学会了嘛？使用树莓派和 ADC 检测地震！

检波器是一种设备，可根据声波/压缩波中的粒子速度产生电信号。简单来说，检波器是用于地面的超低频麦克风。检波器在全球范围内用于测量地震和震颤，在地震反射测量（特别是地下地质测绘）、安全装置（通常与地下采矿情况有关）中，能够测量经过的脚步声，并在机器学习领域占据一席之地。这些是非常灵敏的被动设备，重要的是，它们产生的电信号是模拟信号。

尽管树莓派单板计算机功能强大，但默认情况下无法读取纯模拟信号。

因此，我们需要一个ADC（模数转换器）作为这两个系统之间的转换器。ADC将模拟信号转换为数字表示，以便读取和处理。大多数传感器，如温度传感器、声音传感器或力传感器，都会产生模拟输出电压，检波器也不例外。本指南的内容如下：

所需材料

将模拟信号输入树莓派——Adafruit ADS1115 ADC

硬件搭建

软件设置

演示——连续记录和24小时数据记录

下一步——达到阈值时拍照

脚本和产品数据表下载区（外加一些历史）

检波器是非常简单而巧妙的设备。检波器通常包含一个弹簧安装的线圈质量块，该质量块可以在壳体安装的永磁体磁场内自由移动（见下图）。设备的有效元件是悬挂在弹簧上的线圈质量块。当地面震动时（假设是由于地震），弹簧安装的质量块具有惯性，想要保持静止。随着地球继续移动，磁体在弹簧安装的质量块周围自由地上下移动。这种位移会产生变化的磁场，从而在线圈中产生可测量的电压信号。这些电压变化非常迅速。由于电压是自然现象的结果，因此会产生纯模拟信号。请查看下图，了解本指南中将要使用的SM-24检波器、检波器横截面以及应用示例。

检波器历史悠久，1906年，俄罗斯帝国的一位王子B. B. Galitizin发明了这种风格的检波器。它们还有不同的名称，如罐子、拾音器和Tortugas。一些特殊的完全耳道式助听器内部也有微型检波器系统。新西兰人在20世纪40年代的战争中使用了检波器。这是识别和定位敌方地下挖洞者方向的最佳方法。与SM-24完全相同的小型高频检波器通常用于全球的地震勘探和地震测量。

一如既往，如果您有任何问题、疑问或希望我对该系统进行的操作，请告诉我们您的想法！

所需材料

以下是设置树莓派读取SM-24检波器产生的模拟信号所需的所有材料。

树莓派掌上电脑（我使用的是树莓派4B 2GB版，但也可以使用早期低配版，如树莓派3）

检波器 - SM-24

ADS1115 16位ADC——4通道，带可编程增益放大器（该板的新版本为黑色PCB，也可使用其他ADC，用法类似）

预装树莓派操作系统的Micro SD卡

DuPont跳线连接器（母对公和母对母）

三个1kΩ电阻

免焊接面包板

用于将系统连接到显示器的Micro-HDMI转HDMI线

电源

鼠标和键盘

将模拟信号输入树莓派——Adafruit ADS1115 ADC

简单来说，数字信号是具有两个可区分电平（1或0）的二进制逻辑信号。这些信号由两个电压带表示，一个接近地/零伏，另一个接近电源电压。数字信号的主要关注点是数据传输。模拟信号则涵盖了其他所有信号。它们只能通过数学函数（如果可能的话）来真实表示。它们是有机信号，具有无限分辨率，直至分子级别。然而，无限分辨率的ADC是无法实现的，但一些现代ADC可以取得惊人的效果。请查看下图，了解数字信号、模拟信号以及模拟信号如何以数字方式读取的演示。

模数转换器（ADC）有多种类型，日常制作者通常接触到的是12位ADC或10位ADC。10位ADC提供1024个可能的位分辨率（2的10次方）。还有更强大的32位ADC，具有4,294,967,296个可能的位分辨率（2的32次方）。只要计算机能够处理高采样率和高细节的模拟数据数字表示，这就能提供对模拟信号的极其准确的表示。请查看下图，了解不同位数导致的模拟信号数字表示的更精确/更不精确的图表。

