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基于微震监测技术的地下田野文物监控系统设计与实现
来源:电子技术应用2011年第4期
孙 弋1,杨海科1,屈耀军2
1.西安科技大学 通信学院,陕西 西安710054; 2.陕西省工业和信息化厅,陕西 西安710001
摘要:针对地下田野文物被盗过程中洛阳铲、爆炸等行为特点,提出基于微震监测技术的地下田野文物监控系统。通过埋藏于地表的多个地震检波器,建立检波监测网,识别多种人为行为特点,区分是否是洛阳铲、爆炸等盗窃及损坏地下田野文物的行为,从而向控制中心发出报警信号,实现对地下田野文物监控的目的。
关键词: 文物 监测 检波 微震
中图分类号:TP391.8
文献标识码:B
文章编号: 0258-7998(2011)04-0037-03
The design of underground cultural relics monitoring system based on the micro-seismic monitor technology
Sun Yi1,Yang Haike1,Qu Yaojun2
1.Department of Telecommunication and Information Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054,China; 2.Shaanxi Provincial Office of Industry and Information Technology, Xi′an 710001,China
Abstract:In the process of underground cultural relics being stolen, Luoyang shovel, explosion has some special behavior characteristics. The underground cultural relics monitoring system which based on the micro-seismic technology has been put forward to monitor in this article. Several geophones which have been buried in the ground are utilized to build the network, and the system can distinguish many objects and human behavior such as Luoyang shovel, explosion and so on. When theft happen the system will give a warning to control center, then control center can take some actions.
Key words :tumulus;monitor;detection;micro-seismic

摘 要:针对地下田野文物被盗过程中洛阳铲、爆炸等行为特点,提出基于微震监测技术的地下田野文物监控系统。通过埋藏于地表的多个地震检波器,建立检波监测网,识别多种人为行为特点,区分是否是洛阳铲、爆炸等盗窃及损坏地下田野文物的行为,从而向控制中心发出报警信号,实现对地下田野文物监控的目的。
关键词:文物;监测;检波;微震

我国历史悠久,古墓葬、地下遗址等地下田野文物资源丰富。我国地下田野文物监管的现状是:地下田野文物分布点多、线长、面广,且所处位置大都较为偏僻,交通不便,地下田野文物管理人员数量少,巡查难度大,监管技术落后。这给不法分子盗窃文物等违法行为以可乘之机,盗窃行为时有发生。针对这种现状,本文利用微震监测技术实现了对地下田野文物保护系统的设计。通过在目标区域建立监控系统,完成对震动信号的采集、分析、判别,判断是否有盗掘行为的发生,实现对田野文物监控的目的。微震监测技术是微地震研究的一个应用领域,本设计是微震监测技术在文物监控领域的一个应用。
1 系统设计总体概述
系统包含检波监测网、调理电路、工业控制计算机三部分,如图1所示。其中,检波监测网采集人为活动产生的震动参数,并可多节点定位,调理电路完成对原始信号的放大、变换、滤波等处理,信号采集PCI卡通过工控机的PCI插槽完成对工业控制计算机的数据传输,数据经工业控制计算机软件分析、处理、判别后做出识别,通过有线或者无线网络向远程控制中心发出报警信号,远程控制中心收到报警,采取相应措施。

2 系统硬件设计
2.1 检波监测网

检波监测点对目标区域实行监控,实质是监测目标区域内的各种震动信号。
检波监测网由N个检波监测点组成,检波监测点的个数可根据实际需要自行设定。本设计采用HK20DX-10S系列地震检波器作为检波监测设备。该系列地震检波器采用引线簧结构,具有体积小、重量轻、假频高、耦合好等特点。该系列检波器适合沼泽、浅海、丘陵、山地、戈壁等不同地表环境的工作。其技术指标如下:自然频率10±5%,开路阻尼系数0.3,闭路阻尼系数(并1 kΩ)0.7±5%,开路灵敏度0.28 V/(cm·s-1),闭路灵敏度(并1 kΩ)0.2±5%,线圈电阻395±5% Ω,并联电阻后直流电阻(并1 kΩ)283±5% Ω,失真度≤0.2%,假频≥400 Hz,悬体质量11 g,最大位移(P-P)1.5 mm,允许倾斜角度<10°。
该系列地震检波器假频大于400 Hz,具有很强的抗横向干扰能力,大幅度提高了检波器的通频带宽度及信噪比。采用引线簧焊接导电结构,保证检波器的高可靠性。检波器体积小,易于埋置,与大地的耦合性好,抗干扰能力强,有效提高了检波器的分辨率和信噪比。
2.2 调理电路
调理电路对地震检波器采集到的电压信号进行滤波、放大,调整成适合工业控制计算机处理的信号,其单路设计如图2所示。

