树莓派在地震观测站智能监控中的应用研究

安一凡 张 辉 曾智辉 涂先新

(1、中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室),湖北 武汉430071 2、湖北省地震局,湖北 武汉430071 3、湖北省地震局宜昌地震监测中心站,湖北 宜昌443100)

地震观测是地震监测预报、地震应急和地震科学研究的重要基础。由于地震事件的随机性和不可重复性,每一次地震事件的波形数据都是非常珍贵的。要保证测震台站观测系统可以完整地记录到地震波形数据, 三峡地震台网中各设备稳定的运行是诸多保障因素中一个不可或缺的重要组成部分。由于测震台站环境复杂多样,维护成本相对较高,如何对三峡台网各台站进行远程统一有效地监控、维护和管理, 已经成为一项亟待解决的问题。为此,研究使用树莓派微型电脑组建一套成本低、系统完善的远程监控系统,对台站内的电源、温湿度等工作环境进行实时监控,通过预先设定好的故障触发率阈值判断台站故障点,并发出报警信息,以便地震台及时联系看护或第一时间赶往现场维护设备,使观测记录最小化损失。

1 树莓派微型电脑的技术特点

有着标准化硬件接口的树莓派微电脑凭借着低价、开源以及极强的可拓展性获得了迅速的发展,已成为全球最受关注的开源硬件。电脑能做的大部分事情,在树莓派上都能做,而树莓派以其低能耗、移动便携性、GPIO 等特性,很多在普通电脑上难以做好的事情,用树莓派却是很适合的。可以将树莓派连接电视、显示器、键盘鼠标等设备使用。但树莓派微电脑与桌面计算机最显著的优势是具有开源硬件和开源软件技术,自由释放详细信息的硬件设计。开源硬件最强大的职责就是在真正的技术产品出现之前,可以快速的将功能实现。通过树莓派微电脑板子加通用器材和传感器就可以实现各种常规监测和实时监控功能,树莓派微电脑板如图1。

开源软件的特点是所有人都可以看到代码,可根据技术和功能需求直接对代码进行修改,使源代码运行更加完善,功能更丰富。树莓派的开源具有优秀的扩展性和易于开发的特性。其优点：

图1 树莓派微电脑板图

表1 树莓派40Pin 引脚功能对照表

1.1 可以安装完整的操作系统(例如,基于Linux 的Raspbian 或基于Windows 的OS 的Windows IOT Core)并将其用作日常计算机。

1.2 GPIO(通用输入输出引脚)的存在是RPi(树莓派)与传统计算机的区别所在。可以将这些引脚连接到传感器和外部组件,并使用Python 之类的语言以编程方式与它们交互,能够构建和原型化可以感知现实世界的物联网设备。

1.3 内置了wifi 和蓝牙。可以轻松地将项目加入无线模式。

2 树莓派通用输入输出接口功能研究

树莓派的通用输入输出(GPIO)接口可以通过各种信息传感器,射频识别技术,红外感应器等各种装置与技术组建物联网设备,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程。GPIO 接口引脚可以用于程序中读取电路中的电信号,也可以为控制电路提供电信号。可以通过GPIO 口和硬件进行数据交互(如UART),控制硬件工作(如LED、蜂鸣器等),读取硬件的工作状态信号(如中断信号)等。GPIO 口的使用非常广泛,每个引脚都可以使用程序进行控制操作。树莓派将IO 引脚的开放,可以通过引脚能连接各种电子设备、电路模块、电子元件及各类传感器,实现智能化控制。GPIO 接口的使用非常广泛,每个引脚都可以使用程序进行控制操作。表1 是树莓派GPIO 接口各引脚的编码方式及功能对照。

2.1 树莓派40 针GPIO 引脚功能

2.1.1 电源输出引脚

3v3、5v 代表：3.3 伏特和5 伏特,是输出供电的正极,也就是Vcc；GND 代表接地和输出供电的负极。

2.1.2 GPIO 信号引脚

通过输出高低电平或者通过读入引脚的状态：高电平或是低电平。可以通过GPIO 引脚和硬件进行数据交互(如UART),控制硬件工作(如LED、蜂鸣器等),读取硬件的工作状态信号(如中断信号)等。

2.1.3 IC 总线引脚

IC 是内部整合电路的称呼,是一种串行通讯总线,使用多主从架构,使主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边装置。

2.1.4 SPI 总线引脚

SPI 是串行外设接口(Serial Peripheral Interface),是一种高速的、全双工、同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB 的布局上节省空间,提供方便。

2.1.5 UART 总线引脚

UART 是一种通用串行数据总线,用于异步通信。该总线双向通信,可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中,UART用于主机与辅助设备通信,与PC 机通信包括与监控调试器和其它器件,如EEPROM通信。可以理解为计算机的串口,RS232、TTL。

2.1.6 PWM脉冲宽度调制引脚

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS 管栅极的偏置,来实现晶体管或MOS 管导通时间的改变,从而实现开关稳压电源输出的改变。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

