基于無線數(shù)據(jù)采集的地震波定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)正國，黎　偉，嚴(yán)正娟，馬　龍

基于無線數(shù)據(jù)采集的地震波定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)正國，黎偉，嚴(yán)正娟，馬龍

（西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065）

介紹了一種基于無線數(shù)據(jù)采集的地震波定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為主控芯片，利用GPS模塊提供的PPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)分布式采集系統(tǒng)的同步，利用無線射頻模塊XBee-Pro實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。整個(gè)系統(tǒng)通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)嚴(yán)格同步采集，整個(gè)采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定、操作簡單，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

無線傳輸；數(shù)據(jù)采集；采集系統(tǒng)

0　引言

在靶場(chǎng)試驗(yàn)中，經(jīng)常需要確定炮彈的落點(diǎn)，利用炮彈落地激起的地震波信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)彈著點(diǎn)的定位；在安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，通過探測(cè)入侵目標(biāo)引起的地面振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別及預(yù)警。但是，常規(guī)的有線地震采集系統(tǒng)在野外擺放排列、檢查連線要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，而且在一些惡劣環(huán)境中無法進(jìn)行地震數(shù)據(jù)的采集作業(yè)。針對(duì)有線地震采集系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，本文提出了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在野外進(jìn)行采集作業(yè)，要求系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、適合長時(shí)間的野外作業(yè)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用低功耗、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的芯片，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮適應(yīng)野外復(fù)雜的環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括通信控制中心和4個(gè)無線地震數(shù)據(jù)采集單元，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

通信控制中心由MCU主控單元和無線通信模塊組成，完成PC與無線地震數(shù)據(jù)采集單元之間的通信控制。無線地震數(shù)據(jù)采集單元由MEMS地震檢波器、MCU主控單元、GPS授時(shí)與定位模塊、無線通信模塊和輔助單元組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)地震信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理及無線傳輸。

圖2　無線地震數(shù)據(jù)采集單元框圖

地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有兩種狀態(tài)：休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)。不工作時(shí)，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，降低功耗；當(dāng)需要采集地震信號(hào)時(shí)，PC向通信控制中心發(fā)送喚醒命令，通信控制中心通過無線通信模塊向無線地震數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送喚醒命令，MCU主控單元接收到喚醒命令后控制整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。MEMS地震檢波器拾取地震信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換電路，將拾取的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，GPS授時(shí)與定位提供采集系統(tǒng)的三維坐標(biāo)信息和秒脈沖同步時(shí)鐘信號(hào)，MCU主控單元將地震數(shù)據(jù)和坐標(biāo)信息進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)通過無線通信模塊實(shí)時(shí)傳回到PC進(jìn)行定位。輔助單元用于系統(tǒng)的狀態(tài)顯示。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1無線地震數(shù)據(jù)采集單元硬件設(shè)計(jì)

2.1.1地震數(shù)據(jù)采集部分

地震波在傳播過程中，由于波前擴(kuò)散、吸收效應(yīng)、反射和折射等對(duì)地震波振幅、頻率的影響，到達(dá)傳感器的地震信號(hào)微弱，因此對(duì)地震檢波器的靈敏度要求高。MEMS地震檢波器體積小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度高、長期穩(wěn)定性好，系統(tǒng)選用模擬輸出的MEMS地震檢波器。MEMS地震輸出的地震信號(hào)微弱，而且有噪聲，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)地震信號(hào)進(jìn)行緩沖、放大、濾波等，使其適合A/D轉(zhuǎn)換輸入。系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換采用主控芯片自帶的ADC，A/D轉(zhuǎn)換采用單端輸入，采樣率為1 kHz。

2.1.2主控單元

通過分析系統(tǒng)對(duì)各種資源的需求，MCU主控單元需要具有A/D轉(zhuǎn)換、UART，并且功耗低、接口資源豐富、工作溫度范圍大、適合野外環(huán)境工作，因此本系統(tǒng)選用混合信號(hào)ISP Flash微控制器C8051F020作為MCU主控單元。C8051F020有一個(gè)片內(nèi)8位SAR ADC（ADC0）、一個(gè)8通道輸入多路選擇開關(guān)和可編程增益放大器，該ADC工作在500 ks/s的最大采樣速率時(shí)可提供真正的8位精度，INL為±1 LSB。另外，C8051F020采用高速、流水線結(jié)構(gòu)CIP-51內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25 MIPS，具有多種節(jié)電休眠和停機(jī)方式，內(nèi)部有硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/ I2C和兩個(gè)增強(qiáng)型全雙工UART串行接口，工作溫度范圍為-45℃～+85℃，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