IN端是地震检波器信号采集端,OUT端是工业控制计算机端,R00、R01、C01可以根据滤波、放大需要进行相应设计,调理电路路数可以根据实际需要进行设计。
2.3 工业控制计算机
本设计采用的工业计算机包括工业控制计算机核心、高速模拟量数据采集卡、网络模块等部分,系统框图如图1所示。
2.3.1 工业控制计算机核心
本设计采用GT-6355工业控制计算机,英特尔凌动230处理器,主频1.6 GHz,主板采用英特尔945GC+ICH7芯片组,双通道内存接口,最多支持4 GB的DDR2 533/677 MHz内存,显示卡采用英特尔GMA950图形媒体加速器,最大共享内存224 MB,1个英特尔82573L PCI-E千兆网络控制器,2个SATA硬盘接口,1个RS-232接口,1个RS-232/422/485接口,6个USB2.0接口,PICMG1.0总线,支持PCI及ISA扩展设备,含PCI扩展单槽。该工业控制计算机性能稳定、资源丰富、使用方便,且能适应恶劣环境。
2.3.2 高速模拟量数据采集卡
本设计采用PCI-1713型高速模拟量数据输入卡。该卡是一款PCI总线的隔离高速模拟量输入卡,提供32路差分模拟量输入或者组合输入通道,每个输入通道的增益可编程控制,可对不同通道使用不同增益,并采用单端和差分输入的不同组合方式来完成多通道采样。模拟量输入范围为:双极性时,±0.625 V,±1.25 V,±2.5 V,±5 V,±10 V;单极性时,0~1.25 V,0~2.5 V,0~5 V,0~10 V,最大输入过载电压±30 V;A/D转换器的采样频率可达100 kS/s、分辨率为12 bit;带有一个4 KB采样FIFO缓冲器,该特性提供了Windows下连续高速数据传输的可靠性;2 500 V(DC)的直流隔离保护,用于保护PC及外设免受输入线上高压电的损害;支持软件内部定时器触发或外部定时触发;工作温度-20 ℃~+70 ℃,能适应户外工作要求。
数据采集过程如图3所示。

3 系统软件设计
软件系统采用Windows XP作为操作系统平台,符合用户的操作习惯。应用软件采用微软公司的开发工具Visual Studio 2005进行设计开发。
3.1 软件结构设计
应用程序包括系统界面、操作日志、数据通信、数据库存储、历史数据查询等模块。软件结构如图4所示。

(1)系统界面。软件界面采用分级结构,每一个试验采用弹出子界面的方式单独处理,这样使软件更具模块化管理。软件的整体界面框架包括菜单栏、工具栏、按钮、编辑框、主窗口状态栏等部分。
(2)操作日志。操作日志记录了用户对设备进行操作的用户名、时间、指令等详细信息。日志信息保存在文本文件中,便于查询。
(3)数据通信模块。数据通信模块采用PCI通信模块、网口和USB等接口和外部设备进行通信。
(4)数据库存储。数据存储完成实时数据的数据库存储。本方案采用Access数据库, ADO是数据库应用程序开发的接口,具有使用简便、速度快、内存消耗少和占用磁盘空间少等优点。利用ADO技术实现Visual Studio 2005与数据库的接口,从而方便地实现Visual Studio 2005对Access数据库的访问。
(5)历史数据查询。历史数据查询模块完成历史数据信息的查询操作,通过观察历史数据,可以对系统的性能做出分析,可以了解设备的工作过程及结果。历史数据查询模块包括窗体代码设计和数据库查询代码设计。
3.2 软件流程设计
软件流程如图5所示。

应用软件启动后,首先进行初始化工作,包括初始化接口、记录工作日志、打开数据库等任务。如果初始化失败,应用程序不能正常运行而退出;初始化成功后,开始监控。当关闭设备时,监控结束,否则一直循环进行。
本方案针对目前文物所在的环境特点划分成多个小区域, 利用传感器网络进行实时监测,对接收到的数据进行实时处理,对异常状况进行报警,并及时保存所采集的数据信息,为文物保护工作者进行文物保护方法的研究提供了重要依据。本方案所描述的系统具有简单、实时、高效等特点,对维护文物古迹的安全具有重要的意义。
参考文献
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