2017, Vol. 38
2. 中国河北 075000 张家口地震台
2. Zhangjiakou Seismic Station, Hebei Province 075000, China
地震前兆数字化台网建成后，便于对前兆台站实行远程监控及无人值守，进一步提高台站的自动化程度，特别是实现对无人值守台站电源的监视与管理(周振安等，2006)。地震前兆观测一般不设置预警装置，只能通过有线网络对观测数据进行阶段性调收。根据观测规范要求，值班员定时查看数据，但发现问题一般要滞后几小时，且多为电源停电等故障。据不完全统计，观测仪器80%的故障由供电避雷环节引起。电源控制可有效减小雷击的可能性。工作人员往往在雷雨到来前采取人工拉闸断电方式，对电源线避雷起到一定效果，但对于无人值守的观测台站，由于交通、距离等原因，特别是夜间的突发性天气变化，进行网络有线操控既不方便，也存在危险。
短信息服务是GSM(Global System for Mobile Communication)网络的一种基本业务，通过服务中心进行文本信息收发，在全国范围内实现联网和漫游，具有随时在线、收费便宜、稳定可靠、覆盖面广的特点，适合远距离小流量数据传输，不需要单独投资运营和维护，可应用于多个工作领域。
鉴于上述情况，开发手机终端地震台站电源监控系统，可随时随地掌握遥测地震台站供电情况，方便快捷地实现交流电源切断操作，减少观测仪器遭雷周概率，是实用且必需的系统。
1 基本原理工控机的2个串口分别与单片机、短信模块相连。利用单片机对台站交流市电进行不间断采样监视，通过控制交流接触器达到控制台站总电源输出的目的。利用手机短信模块组成无线通信系统，接收地震台站工作人员发来的短消息，进行逻辑判断和解析，并做出相应动作。
系统接收到工作人员发来的“断交”短信时输出一个控制信号，将山洞内观测仪器总电源通过交流接触器断开，由UPS或备用电瓶进行直流供电，接收装置的工作电源也由UPS或电瓶提供，达到人工拉电源总闸防雷的目的。如果接收装置收到“闭合”短信，就会输出一个控制信号，将山洞电源通过交流接触器重新闭合，接通交流供电。当收到“查询”短信时，就会将交流市电、UPS供电、仪器供电情况反馈给台站值班人员。每次动作均有反馈信息。当因供电部门或其他原因造成交流断电时，装置立刻发出短信进行提醒，以便工作人员迅速处理。为防止其他非工作人员干扰或误操作，系统只响应值班人员特定手机。电源监控系统工作原理示意见图 1。
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图 1 电源监控系统原理示意 Fig.1 Schematic diagram of power monitoring and control system |
地震台站手机平台电源监控系统主要由电源线路、手机短信模块、单片机、工控机、交流接触器、交流采样及避雷保护电路等部分构成，见图 2。
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图 2 电源监控系统电路结构 Fig.2 Circuit structure of power monitoring and control system |
系统选用SCP-50-12的标准开关电源，经稳压滤波后输出DC5.0 V和DC12.0 V电压，具有DC13.8 V电瓶浮充功能，可实现交直流瞬间切换，保证仪器连续供电，实现稳定工作。
2.2 短信模块SIM900A作为短信模块，是一款SIMCOM公司工业级双频GSM/GPRS内核短信模块，支持移动卡和联通卡2G、3G、4G的短信收发和GPRS连接。模块性能稳定，广泛应用于短信通知、短信查询、短信监控、空中充值、手机卡激活及数据业务开通，并用于无线数据采集、无线数据传输等领域。
考虑到兼容性，因GSM模块既可以与PC机通信，又可以与单片机通信，故选择GSM作为内核短信模块，其电源电压为3.8 V，为非典型固定电压，瞬间电流可达2 A。因此，为符合电路要求，选择可调输出电压芯片LM2596，其输出电压范围为1.2—37 V，瞬间通过最大电流可达3 A。因单片机接口电压为5.0 V，SIM900A模块接口电压为2.8 V，需在二者之间加电平转换芯片，本系统采用NL27WZ07进行电平转换。又因GSM模块为静电敏感器件，在电路中加入ESDA6V1W5器件作为静电防护措施。该器件专为静电敏感器件设计，可承受瞬间静电25 kV，漏电流小于1 μA。
2.3 单片机单片机以其独特优点，在工业控制、数据采集、网络通信等领域得到广泛应用。选用STC90C51RC单片机实时监控交流电压、交流接触器输出电压、仪器供电电压，并通过串口实时将信号传送给下位机，即工控机；随时接收并解读下位机发送的命令，利用交流接触器对交流电进行控制。主要包括时钟电路、复位电路、串口驱动电路和继电器驱动电路等。
2.4 工控机PCM-3587是一款尺寸紧凑、低能耗x86的嵌入式控制模块，在PC104规格的板子上实现工业计算机所需功能。CPU采用SOC Vortex86DX，整合南北桥、SPI BIOS、串/并口、高速USB2.0 OTG、Ultra-DMA IDE及10 M/100 M以太网卡。处理器使用外部显示芯片VolariZ9S，是一个超低供电的图形芯片组，总耗电量约1—1.5 W，提供VGA，显示输出高达1 600×1 200。系统预装Windows XP基本系统，适合程序开发及调试。
2.5 交流接触器选用进口西门子SIEMENS交流接触器(型号3TB4222-0X)，符合IEC947、GB14048标准。该交流接触器额定绝缘电压为690—1 000 V，在额定工作电压220 V时额定工作电流为25 A，设2个常开触点、2个常闭触点。利用2个常闭触点实现远距离接通及分断电路，达到控制台站总电源的目的。
