Design and prototyping of a network-enabled low-cost low-power seismic sensor monitoring system

Abstract

Esta tese explora recentes desenvolvimentos em tecnologias de informação, comunicações e sensores no campo da sismologia. A tese aborda o potencial das redes de monitorização sísmica de elevada densidade na melhoria da resolução da actividade sísmica observada e, consequentemente, na melhor compreensão dos processos físicos que estão na base da ocorrência de terramotos. A tese argumenta que a tecnologia de sistemas de microelectromecânica (MEMS), usada na produção de acelerómetros de pequena dimensão, tem aplicabilidade e elevado potencial no domínio da sismologia. Acelerómetros MEMS já facilitaram a instalação de redes sísmicas de elevada densidade com superior resolução espacial pela Universidade da Califórnia (Rede Sísmica Comunitária) e pela Universidade de Évora (Rede Sísmica de Sensores do Alentejo), esta última ainda em fase de instalação. Neste contexto, a tese descreve o trabalho conduzido no desenho e desenvolvimento de sistemas de sensores baseados em acelerómetros MEMS. Este trabalho inclui a conceptualização de componentes de arquitectura usados para a implementação de quatro protótipos. Adicionalmente, foram também desenvolvidos os componentes necessários para a operação e gestão da rede de sensores, que inclui servidores dedicados a operar software especificamente desenvolvido neste trabalho. A tese descreve também a instalação e avaliação de protótipos, usando como base de comparação uma estação sísmica de elevado desempenho, recorrendo inclusivamente à actividade sísmica resultante de dois eventos sísmicos. A tese conclui que a arquitectura conceptualizada para o sistema sensor e para a rede de sensores demonstrou ser eficaz. Adicionalmente, embora a tecnologia MEMS seja promissora, ainda exibe limitações que limitam a sua aplicabilidade no domínio da sismologia, especificamente na observação de eventos sísmicos moderados e fortes. Conclui-se também que a instalação de acelerómetros MEMS em conjunto com sismómetros pode trazer benefícios na observação de actividade sísmica. Espera-se também que futuras gerações de acelerómetros MEMS possam ter uma adoção generalizada na sismologia; ABSTRACT: This thesis exploits advances in information technologies, communications and sensor systems to the field of seismology. It addresses the potential for high-density networks for seismic monitoring aiming to improve the resolution of the recorded seismic activity and, consequently, to improve the understanding of the physical processes that cause earthquakes, as well as to gather more detailed seismic characterisation of studied regions. It argues that microelectromechanical systems (MEMS) technology, used to produce small size accelerometers, has a potential application in seismology. Indeed, MEMS accelerometers have enabled the deployment of high-density seismic networks capable of monitoring seismic activity with high spatial resolution, such as CalTech's Community Seismic Network (CSN) and University of Évora’s SSN-Alentejo, currently in the deployment phase. In this context, this thesis describes the work conducted to design and develop low-cost seismic sensor systems, based on low-cost MEMS accelerometers. This work includes the conceptualisation of the architectural components that were implemented in four prototypes. Moreover, server-side components, necessary to operate and manage the sensor network, as well as to provide visualisation tools for users, are also developed and presented. This work also describes the field deployment and evaluation of selected prototypes, using a high-performance seismic station as the reference sensor for comparison, based on generated signals and two recorded seismic events. It is concluded that the herein conceptualised architecture for the high-dense network and sensor prototypes has been demonstrated to be effective. Moreover, albeit promising, MEMS accelerometers still exhibit performance limitations constraining their application in seismology addressing moderate and strong motion. In addition, MEMS accelerometers characteristics complement seismometers, thus installing MEMS accelerometers with seismometers, may provide additional insights concerning seismic activity and seismology in general. It is also expected that next generation MEMS accelerometers will be capable to compete with traditional seismometers, becoming the de facto technology in seismology.