对于我们来说，我们将使用Adafruit ADS1115 16位ADC。请查看下图中的该设备、带标签的引脚图以及黑色PCB上带Stemma连接的新版本。该设备具有0到65,535个可能的数据点（2的16次方）的分辨率，非常适合我们的应用。需要注意的是，由于ADS1115板通常设置为处理正负值，因此一位用于表示+或-号，导致分辨率为32767。回到现实世界，16位分辨率是CD播放音乐的分辨率，听起来非常棒。ADS1115的采样率可以设置在每秒8到860个样本之间。请记住，采样率越高，ADC捕获和转换模拟信号所需的时间越短。该板还具有内置增益放大器，允许您将电压信号放大2-3倍至16倍。更高的增益值使您能够提高设备的灵敏度，从而有效地实现信号响应的无损放大。对于我们的检波器案例，我们将使用最大增益值16，以最大化灵敏度。

这些ADC板广泛用于树莓派，因为IC芯片的工作电压为3V3。ADS1115具有四个模拟输入通道，支持两种数据采集方式——单端和差分。在单端转换中，从四个模拟输入引脚中的每一个独立采样模拟数据。在差分模式下，对两个模拟输入引脚之间的电压差进行采样。这种差分模式非常适合我们的用例，因为检波器是一种产生两个可测量电压的模拟设备。差分输入比单端输入更能抵抗电磁干扰（EMI）。为了进一步减少干扰，您可以扭转/盘绕来自检波器的电线。扭转确保了两根电线受到几乎相同的外界影响。

使用该板可以通过两种方式进行转换（单端或差分）。下面将进行解释。

转换由树莓派启动。转换后的值存储在ADS1115的寄存器中。然后树莓派读取该寄存器。

转换由ADS1115连续进行。信号以预编程的速率采样，转换后的值在ADS1115的寄存器中反复更新。树莓派必须根据编程的采样率反复读取ADS1115寄存器。如果树莓派以较低速率读取寄存器，则会错过几个捕获的样本。另一方面，如果树莓派以较高速率读取寄存器，则会记录同一样本的多个冗余值。

20世纪20年代，瑞典科学家Harry Nyquist提出了著名的Nyquist定理。他确定，如果以至少比信号中最快运动快两倍的速度定期对信号进行采样，则可以在传输的另一端无损地重建信号。地震测量很难确定最快运动是什么，因此我将尝试充分利用所有硬件，并使用Python编程语言获得最佳结果。值得注意的是，其他编程语言，如C、BASIC或汇编语言，将具有更快的操作速度。但这些编程语言的可读性较差。

硬件搭建

现在我们将搭建硬件。首先，像连接台式电脑一样，将所有连接插入树莓派4B。

但暂时不要插入USB-C电源插头。现在，您需要在ADS1115板上焊接排针，并在SM-24检波器顶部焊接一些电线连接。检波器附带一个小型迷你PCB板，使焊接到其顶部变得更加容易。我倾向于使用DuPont跳线连接器，但您也可以直接将所有组件焊接在一起，或使用您喜欢的任何连接方式。有很多选择。请查看下图，了解我实现的焊接结果。

现在查看下面的原理图。我们将以完全相同的方式连接Adafruit ADS1115板和树莓派4B。树莓派通过GPIO引脚连接到ADS1115板。共有四个连接。红色连接用于向ADS1115提供3.3V VDD（电压排水排水）。黑色电线用于在两个板之间提供GND（接地）连接。最后两个连接用于I2C连接，SCL（串行时钟）和SDA（串行数据）。SCL是橙色电线，SDA是紫色电线。传感器可以由树莓派本身提供电压，就像我这样，但必须是3.3V连接。5V会损坏Adafruit ADS1115 ADC板。