3 软件设计软件是硬件的灵魂。地震台站手机平台电源监控系统软件有2部分：①由C语言编程，通过Keil C51编译器固化在STC90C51RC芯片中，芯片上电后自动运行；②通过Visual Basic语言编程，安装在PCM3587中，开机自动运行，显示监控界面，实现手机短信控制和查询的同时，实现网络远程监控。
3.1 单片机程序设计采用C语言编写程序，通过对交流市电、接触器开关控制、UPS输出三路交流信号的开关量(有电为1，停电为0)进行采集，以100 ms的间隔将信号发送到工控机RS232串口。若接收到中断信号，则单片机的P2.0电平改变，继而驱动所接继电器、接触器开关实现控制交流输出的目的。主要包括：①主函数。串口初始化，进入大循环体。单片机采用循环采集数字量，每隔100 ms将采集的数字量通过串口发送至工控机，通过串口中断方式接收数据，并根据数据判断执行控制动作；②串口初始化函数。单片机在向工控机发送数据前需要进行串口初始化。单片机使用定时器1工作方式2(自动重载)的溢出产生波特率：单片机外部晶振为11.059 2 MHz，产生波特率9 600 bit/s，则定时器1的初始值应为十六进制0xfd。由于单片机采用串口中断方式接收数据，故需打开串口接收、中断允许位和全局中断标志位；③输入采集函数。判断单片机P3.3、P3.4、P3.5的端口高低电平状态，分别将一个整形变量加十六进制数据0x0001、0x0010、0x0100，并返回该变量的值，该值反映各端口的输入状态；④串口中断入口函数。函数将串口中断标志位清零，并将接收的数据赋值给对应变量等待后续处理。函数的“interrupt”是程序关键字和中断向量号，必不可少；⑤控制输出函数。函数将变量的数据分别于0x0001、0x0010、0x0100进行对比，若数据一致则对应执行控制操作。
3.2 工控机程序设计采用VB语言设计，通过工控机的COM1和短信模块的COM相连，实现短信内容的解析，如图 3所示，电源监控系统程序主界面主要有接收短信实时显示、存储及SIM卡短信读取、删除与发送短信的编辑、显示等操作。若计算机接有声卡扬声器，则来电可进行音乐提醒。工控机的COM2和单片机的COM相连，实现对交流市电、接触器控制开关、仪器供电的监视，既可以通过手机平台，也可以通过网络交流接触器控制，并进行信息反馈。
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图 3 电源监控系统程序主界面 Fig.3 Program main interface of power monitoring and control system |
由软件设计流程(图 4)可知，本系统主要功能有，利用短信控制交流接触器切断交流电，启动UPS或电瓶直流供电，达到避雷目的。当停电或跳闸等突发时，系统发出某个部分停电的报警短信。当收到不合定义的短信内容时自动滤除，不作反应。本软件支持群发功能，且只对预先设定的值班员电话号码进行反应，可以通过phonenum.txt增加或删除电话号码。接收或发送的短信同时保存在SIM卡和硬盘中，可以随时读取查阅、删除。为防止SIM卡爆满，系统设定，满50条短信后自动清空，确保短时间内即使大量垃圾短信攻击也不会失控。
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图 4 软件设计流程 Fig.4 Software design flow chart |
利用工控机的网口RJ45接入网络，可实现VNC远程登录或应用客户端软件进行网络监控。同时，工控机对上述操作形成日志文件，值班人员(权限设定)可远程通过FTP下载日志文件或进行程序升级更新等。
4 系统应用怀来东良形变无人值守台站位置特殊，或由于其他环境等因素，近几年每年均遭受雷击2—5次，严重影响地震观测资料质量。因此，选择该无人值守台进行地震台站手机平台电源监控本系统性能检测，并于2016年3月初安装试运行，装置实物见图 5。该电源监控系统运行期间，通过手机终端多次处理地震台站电源事件：①在2016年雷雨季节，夜间及雷雨天通过该电源监控系统切断外交流电，改用电瓶供电，以降低雷击风险，目前该台站观测仪器未出现遭受雷击现象；②利用该软件，多次收到“交流停电”短信，值班人员及时与当地供电所联系，落实停电情况，或去台站处理检修，避免了交流停电造成数据断记。
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图 5 电源监控系统 Fig.5 Power monitoring and control system |
电源监控系统试运行期间，北京大学信息工程研究生院集成微系统科学工程与应用重点实验室在怀来无人值守台站进行电磁波观测试验，对观测记录完整情况下的几次明显异常进行落实，发现因台站所用农用电不稳定，几次突然断电(有备用电瓶)造成电磁干扰，干扰时间与手机记录对应，避免误分析预报等操作。
5 结束语(1) 基于手机平台的台站电源监控系统以STC90C51RC单片机为控制核心，以SIM900A、PCM3587为通信系统，以公用无线为传输媒介，具有良好的人机互动功能，有效实现了地震台站的电源监控，提高了观测人员工作效率，节约了地震台站运行成本，提高了观测数据的连续率。
(2) 防雷是世界难题，雷电入侵有多种途径。本系统供电有独立避雷线路，交直流两用，自动切换，雷雨季节建议只采用直流电源工作，保证自身安全。同时，必须采取“堵”“疏”综合防治办法，保证地震台站信号地、电源地独立接地且接地良好。
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