QuakeWatch - ES-Net 地震資料解析器

概述

QuakeWatch 是一個用於處理 ES-Net 地震感測器資料的 Python 應用程式，支援即時接收、解析和視覺化三軸加速度與震度資料。ES-Net 使用二進位格式傳輸地震感測器資料，包含精確的 NTP 時間戳記。

專案資訊

專案名稱: QuakeWatch（地震監看系統）
語言: Python 3
用途: 地震感測器資料的即時處理與視覺化

安裝需求

系統需求

• Python 3.6 或更高版本
• 序列埠連接（USB 或藍牙）

安裝套件

pip install -r requirements.txt

主要套件

• pyserial: 序列埠通訊
• matplotlib: 資料視覺化
• numpy: 數值運算

使用說明

1. 執行程式：

   python3 main.py

2. 選擇序列埠：程式會自動列出可用埠口，請選擇連接 ESP32 的埠口

3. 即時監看：程式會自動接收資料並顯示即時圖表

---

技術文件

以下是 ES-Net 通訊協定的詳細技術文件：

資料格式

1. 感測器資料封包（0x53）

頻率: 50 Hz（每 0.5 秒一次，每秒 25 筆） 大小: 21 bytes

+--------+------------------+----------+----------+----------+
| Header |    Timestamp     |    X     |    Y     |    Z     |
+--------+------------------+----------+----------+----------+
| 1 byte |     8 bytes      | 4 bytes  | 4 bytes  | 4 bytes  |
|  0x53  | uint64 (ms)      |  float   |  float   |  float   |
+--------+------------------+----------+----------+----------+

欄位說明:

• Header: 0x53 ('S' for Sensor)
• Timestamp: NTP 時間戳記（毫秒，Unix epoch）
• X, Y, Z: 三軸加速度（Gal）

Note

感測器資料說明

感測器原始資料輸出，無額外濾波處理。

2. 震度資料封包（0x49）

頻率: 2 Hz（每 0.5 秒一次，每秒 1 筆） 大小: 17 bytes

+--------+------------------+-------------+----------+
| Header |    Timestamp     |  Intensity  |    a     |
+--------+------------------+-------------+----------+
| 1 byte |     8 bytes      |   4 bytes   | 4 bytes  |
|  0x49  | uint64 (ms)      |    float    |  float   |
+--------+------------------+-------------+----------+

欄位說明:

• Header: 0x49 ('I' for Intensity)
• Timestamp: NTP 時間戳記（毫秒，Unix epoch）
• Intensity: JMA 震度值
• a: PGA 值（Gal）

Note

震度計算參數

資料窗參數：

• 資料窗長度：60 秒
• FFT 填充長度：4096 點

$a$ 值閾值時間：

• $T_{target}$：0.3 秒
• 用於定義 $a$ 值（峰值地面加速度）的計算時間長度
• 閾值查找（Threshold $a$）：對合成波形進行排序和二分查找，確定 0.3 秒累積時間所對應的加速度閾值 $a$

綜合濾波（FL x FH x FF）：

• FL（低切濾波）：0.5 Hz
• FH（高切濾波）：10 Hz
• FF（週期效果濾波）：∝ √(1/f)（與頻率的平方根成反比）

震度計算公式：

I = 2 * log10(a) + 0.94

其中 $a$ 為 PGA（峰值地面加速度，單位：Gal）

時間戳記

格式

• 類型: unsigned long long (64-bit)
• 單位: 毫秒（milliseconds）
• 基準: Unix epoch (1970-01-01 00:00:00 UTC)

來源

1. 有 NTP 同步: 使用 NTP 時間
2. 無 NTP 同步: 使用 0

錯誤處理

未知 Header

• 靜默跳過，不輸出警告
• 計入錯誤統計

資料不完整

• 當讀取的 bytes 數不符合預期時，丟棄該封包
• 計入錯誤統計

NTP 未同步

• 時間戳記為 0 或很小的值
• 輸出顯示 "No NTP"
• 使用相對時間顯示

範例

感測器資料

Header:    53
Timestamp: 1738065015234 (2025-01-27 14:30:15.234)
X:         12.34 Gal
Y:         -5.67 Gal
Z:         8.90 Gal

震度資料

Header:    49
Timestamp: 1738065015734 (2025-01-27 14:30:15.734)
Intensity: 2.5
a:         125.67 Gal