2.1.3GPS授時(shí)與定位模塊

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是全球性、全天候的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)向全球范圍用戶提供高精度的三維位置、速度和精確時(shí)間信息。每個(gè)自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配備了GPS授時(shí)與定位模塊，為系統(tǒng)提供同步時(shí)間基準(zhǔn)和空間位置信息。系統(tǒng)自身可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)自定位，定位精度可以達(dá)到cm級(jí)，省去了測(cè)量位置信息的工作，并能夠?yàn)楹罄m(xù)地震數(shù)據(jù)處理提供高精度的位置信息。GPS模塊提供的秒脈沖輸出在定位成功后會(huì)輸出1 Hz的脈沖信號(hào)，該信號(hào)可作為系統(tǒng)的同步脈沖信號(hào)，采集電路的數(shù)據(jù)采樣觸發(fā)時(shí)刻與該同步脈沖信號(hào)對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步采樣。系統(tǒng)的GPS模塊選用AiAge的AI-GPS-V04，內(nèi)部芯片為UBLOX NEO 6M，波特率在4 800～115 200 Baud間任意配置，刷新率在1～5 Hz間任意配置。

2.1.4無線通信模塊

本設(shè)計(jì)中無線傳輸技術(shù)要保證無線地震數(shù)據(jù)采集單元之間的短程無線傳輸以及無線地震數(shù)據(jù)采集單元與通信控制中心之間的遠(yuǎn)程有效傳輸，而且采集單元之間可以無線自組網(wǎng)，即所有采集單元在開機(jī)后即可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的，每個(gè)采集單元既可以作為終端，也可以作為路由器，所有采集單元的地位平等，一起組成一個(gè)對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)。這樣的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即使某一個(gè)采集單元出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)也可以自動(dòng)發(fā)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，自動(dòng)調(diào)整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)拓展簡單。系統(tǒng)無線傳輸模式如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)無線傳輸模式

系統(tǒng)的無線通信模塊選用美國DIGI公司的遠(yuǎn)距離低功耗數(shù)傳模塊XBee-Pro DigiMesh 900M，該模塊基于ZigBee協(xié)議，工作在ISM 900 MHz頻率波段，支持睡眠路由器功能，簡單拓?fù)?，易于配置，傳輸距離達(dá)6 mile （10 km），可以組建Mesh網(wǎng)絡(luò)［1］。該模塊支持UART和SPI通信，系統(tǒng)選擇UART串口通信。

2.1.5主控單元與各模塊接口設(shè)計(jì)

如圖4所示，地震信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路后，由8位SAR ADC的AIN1.0通道輸入C8051F020進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)暫存于片內(nèi)寄存器。GPS模塊的通信連接由數(shù)據(jù)TTL信號(hào)輸入、數(shù)據(jù)TTL信號(hào)輸出和秒脈沖輸出完成，GPS模塊配置完成后，由主控單元C8051F020控制，與主控單元UART0的TX0和RX0進(jìn)行異步串行通信，實(shí)現(xiàn)定位信息的接收，秒脈沖輸出接入主控單元的外部中斷源/INT0，控制數(shù)據(jù)采集同步。無線模塊的UART通信接口包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、清除發(fā)送和請(qǐng)求發(fā)送。清除發(fā)送/CTS有效時(shí)，若串行接收緩沖區(qū)空間不足17 B時(shí)，則/CTS會(huì)被置高，主控單元停止發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)串行接收緩沖區(qū)空間有34 B時(shí)，/CTS位恢復(fù)有效。請(qǐng)求發(fā)送/RTS有效時(shí)，無線模塊串行傳輸緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)將不會(huì)從DOUT口輸出，但主機(jī)不能長時(shí)間使/RTS有效，否則串行傳輸緩沖區(qū)的空間將被占滿，此時(shí)如果再收到RF數(shù)據(jù)，則收到的全部數(shù)據(jù)會(huì)被丟棄。

