参考设计简化了地震预警系统

Linux 基金会宣布与 IBM 合作支持 Grillo 的 OpenEEW 项目，以加速地震预警 (EEW) 系统的标准化和实施。该项目包括 Grillo 的 EEW 解决方案，其中包含检测和分析地震以及向社区发出警报的集成功能。 OpenEEW 由 Grillo 在 IBM、美国国际开发署、克林顿基金会和艾睿电子的支持下创建。

EEW 系统会在地震到来之前向人们发送实时警报。然而，由于传统地震仪、专用电信和定制软件的成本高得令人难以置信，因此只有少数机构尝试构建解决方案。

Grillo 实施了物联网 (IoT) 方法，对组件、软件和专有技术的组合进行标准化以降低成本。自 2017 年以来，Grillo 团队在墨西哥和智利开发并实施了基于物联网的系统，并通过 Twitter、移动应用程序和警报设备发布了公共警报。

“速度取决于地震到用户的距离，”Grillo 的首席执行官安德烈斯·梅拉 (Andres Meira) 说。 “一旦传感器检测到地震，就会在几毫秒内进行处理，并将警报发送给附近的用户。如果用户距离地震数百公里，他们可能有 1 分钟或更短的时间来准备好，然后才会感到颤抖。如果地震非常接近，他们可能只有几秒钟的时间。无论哪种方式，这都非常有用，例如，在孩子们可以钻到桌子底下的学校中。”

地震检测

地震是地壳的振动或位移，这是由于构造力将大量能量释放到地球内部称为震源的区域中的结果。冲击会引起振动，根据强度的不同，可能会对未按相应规定建造的建筑物造成损坏。

地震无法提前确定，即无法确定事件发生的日期和时间。但是，有一种技术可以为人们提供有关地震事件到达的有效支持。在这方面，许多国家已经有研究提供地震预警系统，通过智能手机警告民众，从而减少损失和人员伤亡。

预警系统提供预期地震强度和到达时间的预警。这些估计是基于使用震中附近地震仪观测到的数据对地震震级的准确分析。该预警系统旨在减轻地震破坏，允许采取诸如减慢火车、控制电梯等对策，并允许人们在工厂、办公室和家庭等各种环境中快速保护自己。

随着城市化进程的加快，尤其是对复杂的电信和交通基础设施的强烈依赖，人们开始仔细研究通过向民众发送警报的地震预警系统。开发这样的系统是减少对地震未知和不可预测性的恐惧，同时提高人们的安全性的基本步骤（图 1）。

预警是可能的，因为信息几乎可以立即通过通信系统发送，而地震波以 1 到 7 公里/秒的速度穿越地球（取决于波的类型 P、S 和半）。这意味着，从地震发生地到人口最集中的地方，动荡可能需要几秒钟甚至几分钟的时间。

当地震发生时，地震波，包括压缩波或纵波 (P)、横波 (S) 和表面波 (R 和 L)，从震中向外辐射。速度较快但较弱的 P 波传播到附近的传感器，在较慢但较强的 S 波和面波到来之前产生警报信号以进行保护操作。

在地震事件发生之前正确发送警报的能力需要一些重要的技术解决方案：

• 用于分析更多数据的传感器网络；
• 强大而高效的数据处理区；
• 计算机算法可快速估计事件的位置、时间和地图。

图 1：台湾使用的 ShakeAlert 系统的操作 [来源 USGS]

Linux 基金会和 Grillo

地震往往在发展中国家造成最严重的后果，部分原因是建筑和基础设施问题。警报系统在墨西哥、日本、韩国和台湾等国家/地区提供公共警报，但由于成本原因，近 30 亿人难以访问它们。 OpenEEW 希望帮助降低 EEW 系统的成本，加速其在全球的部署，并最终挽救生命。

OpenEEW 项目包括物联网的几个关键组件：可以快速检测和传输地面运动的传感器硬件和固件，可以部署在各种平台上的实时传感系统，从 Kubernetes 集群到 Raspberry Pi；以及允许用户尽快接收有关硬件、可穿戴设备或移动应用程序的警报的应用程序。开源社区旨在通过贡献 OpenEEW 的三个集成技术能力来帮助推进地震技术：传感器实现、地震检测和警报发送。

