统复位命令，当以太网故障时可通过无线通信模块下发系统复位命令，最大程度保障系统快速恢复正常观测状态。

3.3 数据采集

采集器采用C/S架构，即客户端/服务器模式，数据存储在采集器内部存储卡中，使用以太网或无线传输网络发送数据至数据中心进行存储和处理，采集器通过3种模式进行数据传输：1） 采集器自动链接至外部服务器进行数据存储（主动发送数据）；2） 接受来自外部服务器的数据访问命令并返回相应的数据（被动返回数据）；3） 通过MQTT协议发布数据（广播实时数据）。

图6a为采集器采集并通过MQTT协议^［18］发布数据的部分程序代码（代码较长进行部分省略），主程序初次运行时初始化系统关键模块（I2C、485等）和气象传感器、定时器（触发采集状态、重置雨量数据等功能）、以太网、无线传输（基于MQTT协议）等模块，初始化后主程序进入待命令状态并启动系统采集任务定时器，定时器触发采集信号后，主程序将采集标志_flag置1进入采集阶段，采集任务结束后主程序将_flag置2进入数据处理阶段，主程序对此次采集到的传感器数据进行格式化并写入当日临时存储文件，随后通过无线传输模块将格式化数据打包发布至MQTT中间件；最后主程序将_flag置3再次进入待命令状态，等待下一次采集任务命令或响应外部访问命令。外部管理系统或手机APP等终端通过订阅指定台站的MQTT话题即可获取实时观测数据（图6b），有效降低数据收发难度和系统耦合。

4 管理系统设计

4.1 数据库设计

采集器以文本文件形式组织数据，每日产出一个当日分钟值文本文件，存储于内置存储卡中，数据符合地震行业标准中规定的气象数据测项代码及数据格式。气象辅助观测后端管理系统（简称管理系统）隔日自动收取采集器存储卡中的分钟值观测数据。与前兆台网数据库相似，管理系统数据库也分为分钟值表、整点值表、日均值表，台站信息表，由于系统只收取气象辅助观测数据，数据单一，系统没有设计测项代码表和台站测项代码表，而是将测项代码直接纳入台站信息表中^［19］（图7）。

鉴于目前观测数据存储在独立数据库中，数据最终仍需要转换为文本文件后交预报人员作图分析，气象数据无需进行跨表关联查询等业务操作，管理系统在数据库入库的同时采用文本文件方式进行数据备份存储，数据自动存储在服务器硬盘中，同时开放数据接口供科研人员使用。同时为后期设备正式定型后数据接入前兆台网数据库，系统保留《规程》规定的基于TCP/IP协议的数据采集接口。

4.2 管理系统实现

管理系统采用B/S架构（Browser/Server），即浏览器/客户端模式，分3层结构设计，即展示层、服务层、数据层，用户通过Web浏览器即可通过展示层访问管理系统，利用服务层预定好的程序进行数据操作，并通过数据层存储功能对数据进行CURD（创建、更新、读取、删除）操作^［20］。管理系统采用基于Javascript的Vue.js前端编程框架开发，Vue.js是一套用于构建用户界面的渐进式前端框架。与其他大型框架不同的是，Vue 被设计为可以自底向上逐层实现应用，不仅易于上手，还便于与第3方库或既有项目整合，其响应式的数据绑定、组件式应用构建、简洁和易于理解的API可使开发者更侧重于工程逻辑而非页面表现。管理系统主要实现设备控制、数据采集入库、台站信息管理、故障告警等功能（图8）。

5 结语

为改善新疆区域地球物理台网气象辅助观测数据不能满足科研需求的现状，本文中基于嵌入式技术完成了气象辅助观测系统软硬件的设计与开发工作，初步实现了气象数据的自动化采集，能够以较低的成本实现气象辅助观测和组网运行。

一套成熟的软硬件系统的开发是包含了整体架构、硬件开发、软件编制、调试优化等多个环节的系统性工程，项目組下一步还将进行设备环境测试、数据存储、数据比对测试等工作，目前仍需继续投入较多的人力物力方可实现设备定型和大范围组网部署观测。

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SOFT HARDWARE DESIGN AND IMPLEMENTATION

OF EMBEDDED METEOROLOGICAL AUXILIARY

OBSERVATION SYSTEM

LIAN Yin-chao¹，  LI Xiao-dong²，  YAN Long²，  SI Qing²，  YAN Wei²

（1.Earthquake monitoring center of Yili Kazak Autonomous Prefecture，Yining 835000，Xinjiang，China;

2.Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

Abstract： In order to enrich the needs of meteorological data in Xinjiang seismic monitoring stations and disaster sites， and make up for the lack of auxiliary observation means in Xinjiang geophysical observation stations and GNSS stations， an embedded meteorological auxiliary observation system is designed and implemented. The system integrates rainfall， temperature， atmospheric pressure， humidity and other direction finding， and has the advantages of low power consumption， low cost， easy operation， portability and strong scalability. It can significantly reduce the cost of the layout of meteorological auxiliary observation network， fill the gap of meteorological auxiliary observation data in Xinjiang regional seismic monitoring stations， and better meet the needs of seismic monitoring for meteorological data by providing continuous and reliable near-point meteorological observation data for earthquake monitoring and prediction personnel and other scientific researchers.

Key words： Seismic monitoring; Meteorological observation; Embedded; Integrate