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Vulkanische Ereigniserkennung mit STM’s SensorTile.Box
Jul 19, 2022
Zusammenfassung
In diesem Artikel wird erklärt, wie eine Anwendung auf der SensorTile.box basierend am 23. Dezember 2021 ein Erdbeben der Stärke 4.3 auf dem Ätna nachweisen konnte.
Artikel erstellt von Rosario Catania
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
2. Über SensorTile.Box
3. Einsatz im Feld
4. Datenerhebung
5. Aufnahme eines Erdbebens
6. Ideen für die Zukunft
7. Zusätzliche Ressourcen
1. Einführung
In dieser Arbeit vergleichen wir verschiedene Sensoren, die mit unterschiedlichen Technologien gebaut wurden, sich jedoch am selben Standort befinden und 24 Stunden am Tag Daten einiger physikalischer Parameter erfassen, um die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Qualität von MEMS-Sensoren zu testen. Diese werden verglichen, weil sie billig sind, sehr wenig Energie benötigen, bei Bedarf aktiviert werden können und dank Smartphone-Anwendungen die Möglichkeit bieten, extrem einfach vor Ort eingesetzt zu werden. Die MEMS-Kapseln, integriert in das SensorTile.box, hergestellt von STMicroelectronics, wird auf dem Vulkan Ätna eingesetzt, der eine aktive geodynamische Umgebung aufweist, die sich perfekt zum Testen der dynamischen Komponenten des Sensors als Reaktion auf geophysikalische Belastungen eignet. Während des Testzeitraums ereigneten sich am Ätna zahlreiche Ereignisse zwischen Lavafontänen (über 50 Ausbrüche im Jahr 2021), die zu einem drastischen Anstieg des vulkanischen Erdbebens und einer kontinuierlichen Vibration des Bodens sowie zu seismischen Schwärmen führten. Am südlichen Rand des Vulkans ereignete sich am 23. Dezember 2021 ein Erdbeben der Stärke 4.3, das von SensorTile.box zum ersten Mal detektiert wurde.
Ätna Aschesäule (Foto vom Autor)
Grafik des vulkanischen Erdbebens (Quelle: INGV Osservatorio Etneo)
Seismischer Schock (Quelle: INGV Osservatorio Etneo)
2. Über SensorTile.Box
Die SensorTile.box (STEVAL-MKSBOX1V1) ist eine Entwicklungsplatine, die mehrere Sensoren, einschließlich einiger MEMS, zur Erkennung von Rotationen, Beschleunigungen, Neigungsschwankungen, Magnetfeldvektoren und zur Messung physikalischer Umgebungsparameter wie Temperatur, Feuchtigkeit und Druck integriert. Es enthält aber auch Sensoren zur Erfassung von Audiosignalen, dank miniaturisierter MEMS-Mikrofone.
Die SensorTile.box wird von einem Lithium-Polymer-Akku gespeist und ist mit einer Bluetooth-Verbindung, einem Micro-USB-Anschluß und einem Steckplatz für die Aufzeichnung von Daten auf eine microSD-Karte ausgestattet. Die Programmierung von SensorTile.box ist sehr einfach, dank der intuitiven grafischen Oberfläche der Anwendung ‘STBLESensors‘, die in den Android- und iOS-App-Stores heruntergeladen werden kann. Die in den Testversionen auf dem Ätna verwendete Firmware wurde nach Spezifikationen programmiert, die für den Einsatz im geophysikalischen Bereich geeignet sind. Zur Übertragung einer Signatur auf das SensorTile.box, bitte beachten Sie die Anleitung zum STSW-MKSBOX1_BL: STSW-MKSBOX1_BL guide.
STEVAL-MKSBOX1V1 – SensorTile.box (Bildquelle STMicroelectronics)
Die verschiedenen gebrauchsfertigen Anwendungen umfassen:
- Schrittzähler für die Gürtelpositionierung optimiert
- Babyschreierkennung mit Cloud-Künstlicher-Intelligenz zum Lernen
Baby Cry detection with Cloud AI learning - Umweltbarometer/ Monitoring
- Fahrzeug- / Frachtverfolgung
- Vibrationsüberwachung
- Kompaß und Neigungsmesser
- Sensordatenlogger
Die Platine enthält die folgenden hochpräzisen Sensoren:
- Digitaler Temperatursensor (STTS751)
- Höhenmesser / Drucksensor (LPS22HH)
- MEMS-Mikrofon / Audiosensor (MP23ABS1)
- Feuchtesensor (HTS221)
Weitere Informationen zum SensorTile.box bitte beachten Sie die offizielle Seite STEVAL-MKSBOX1V1.
