摘 要：采用纵波（P波）检测和地震判断技术，设计了SS-100地震开关，能够在检测到地震P波后快速判断该地震的加速度是否达到设定阈值，同时驱动开关和发出警报。主要介绍地震开关的硬件构成和软件设计流程。
关键词：地震波 地震开关 地震警报 加速度
中图分类号：TU352.11文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0229-02
地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5.5～7 km/s，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波：在地壳中的传播速度为3.2～4.0 km/s，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素（http：//baike.baidu.com/view/66121.htm？fr=aladdin）。因此，中强地震发生时由于震中距的不同，人们将会有数秒到数十秒不等的时间做出反应。
SS-100地震开关利用地震波的上述特点，在地震发生后快速准确地从背景噪声中检测出首先到达的P波，通过科学计算，判断出该地震所引起的地面震动是否达到设定的加速度阈值，达到时驱动外接设备开关，并通过内置报警系统发出地震警报。
1 硬件设计
1.1 设计要求
SS-100地震开关要求加速度传感器精度高功耗低，逻辑判断准确，要有时钟信号和校时功能，能提供两路开关信号和内置警号。
按照要求，采用16位模数转换芯片和25 MHz微控制器及三轴向微机电加速度计，即时数位处理，提供高精度之数值判断；地震判断逻辑采用PD、PGA、Displacement与STA/LTA模式；内置两组继电器可连接控制外界设备；内建实时时钟（RTC）并提供NTP网络校时功能，可以实时显示当前之精确时间，而且还内置了蜂鸣器可即时发出报警声响。
1.2 系统组成
SS-100地震开关由数据采集模块、数据处理传输模块、报警执行模块等组成。系统组成框架如图1所示。
1.2.1 数据采集
数据采集模块负责数据实时采集。该模块包含传感器、ADC（模数转换芯片）、MCU控制单元。传感器、ADC负责数据采集和转换；MCU控制单元负责实时数据的临时存储、初步处理，该模块通过SPI数据总线与数据处理传输模块进行通讯。
传感器选择Kionix公司的KXR94-2283型MEMS加速度传感芯片，技术参数见表1。AD转换芯片选择TI公司的16位ADC芯片ADS1174，考虑到设计的扩展性，选择TI公司的MSP430F6736作为数据采集的MCU。框架图如图2所示。
1.2.2 数据处理与传输
数据处理传输模块负责数据的非易失存储，数据的分析，P波检测和地震判断，NTP时钟同步，控制报警执行模块动作和数据传输。可以通过以太网方式将数据传输到数据中心；并接收数据中心的指令，地震判断控制数据采集模块的动作和软件在线升级等。
数据处理传输模块采用MISP结构CPU为核心，软件系统采用嵌入式Linux。选择的台湾Ralink RT3052，RT3052含有丰富的外部接口，其本身内置了网络功能；数据处理传输模块将数据采集模块采集到的数据进行处理、P波判断，发出对应的指令控制报警执行模块动作，并将数据存储到存储芯片和数据传输。结构图如图3所示。
1.2.3 报警执行
报警执行模块采用ATMEL公司的8位AVR单片机Tiny13作为控制芯片，Tiny13检测数据处理传输模块发来的指令驱动两路继电器工作并使蜂鸣器发出报警。框架图如图4所示。
2 软件设计
软件设计主要是初始化MCU和A/D转换器的寄存器，对采集的数据进行读取、判断和保存。如果不是地震触发事件，则一直使SRAM中存有各通道最新的数据；若为地震事件且达到设定的加速度阈值，则报警执行模块动作。同时，把缓存的数据保存到SD卡。数据采集系统流程图和A/D采集中断子程序分别如图5和图6所示，数据处理系统主流程图如图7所示，地震触发判断程序流程图如图8所示，报警程序流程图如图9所示。
3 结语
破坏性地震发生后，如果能够对携带能量较小的P波进行快速准确的检测和判断，并赶在破坏性强的S波和L波到达之前发出地震警报和切断次生灾害源，这在地震预报尚属科学难题的今天，将会有着重要的社会意义。SS-100地震开关在这方面做了些探索和尝试，效果如何，需要在实际工作中检验才能给出结论。
参考文献
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[5]KXR94-2283 datasheet. Kionix Inc.2009.
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