“借助 OpenEEW，您可以使用我们提供的原理图构建您自己的传感器，或者直接购买组装好的产品，”Meira 说。 “这些传感器具有现代 MEMS 加速度计，其噪音远低于智能手机中的噪音。这提供了传输到云或用户提供的私有服务器的高质量数据。传感器还包括为传输和连续操作提供可靠性的定制固件。自 2017 年以来，这些传感器一直在墨西哥和智利的偏远地区运行，无需任何维护。”

他继续说道，“传感器在固件中进行连续校准，以消除对加速度值的任何偏移。他们也做一些简单的过滤。在云端（或可能在新版本固件的边缘）中，检测系统使用不同的算法（例如短期平均/长期平均）以及组合来自不同传感器的信号来查找地震事件，以确保其不误报。”

该系统基于微控制器（ESP32），具有足够的性能来读取加速度计和流数据，以及一些其他功能。 “然而，我们目前得到 Arrow 的支持，Arrow 正在为一种新传感器提供工程设计，该传感器可以低功耗进行边缘计算和蜂窝传输，”梅拉说。 “这将允许以前因缺乏互联网或电力而受到限制的新安装可能性。”

他继续说道：“现在正在开发的下一阶段是使用机器学习来改进这些检测，可能只使用单个传感器的读数。自 2017 年以来，我们已经发布了所有未处理的数据，以促进这一点。”

通过使用微控制器、新一代 MEMS 加速度计和云计算，现在可以为这些社区提供一种解决方案，而这种解决方案以前只能在少数几个国家/地区以高昂的公共费用提供。 “通过将检测系统作为开源提供，现在可以根据需要将软件部署在不同的平台上，”梅拉说。 “例如，这可能会在本地 Raspberry Pi（在小型网络的情况下）或笔记本电脑上运行，这可以提供延迟优势，而不是依赖数百公里外的云服务。”

接收警报的警报或应用程序也可以为用户量身定制。 “在 OpenEEW GitHub 中，我们提供了一个示例应用程序，人们可以创建它，但他们也可能希望将警报传送到他们的 Twitter 提要、公共广播系统，甚至是建筑管理系统。我们不知道如何实现最后一英里。

OpenEEW 传感器具有高性能 MEMS 加速度计和以太网或 Wi-Fi 连接。它还包括一个响亮的蜂鸣器和三个用于报警功能的明亮 NeoPixel LED。

组件安装在带有相应电路的 PCB 中。该板工作电压为 3.3V，最大电流为 1A。加速度计通过 SPI 接口访问，特别是 ESP32 的 VSPI。 GPS可选配UART接口（图2）。

图 2：OpenEEW 传感器 PCB 设计

OpenEEW 传感器需要特定的安装条件以确保可接受的数据质量。安装示例如图 3 所示。该系统需要靠近路由器并具有良好的信噪比以实现最佳数据包传输。

图 3：OpenEEW 系统安装

OpenEEW 是在美国国际开发署、克林顿基金会和艾睿电子的支持下创建的，其中包括物联网核心技术的支持。

最初通过克林顿基金会的克林顿全球倡议 (CGI) 行动网络支持 Grillo 的 IBM 表示，它将在 Linux 基金会支持的 Call for Code 中添加 OpenEEW 技术。 Call for Code 于 2018 年 5 月推出，旨在结合数据、人工智能和区块链技术，创建更好地应对自然灾害的系统。

除此之外，IBM 声称它已经开发了一个新系统来显示传感器读数并安装了六个 Grillo 传感器来在波多黎各进行测试。 IBM 希望通过 OpenEEW 鼓励尼泊尔、新西兰、厄瓜多尔和其他地震地区的 EEW 建设。然后，这些社区可以通过推进传感器硬件设计和创建向公民提供警报的方法来帮助 OpenEEW。

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站 EE Times Europe。