2018, Vol. 39
2. 中国河北 053800 深州地震台
2. Shenzhou Seismic Station, Hebei Province 053800, China
随着计算机技术和网络技术的发展，中国地震监测仪器基本实现了自动化、数字化和网络化。传统的地震台站工作模式正在逐渐发生变化，越来越多的台站变为有人看护、无人值守台站。由于地震工作特殊性，台站分布离散，且多位于较偏僻地区，观测设备出现问题需要修复时，容易造成时间和人力浪费，且容易受到工作人员业务水平影响。因此，发展地震台站远程监控系统，非设备损毁性故障通过相应控制系统进行恢复就显得尤为重要（李小军等，2013；全建军等，2016）。
总结近年来地震台站出现的问题发现，供电是影响地震数据产出的重要原因之一。针对出现的供电问题，设计一套用于Android平台基于GPRS的地震台智能电源控制系统。该控制系统将市电与设备隔离，降低了市电不稳造成的影响；手机APP后台实时监控设备供电电压值，低于设定阈值或交流断电时报警提示；设备死机通过APP即可重新启动，节约大量人工成本。通过在深州郭家庄地震台进行运行检验，该系统的有效性得到肯定。
1 系统设计意义目前，地震观测台站为保障设备的正常运行配备有蓄电池，但在市电正常供电情况下，蓄电池长期处于充电状态而不能放电，预期寿命将受到影响。有些台站因位置偏僻，只能采用太阳能供电。市电或者太阳能供电不稳定时，容易造成数采故障或数据错误。因此，采用稳定的直流供电显得尤为重要。直流供电不但能保证设备供电电压的稳定，还具备防雷效果。在交流电断电后采用蓄电池供电，若市电长时间来恢复正常，蓄电池电量耗光，则观测设备停电关机造成数据缺记。观测设备受工作环境影响出现死机现象，现场断电重启费时费力，维护成本高，数采长时间断记，数据连续率降低，影响观测资料质量。
在物联网时代的大背景下，Android作为一款成功的手机终端系统，市场占有率达70%以上，用户只需通过手机就能掌握最新消息（赵海等，2012）。将地震台站运维与物联网相结合，开发基于Android平台的智能供电系统。考虑到地震台站的具体分布，采用GPRS通讯方式实施远程监控，既节约成本，又能达到预期效果（卢永等，2007；张茂军等，2008；王冬胜等，2009；刘爱春等，2011；徐军等，2014；沈令斌等，2015）。
2 系统构成地震台智能电源控制系统由电源模块、数采板、STM32单片机（CPU的控制器模块）、GPRS模块、天线及底层控制器（由12 V继电器组成）、服务器（由机智云平台构建）、Android手机APP（构成控制后台）构成。控制器与手机后台通过云平台实现数据传输，控制器将采集的蓄电池电压值、设定的报警信息以及继电器状态反馈到手机后台，手机后台控制继电器实现供电方式选择。
2.1 硬件设计智能电源控制器见图 1，硬件连接方式见图 2。智能电源控制器硬件由电源模块、数采板、STM32单片机（CPU的控制器模块）、GPRS模块、天线以及12 V继电器构成。
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图 1 智能电源控制器 Fig.1 Intelligent power controller |
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图 2 控制器硬件构成 Fig.2 Controller hardware composition |
电源模块由电源变换电路、辅助电源、斩波电路以及由单片机控制的隔离驱动电路构成。电源变换电路通过滤波和整流，将220 V交流市电变为直流电；辅助电源通过降压滤波，为单片机、数采板以及GPRS模块提供工作电压；斩波电路通过对占空比的调节起到稳压作用；隔离驱动电路通过基极驱动电路驱动变压器输出。由此，220 V交流市电经电源变换电路、斩波电路以及隔离驱动电路处理后为蓄电池充电。
2.1.2 数采板蓄电池输出电压范围在0—13 V，而AD芯片测量电压范围在0—5 V，为获取蓄电池输出电压信息需要增设分压电路分压。经电阻分压、放大器电压跟随以及阻抗匹配，获取蓄电池输出电压并传入STM32的AD模块。
2.1.3 控制器模块采用内核为Cortex-M3的32位单片机STM32F103ZET6作为控制器的主芯片，其中FLASH：512k，SRAM：64k。STM32集成USB、网络、AD、DA等工控领域功能模块，具有完善的接口程序和简单的库函数编程方式，在程序编写时能够避免直接对寄存器进行操作。通过STM32控制12 V继电器的关断，能够对2块蓄电池的充放电状态进行控制，并控制设备的断电重启。内置的12位AD模块精度远超传统的8位AD模块。
2.1.4 GPRS模块GPRS模块采用全球鹰SIM900A模块（2 G模块），支持2 G和大部分3 G或4 G手机卡（不支持电信卡）。SIM900A具有与3.3 V单片机直接连接的2.85 V以及可与5 V、3.3 V等单片机连接的兼容各种电压的2种TTL接口。在与STM32单片机相连时，将SIM900A的TXD、RXD、GND分别连接到单片机的RXD、TXD、GND。GPRS模块与单片机相连时，模块上的VCC_MCU接入电压应与单片机的TTL电平电压一致。GPRS与STM32连接正确后，将SIM卡放入卡槽，接上GSM天线即完成硬件连接。控制器与云平台服务器之间的数据传输通过GPRS模块完成。
2.2 软件流程系统软件程序控制流程见图 3。通过手机APP登录后，能够随时随地监控现场市电供电以及蓄电池电压值。APP可获取并人为控制蓄电池充放电状态。手动控制不启动时，控制器按设定的自动模式工作，蓄电池1与蓄电池2每天分别供电12小时，充电5小时。因特殊情况需要人为切换供电状态时，开启远程控制即可，从而使设备始终在稳定的电压环境下工作。此外，通过APP可进行远程掉电重启操作，有效解决设备的死机断记。控制器具有市电掉电及低电压报警功能，当市电停电或蓄电池供电电压低于11 V时，手机卡将通过短信方式提示工作人员。通过智能控制器，管理人员可实时了解相关信息，设备运行智能化程度加大，仪器维护成本降低，数据观测质量和连续率得到提高。
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图 3 软件控制流程 Fig.3 Software control flowchart |
智能控制电源于2016年1月至2016年12月在河北省地震局石家庄中心台下属的深州郭家庄地震台进行为期一年的稳定性测试，测试结果见图 4。
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图 4 后台显示界面 Fig.4 Backstage display interface |
（1）通过控制器监控界面[图 4(a)]能够获取设备的供电信息；通过通讯监控界面[图 4(b)]能够获取GPRS的信号强度、使用的流量信息。工作人员通过点击远程控制界面[图 4(c)]中蓝色的变量值，即可实现远程控制，点击后界面见图 4（d）。
（2）通过智能电源控制器，工作人员能及时掌握地震台站的供电情况。工作人员可掌握交流市电的断电时间，并判断来电前是否有必要赶到现场进行人工处理。
以气象参数测量仪为例进行数据分析，连续率由2015年的97.8%提升到2016年的99.8%，数据断记率得到明显改善。
4 结束语通过智能电源控制器的使用，地震台站工作人员能够及时了解地震观测设备的供电状态。非设备故障造成设备死机，可通过远程重启使设备恢复。智能控制器的使用，有效解决了观测设备在日常工作中的供电问题，通过在深州郭家庄地震台的运行，证明控制器能够有效运用到台站日常工作中，降低了观测仪器维护成本，数据观测质量和连续率得到提高。
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