2.2通信控制中心硬件設(shè)計(jì)

通信控制中心的主要功能是將PC發(fā)送的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給無線地震數(shù)據(jù)采集單元，接收無線地震數(shù)據(jù)采集單元傳回的數(shù)據(jù)并發(fā)送到PC進(jìn)行數(shù)據(jù)后期處理。通信控制中心的MCU主控單元選用混合信號(hào)ISP Flash微控制器C8051F020，無線通信模塊選擇XBee-Pro DigiMesh 900M，主控單元與無線模塊的通信通過UART實(shí)現(xiàn)，接口連接部分與無線地震數(shù)據(jù)采集單元相同。

圖4　主控單元與各模塊接口設(shè)計(jì)

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了保證野外采集作業(yè)有足夠的時(shí)間，系統(tǒng)必須耗電少，因此分布式自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在野外排布好之后，上電系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待喚醒。系統(tǒng)的工作狀態(tài)由PC控制，通信控制中心轉(zhuǎn)發(fā)控制命令，無線地震數(shù)據(jù)采集單元接收命令轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)或進(jìn)入休眠。系統(tǒng)主流程如圖4所示。無線地震數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)入工作狀態(tài)，采集地震數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步處理后將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回PC，系統(tǒng)接收到停止命令時(shí)，停止數(shù)據(jù)采集重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。

圖4　系統(tǒng)主程序流程圖

3.1GPS模塊配置

GPS模塊AI-GPS-V04通過UART串口與MCU主控單元完成數(shù)據(jù)傳輸。需要配置GPS的波特率、刷新率，GPS的配置需要通過USB轉(zhuǎn)串口的TTL小板和u-center軟件來完成，系統(tǒng)配置GPS波特率為9 600 Baud，刷新率為1 s。配置完成后，GPS模塊每隔1 s按NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議輸出GPS定位和時(shí)間信息，并在PPS接口輸出1 kHz的脈沖信號(hào)［2］。

3.2系統(tǒng)同步采集軟件設(shè)計(jì)

由于無線傳輸延時(shí)、分布采集單元電路延時(shí)等因素會(huì)造成非同步采集，影響后期數(shù)據(jù)處理，因此高精度的時(shí)間同步技術(shù)是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。GPS模塊可產(chǎn)生精確的PPS信號(hào)（50 ns～1μs），并且與無線發(fā)送、中繼和接收存在的時(shí)延無關(guān)。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有GPS，能夠自動(dòng)記錄采集點(diǎn)空間位置和自動(dòng)同步采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)，根據(jù)首波到達(dá)時(shí)間推算震源位置，且系統(tǒng)在野外排列不受地形限制，可以極大地提高野外施工效率。本文研究了開發(fā)小規(guī)模的自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證了自主相關(guān)技術(shù)及系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，為大規(guī)模的無線自定位地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及定位算法研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］陳湘平，房莉.基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控自動(dòng)化，2009，25（4-1）：99-100.

［2］任家富，李懷良，陶永利.地震數(shù)據(jù)采集無線同步技術(shù)研究［J］.中國測(cè)試技術(shù)，2008，6（34）：2-3.

Design o f seism ic data acquisition system based on w ireless netw ork

Yan Zhengguo，Li Wei，Yan Zhengjuan，Ma Long
（The Key Laboratory of Photo Electricity Gas&Oil Logging and Detecting，Ministry of Education，Xi′an Shiyou University，Xi′an 710065，China）

This paper introduces a method of the seismic data acquisition system based on wireless network.The system takes C8051F020 single chip microcomputer as main control chip，uses GPS module to provide the PPS signal to realize the synchronization of distributed acquisition system，and uses the radio frequency module XBee-Pro to realize the wireless transmission of data.The whole system is controlled by PC in real time.Experiments show that the system can realize strictly synchronous acquisition，the acquisition system works stably，and the operation is simple.It has high engineering application value.

wireless transmission；data collection；acquisition system

TN92

A

1674-7720（2015）04-0067-03

（2014-09-28）

嚴(yán)正國（1976-），男，博士，副教授，主要研究方向：測(cè)井信號(hào)與信息處理。

黎偉（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)與信息處理。

嚴(yán)正娟（1987-），女，碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)與信息處理。