2.2 树莓派40 针GPIO 引脚编号方式

GPIO 的编号有三种不同的方式：

2.2.1 BOARD 编号方式：编号侧重P1 插座侧,从上到下,从左到右。如表1 的BOARD 编码一栏。

2.2.2 BCM2835 编号方式：编号侧重CPU 寄存器,根据BCM2835 的GPIO 寄存器编号。如表1 的BCM编码一栏。

2.2.3 wiringPi 编号方式：编号侧重实现逻辑,把扩展GPIO端口从0 开始编号,这种编号方便编程。如表1 的WiringPi 编码一栏。

2.3 操作树莓派的GPIO 端口

掌握了GPIO,就掌握了树莓派操作硬件的方法。通常在项目功能硬件连接好后,进行应用编程。编程时,通常采用第三方类库来作为开发的基础API 进行使用,不同的API 库对于GPIO的编号不一样,而不同的API 库对于开发语言的支持也不同。常见的类库有以下几种：

2.3.1 wiringPi C,有Perl, PHP, Ruby, Node.JS 和Golang 的扩展,支持wiringPi Pin 和BCM GPIO 两种编号。

2.3.2 RPi.GPIO Python,支持Board Pin 和BCM GPIO 两种编号。

2.3.3 WiringPi-Go, Go 语言,支持wiringPi Pin、BCM GPIO和Board Pin 三种编号选择好需要的开发语言就可以了,比如选择Python 语言,选择RPi.GPIO,其他语言选择wiringPi。

3 树莓派远程智能监测系统

三峡井网台站偏远,维护困难,成本高风险大,而相当比例的维护任务仅为重启设备,通过研究树莓派微型电脑GPIO 接口的功能和信号数据控制、读取和传输方法原理,选择技术成熟的远程管理或自动监测设备和部件,在无人值守台站组建远程智能监测系统。

3.1 远程监测系统实现方法和技术

通过树莓派微型电脑开源硬件的深入分析研究,根据通用输入/输出接口各连接端的功能属性,研究实现所需专用设备部件的连接,组建远程实时监控系统：

表2 DHT11 温湿度传感器引脚功能说明表

3.1.1 无人值守台站仪器工作环境温湿度实时监测,设定高温和高湿度警示。通过树莓派微型电脑的GPIO 接口连接温湿度传感器,组成温湿度实时监测设备。对无人值守台站的环境的温湿度进行实时检测,通过开源软件的修改和编写,编译后实时读取温湿度数据并显示变化曲线。设定极限阈值,在环境条件突变的情况下发出警示信号。

3.1.2 电源实时监测控制,树莓派微型电脑链接MI 家智能电源开关,并且实时显示电压值变化曲线,在异常情况出现时给出警示信号,通过远程控制关闭或重启观测仪器。

3.1.3 远程实时图像监控,树莓派微型电脑连接MI 家智能摄像头,可在中心台站值班电脑实时显示监控画面,并在有非法闯入时识别运动变化,并发出警报至值班电脑。

3.1.4 通过树莓派微型电脑连接台网无线4G 路由器,开启树莓派VNC 服务,使用VNC 远程连接。开启之后,通过树莓派的IP 地址进行连接,完成树莓派微型电脑与中心台站值班电脑远程连接,实现远程信号和数据的实时传输。

3.2 温湿度远程监测系统构建方法和试运行效果

树莓派微型电脑连接DHT11 数字温湿度传感器组建实时温湿度检测设备,DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保该部件具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性,如图2-7 所示。其三根引脚接线：“-”的是电源负极(GND)、“+”的是电源正极(VCC)、“out”的是数据输入输出(DATA),进行编译后可以实时读取数据和显示变化的温湿度曲线。引脚功能说明如表2。

传感器引脚的连接没有特定的限制,vcc 只要连接的是树莓派上标有“5v”标识的引脚(pin2 或pin4),GND 连接树莓派上标有“GND”标识的引脚(pin6,pin9,pin14,pin25,pin30,pin39),DATA连接任意标有“GPIO”的引脚。由于树莓派软件的开源性,使用Python 现成的库,代码简单,易懂,直接导入Adafruit DHT11 库,完成代码的修改和编写。

图2 1DHT11 温湿度传感器

图3 DHT11 温湿度传感器与树莓派的连接示意图

图4 树莓派连接温湿度传感器试验图

图5 温湿度读取开源软件下载调试修改代码图

图6 温湿度检测系统运行效果图

图7 温湿度监测曲线图

4 结论

通过对树莓派微电脑的开源架构及通用输入/输出接口技术原理的分析研究,在实现温湿度检测的实际组建研究中,得出如下结论：

4.1 树莓派实现的远程智能检测和监控系统技术和方法简单实用,无人值守地震观测站的运用具有广阔的应用前景。

4.2 在充分掌握树莓派通用输入/输出接口连接和控制编程的基础上,更深入地研究树莓派微电脑的物联网设备技术,能够扩展树莓派在地震台、站智能管控中的应用。

4.3 本次研究只是初步了解和掌握了树莓派通用输入/输出接口连接和控制编程的方法和原理,实际运用于无人值守地震观测站的远程智能监控,水管倾斜仪和宽频带倾斜仪的地震响应延迟时间均与震中距成正比,震中距越大,响应延迟时间越长,水管倾斜仪的响应延迟时间大部分比宽频带倾斜仪的响应延迟时间长。

本次研究取得了一定的成果,初步掌握了树莓派微电脑开源硬件开发运用的技术方法,单一的监测和监控项目的实现,为后续进一步研究打下基础,提高了无人值守地震观测站的智能监测监控技术水平,也提升了对无人值守地震观测站的应急管控能力。