基于微震监测技术的地下田野文物监控系统设计与实现

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。 [p]
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
[1] 刘光林，刘泰生，高中录，等.地震检波器的发展方向[J]. 勘探地球物理进展，2003，26（3）：178-185.
[2] 李庶林.试论微震监测技术在地下工程中的应用[J].地下空间与工程学报，2009(1)：122-128.
[3] 李国栋，汉泽西.地震检波器频率响应特性的研究[J].石油仪器，2009，23(4)：11-13.
[4] 吴瑞文，梁志瑞.基于工控机与DSP的高速数据采集系统设计[J].电力科学与工程，2009，25(9)：30-33.
[5] 李希文，赵建，李智奇.传感器与信号调理技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008：3-14.