3. Einsatz im Feld
Der Ätna hat interessante geologische Elemente, mit denen man mit Sensoren experimentieren kann, wie aktive seismische Verwerfungen oder Kraterränder. Dies sind Bodenbewegungen, die von einem Beschleunigungsmesser erfaßt werden können, wenn er empfindlich genug ist. Selbst ein Vulkanausbruch, dem ein an Intensität zunehmendes Zittern vorausgeht, verursacht eine allgemeine Bewegung des Bodens sowie ein Erdbeben in dem Moment, in dem es sich manifestiert. Dies ist das Szenario, auf das die Technologie angewendet werden soll, wobei die Beschleunigung des Bodens als nützlicher Parameter zum Abfangen einer Bewegung verwendet wird; in einigen Fällen ist es jedoch nützlich, die Neigungsänderung einer Oberfläche oder die Drehung einer Ebene aufgrund einer Winkelkraft zu messen. In anderen Fällen kann es sinnvoll sein, Umgebungsparameter zu messen. Einige Standorte, die für Vorversuche verwendet wurden, wurden in abgelegenen Gebieten ausgewählt, in denen Strom fehlt, um die Möglichkeit der Montage eines kostengünstigen Sensors zu testen, der lange Zeit mit einer Batterie arbeitet.
Die größte Herausforderung für ein Fernaufzeichnungsgerät besteht darin, lange Zeit nur mit Batteriestrom zu arbeiten, insbesondere im Winter mit niedrigen Temperaturen und Schnee. Die Annahme der besten Strategie ist das, was wir beim Testen lernen. Die SensorTile.Box Hardware gründlich zu kennen, machte es möglich, eine für jedes Szenario geeignete Firmware anzupassen. Zu diesem Zweck wurde beschlossen, ein Setup zu verwenden, bei dem das Gyroskop des LSM6DSOX-Chips als Wächter fungiert und sowohl den Beschleunigungsmesser als auch den Mikrocontroller inaktiv hält. Beim Auftreten eines Beschleunigungsereignisses ‘g‘ des Bodens, das jedoch einen festgelegten Schwellenwert überschritten hat, wird der Mikrocontroller geweckt, der die Datenerfassung von den 3 Achsen sowohl des Beschleunigungsmessers als auch des Gyroskops startet und diese für eine ausreichende Zeit auf der SD-Karte aufzeichnet zur Analyse, die a posteriori durchgeführt wird.
Das unterirdische Geophon und das SensorTile.box ruht auf starren Platten (Foto von der Autorin)
4. Datenerhebung
In der Geophysik ist das Geophon ein Gerät, das eine oder drei axiale Komponenten eines seismischen Ereignisses (Erdbeben) messen kann, und die vertikale gehört zu den am weitesten verbreiteten. Die von uns verwendete Kapsel ist vom Typ ZF-4.5HZ, die zwar wirtschaftlich ist, aber sehr empfindlich ist und schwache Bodenschwingungen erkennen kann. Dank der hohen Kenntnis der Reaktion dieser Kapsel wurde der ZF-4.5HZ als Referenz zum Vergleich mit dem MEMS-Sensor herangezogen und an seiner Seite platziert. Die beiden Sensoren haben aufgrund ihrer unterschiedlichen Konstruktion unterschiedliche Empfindlichkeiten, aber das Vorhandensein eines vertikalen Geophons kann einen weiteren Hinweis auf ein Ereignis liefern und dann die Daten mit denen der permanenten Stationen des Nationalen Instituts für Geophysik und Vulkanologie kreuzen, um zu verstehen, ob dasselbe natürlichen oder künstlichen Ursprungs ist, oft im Zusammenhang mit menschlichen Aktivitäten. Es wird auch verwendet, um die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers mit einer bestimmten Setup-Konfiguration abzuschätzen. Der große Vorteil von SensorTile.box soll eine Datenverarbeitungseinheit und einen digitalen Ausgang mit einer gebrauchsfertigen Datei an Bord haben, während ein Geophon mit einem rauscharmen Verstärker und einem Signalerfassungs- und -verarbeitungssystem für die Erzeugung der endgültigen Daten ausgestattet sein muss. in unserem Fall eine Soundkarte und ein Windows-PC. Während des Erdbebens vom 23. Dezember 2021 zeichnete das Geophon das Hauptereignis der Stärke 4.3 auf und das hier beigefügte Bild (erhalten mit der Freeware-Software Spectrum Lab) zeigt das Spektrum, das in der gelben Box unten sichtbar ist. Es gibt auch andere Fußabdrücke, aber von geringerer Intensität, da es sich um einen seismischen Schwarm handelt, der das Gebiet betraf. Das stärkste Ereignis (Motta S. Anastasia) wurde analysiert.