请允许我解释一下SM-24检波器附近的电阻布局。中间的1kΩ电阻是根据数据表使用的校准电阻，用于平缓响应曲线。请查看下面从SM-24数据表中摘录的表格，对此进行了解释。所有数据表均可在本页底部下载。

另外两个1kΩ电阻连接到ADS1115板，用于限流。在检波器输出电压大于ADC最大输入电压的情况下，这些电阻将保护我们的系统。即使输出电压为10V，远高于检波器通常的几mV输出，由于电阻的作用，电流将被限制在5mA。因此，我们不会损坏ADS1115模拟输入的静电放电二极管（ESD），系统可以长久使用。现在，我们将使用一些跳线将两个电阻端连接到ADC板上的A0和A1。

连接完所有部件后，您可以为系统供电。您的设置应该与下图非常相似。请确保将检波器直立放置，并将桶轴与地心对齐（或至少在几度范围内）。检波器在倒置或角度过大时无法捕获数据或捕获不准确的数据。有些检波器系统将多个轴向万向检波器集成到一个系统中，即使在震动时也能提供真实的轴向方向，但我们在这里不涉及这种复杂性。

软件设置

系统通电并完成（新）首次启动向导后，您将看到树莓派桌面。现在，Adafruit ADS1115 ADC需要I2C通信才能工作。默认情况下，树莓派操作系统上的这种通信方式是关闭的。因此，第一步是打开它。

为此，请打开树莓派配置菜单（通过左上角的菜单并滚动到首选项找到），然后在接口选项卡下启用I2C连接。启用后，重置树莓派以锁定更改。

现在，系统已重新启动并连接到互联网，请按屏幕左上角的黑色按钮打开一个新的终端窗口。这将打开一个终端窗口。请查看下面此操作的图片以及指向按下的终端按钮的大红色箭头。

此终端窗口将使我们能够从互联网下载所需的精确软件包。现在，在终端中输入以下行并回车，以获取所需的所有软件包。如果提示，请输入| Y |以继续/确认安装。请查看下面下载其中一个命令的图片。

如果您运行的是Bookworm操作系统（2024年起树莓派操作系统的默认版本），则需要使用所谓的虚拟环境。如果您尚未设置环境，可能会收到“外部管理环境”错误消息。设置虚拟环境很容易，只需执行一次，我们有一个非常简短的指南来介绍如何操作。如果您已经设置了环境，或者您运行的是较旧的操作系统，则可以跳过此步骤

sudo apt-getupdatesudo apt-getinstall build-essential python-devsudo pip3 install matplotlibsudo apt-getinstall libatlas-base-devpip3 install numpy--upgradesudo pip3 install adafruit-ads1x15sudo pip3 install adafruit-circuitpython-ads1x15

完成后，我们已经完全设置了树莓派单板计算机，以便与SM-24检波器和ADS1115板一起工作。

演示——连续记录和24小时数据记录

我创建了一些示例代码，您可以在本页底部或此处找到并下载。

https://core-electronics.com.au/attachments/uploads/article-downloads-geophone-scripts-and-datasheets.zip

这些文件将位于一个Zip文件夹中，只需将其内容提取到您喜欢的任何位置，桌面是一个非常好的选择。右键单击并使用Thonny IDE打开任何文件，以查看它们的编写方式。Thonny IDE只是一个Python解释器软件，您可以使用任何您喜欢的软件。

让我们首先打开| Differential Graph Display.py |。所有脚本都经过了详细注释，因此您可以跟随。打开后，按大的绿色| 运行 |按钮。一旦按下运行，它将显示检波器的实时输出，并不断更新图表。摇动检波器，图表将相应响应。这些数据也记录在shell输出中。Y轴上的读数是检波器输出的毫伏值。数据以大约每秒25个读数的速度不断传入。脚本中的Y轴设置将防止其即使在剧烈摇动时（虽然我不推荐这样做）也会使垂直读数达到最大值。脚本中将使用16的增益，以便您可以看到此设备的灵敏度。它能够检测到桌子另一侧的轻敲手指。