Spektrogramm entwickelt mit Spectrum Lab (Archiv des Quellautors)
5. Aufnahme eines Erdbebens
Das zu analysierende Erdbeben ereignete sich um 22:33 Uhr italienischer Zeit und wurde auch von der Bevölkerung in der Umgebung des Epizentrums wahrgenommen. In den folgenden Tagen wurde die SD-Karte analysiert, die die Aufzeichnungsdateien enthielt, und unter diesen wurde diejenige durchsucht, die am Datum / zur Uhrzeit des seismischen Ereignisses erstellt wurde. Bevor Sie mit der Aufnahme beginnen, SensorTile.box wurde über Bluetooth mit der SMARTPHONE-APP synchronisiert. Das Setup war das gleiche wie in den Remote-Einheiten getestet, also haben wir die Daten in grafischer Form verarbeitet. Daraus ergab sich, daß die Achsen des Beschleunigungsmessers und des Gyroskops, die im LSM6DSOX-Chip enthalten sind, einen deutlichen Abdruck des Vibrationsbeginns aufwiesen, der sich von unten ablöst, deutlicher auf der Z-Achse, die die vertikale Achse darstellt Beschleunigung, daher vergleichbar mit dem vertikalen Kapsel-Geophon. Die SensorTile.Box wurde während der Installation parallel zum Boden mit Ausrichtung der Achsen X = OST, Y = NORD platziert, um die korrekten Informationen über die Position des Sensors im Raum zu erhalten.
LSM6DSOX – iNEMO-Sensor (Bildquelle STMicroelectronics)
Der Abdruck des Erdbebens vom 23. Dezember 2021 ist unten mit einem roten Kreis hervorgehoben, der sowohl vom Beschleunigungsmesser als auch vom Gyroskop aufgezeichnet wurde.
Grafische Arbeit des Autors
6. Ideen für die Zukunft
Nach einer ersten Phase der Ferntests entwickeln wir eine neue Anwendung von SensorTile.box als Hochfrequenzvibrometer, bei dem das System immer mit dem Beschleunigungsmesser bei 6.6 kHz erfaßt wird, aber mit Solarpanel, Speichersystem und Aufzeichnung auf der Festplatte eines Windows-PCs betrieben wird. Die höhere Frequenz und die kontinuierliche Erfassung ermöglichen es uns, schneller und präziser zu sein, wenn ein Ereignis eintritt, obwohl Kosten und Verbrauch geringer sind. Ziel ist es, das Verhalten der Hardware zu kennen, die allen möglichen Fällen ausgesetzt ist, die durch das Szenario definiert sind, und das beste Setup für die Programmierung der Remote-Einheit zu finden.
(Quelle: Archiv des Autors)
Der LSM6DSOX-Sensor, der in der SensorTile.box enthalten ist, die derzeit auf dem Ätna getestet wird, hat während des Hauptereignisses eines seismischen Schwarms eine Vibration aufgezeichnet, wobei die vom Forschungsteam für die Anwendung im Bereich der Geophysik entworfenen und in der benutzerdefinierten Firmware programmierten Abtastspezifikationen angewendet wurden. Es handelt sich um ein konkretes Beispiel für die automatische Aufzeichnung eines seismischen Ereignisses am Ätna, die mit einem Entwicklungskit durchgeführt wurde, das für andere Zwecke konzipiert wurde, aber dank seiner großen Flexibilität interessante technologische Entwicklungen ermöglicht. Geophone haben sich als gültige und empfindliche Arbeitsinstrumente für die Erfassung selbst schwacher seismischer Ereignisse erwiesen, aber neue Siliziumtechnologien, wie MEMS-Mechanismen, stellen eine neue Grenze dar, und aufgrund ihrer geringen Kosten und ihres niedrigen Energieverbrauchs können sie an schwer zugänglichen Orten wie dem Ätna oder anderen Vulkanen eingesetzt werden. Sie können zur Überwachung der Bewegung aktiver Verwerfungen oder zur Erfassung von Umweltdaten in Höhlen oder zur Erfassung von Vibrationsdaten am Rande aktiver Krater eingesetzt werden. Die SensorTile.box bietet dank des Vorhandenseins anderer Beschleunigungssensoren in ihrem Inneren, wie z.B. der dreiachsigen (LIS2DW12 und LIS3DHH), interessante Entwicklungsmöglichkeiten.
Es ist ein Beispiel dafür, wie Technologie Ideen und Projekte anregen kann und wie diese wiederum neue Technologien entwickeln können – speziell da ST auch eine Fertigungsstätte am Fuße des Ätna in Catania betreibt.
7. Zusätzliche Ressourcen
- SensorTile.box offizielle Seite STEVAL-MKSBOX1V1
- Video: Erste Schritte mit SensorTile.box Getting started with SensorTile.box
- Bewegungsaktive Zeitbibliothek Anwendung und Funktionen in X-CUBE-MEMS1 Motion Active Time Library application and functions in X-CUBE-MEMS1
Artikel Erstellt am 19.7.2022 um 1:55
Veröffentlicht als Eigentümer von Evelina CAMILLERI
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Herausgeber
Laura C. (ST-Mitarbeiter) veröffentlichte diesen neuen Wissensartikel am 19. Juli 2022 um 9:02 Uhr.