接下来值得查看的脚本是| Differential-Data-Collect-Gain.py |。运行此脚本，它将采集100个电压数据样本，并将这100条信息存储在名为| Geophone_Data.txt |的CSV（逗号分隔值）文件中，每个数据点之间用新行分隔。如果此文本文件尚未创建，它将创建此文件。另外，请注意，每次运行此脚本时，它都会重写该文本文件。采集毫伏数据后，它还将打印到shell上采集数据所需的确切时间。请查看下面此脚本运行的图片。

如果您还将数据打印到shell，则ADC大约每秒将提供100个读数（取决于树莓派硬件）。如果您注释掉所有将数据打印到shell的部分，则可以更快地接收100个样本。考虑到我们使用的是相对较慢的编程语言，这仍然是大量的数据点。对于本指南中使用的所有脚本，转换均由树莓派启动。如果数据由ADS1115板连续采集，则可以从ADS1115板获得更高的数据流。使用另一种“更快”的编程语言，如C或机器代码，将意味着更高的准确性和更多的数据。只是不要被数据淹没，请记住Nyquist定理。

要使用此脚本记录一整天的地震数据，我在第一个While循环下方直接创建了第二个While循环。如果您注释掉第一个循环并取消注释第二个循环，它将运行While循环一整天。在该时间段内收集所有数据并将其添加到文本文件中。当您有足够的数据或想要以图形方式观察某些内容时，可以使用Excel快速将这些数据转换为图表（如果需要）。请查看下面Python脚本的此更改。

大多数地震仪测量速度/电压，就像我们在这里所做的那样。如果您想要位移，则对输出随时间进行积分；如果您想要加速度，则对输出随时间进行微分。

下一步——达到阈值时拍照

最后，我想根据检波器控制一些连接的硬件。这个想法是，当有人走过树莓派时，它将通过检波器检测到脚步声产生的振动。然后，它将触发拍摄走过的人的照片。为此，首先，我们需要在树莓派单板计算机的CSI端口上连接一个摄像头。有关设置高清树莓派摄像头的指南，请查看此处。完成后，您的设备应该与下图非常相似。

在Python脚本方面，我调整了之前的脚本以添加阈值。系统将不断通过检波器监听。然后，一旦达到检波器响应的某个幅度，它将激活摄像头。摄像头将自动调整并拍摄其前方任何物体的照片。然后，系统将恢复监听。将为您执行此操作的脚本名为| Footsteps-Camera-Geophone.py |。以与之前相同的方式打开并运行最终的Python脚本，请查看下面系统在我走出办公室时自动捕获我的照片的图片（我想他们打算把我困在里面）。

此脚本的工作原理非常简单。如果检波器响应的值低于-30或高于30，则它将激活摄像头。摄像头将拍摄照片。照片保存的名称将是当前日期和时间。如果此值对您的应用过于敏感，请简单调整为更高的值。请记住，此检波器正在通过地毯地板和木桌检测振动，这非常了不起。请查看下面代码中的此If语句位置。

这开启了一个有趣的控制世界，其中设置在墙后的设备，传感器完全不在视线范围内，仍然可以完全感知并控制连接的硬件。假设您晚上在家中走动，您的系统将确切知道您在哪里以及您在家中的方向。然后，它可以自动打开灯，照亮您走过的路径。它还可以用作秘密方法，跟踪走过特定位置的人数。

脚本和产品数据表下载区（外加一些历史）

据传，公元132年，中国汉朝的张衡发明了第一个地震仪，称为候风地动仪。这翻译为“测量季节性风和地球运动的仪器”。描述称，它是一个大型青铜容器，直径约2米。顶部八个点有龙首，龙首中持有青铜球。然后，当地震发生时，龙嘴之一会打开，将其球落入底部的青铜蟾蜍中，发出声音并指示地震的方向。此地震仪记录的第一次地震被确定为来自东方。几天后，一位来自东方的骑手报告了这次地震。