基于無線網絡的無纜地震儀遠程監控系統

Remote Monitoring System of Cable-less Seismograph Based on Wireless Network

張曉普　林　君　楊泓淵　趙玉江　朱亞東洋

(吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春　130026)

?

基于無線網絡的無纜地震儀遠程監控系統

Remote Monitoring System of Cable-less Seismograph Based on Wireless Network

張曉普林君楊泓淵趙玉江朱亞東洋

(吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春130026)

摘要：針對地震數據采集過程中工作人員無法遠程監測和控制儀器的問題，設計并實現了一種基于無線網絡技術的無纜地震儀遠程監控系統。該系統由無纜地震儀和主控中心兩部分組成。無纜地震儀按照通信方式被分為普通節點和網關節點兩種。普通節點通過WiFi連接到網關節點；網關節點通過蜂窩網絡連入互聯網，與主控中心建立TCP連接，主控中心完成對無纜地震儀工作狀態的實時監控和地震數據質量的監測。經測試，基于無線網絡的無纜地震儀遠程監控系統具有良好的穩定性與實時性，能夠在地震數據采集工作中使用。

關鍵詞：無線網絡WiFi蜂窩網絡地震儀遠程監控系統嵌入式Linux系統數據采集通信

Abstract：Aiming at the problems in acquisition process of seismic data,such as staff members are unable to monitor and control instruments remotely,the remote monitoring system for cable-less seismograph based on wireless network technology is designed and implemented.The system consists of two parts, the cable-less seismograph and the main control center.The cable-less seismograph is divided into two types in accordance with the communication modes, one is with normal node,and another one is with gateway node.The normal node is connected to gateway node via WiFi, the gateway node is connected to Internet via cellular network for setting up TCP connection with main control center.The real time monitoring of the operation status of the cable-less seismograph and the detection of the quality of seismograph data are conducted in main control center.The tests show that the system possesses excellent stability and real time performance; it can be used in seismic data acquisition.

Keywords:Wireless networkWiFiCellular networkSeismographRemote monitoring systemEmbedded Linux system

Data acquisitionCommunication

0引言

人們對石油和天然氣日益增加的需求不斷推動著資源勘探工作快速發展。作為資源勘探最主要的方式，陸上地震勘探具有作業范圍大、采樣節點眾多、產生海量數據等特點。實際工作中，工作人員需要對幾十萬個采集設備進行操作(檢測、布設、回收)。由于節點數量巨大，用于通信的線纜占地震勘探總裝備重量的75%，且對通信線纜的檢測、鋪設以及回收工作是整個勘探工作量的50%。除此之外，由于通信線纜無法橫穿鐵路、公路，傳統地震勘探設備在該類區域內無法工作[1]。如果在勘探過程中，使用盲采式的無纜地震儀(在工作中不適用通信技術，將采集到的數據記錄在存儲設備中的地震儀)常常會因為設備故障、受施工環境影響等原因，影響到數據采集質量，從而導致整個地震數據采集的廢道率升高(在地震勘探中，一個檢波器采集到一個分量的地震數據稱為一道)[1-3]，降低了工作效率。

針對以上問題，本文將蜂窩網絡技術與WiFi技術結合，將現有的基于WiFi技術的無纜地震儀作為普通節點，設計并實現了網關節點與中控中心軟件，組成了滿足勘探工作所要求的實時性與穩定性的無纜地震儀遠程監控系統。

1無纜地震儀通信的現狀

目前，無纜地震數據采集系統主要是采用WiFi技術進行通信[4-6]，例如目前地震勘探領域最常用的設備之一是由法國Sercel公司研制的UNITE無線地震勘探系統。基于WiFi技術實現無纜地震儀監控系統，需要在地震儀(采集終端)的附近架設AP(access point)天線、網橋等網絡通信設備，以搭建地震儀與主控中心物理層的連接，然后通過相應的軟件實現自組網通信。利用單一的WiFi技術實現地震勘探系統通信的方式主要存在以下三點不足。

(1)系統的整體設備質量較大。雖然與傳統基于有線的地震勘探系統相比，由于減少了通信線纜，該類系統總體的質量明顯變小，但由于添加了AP天線、網橋等設備，系統的功耗增加了，工作中還需要攜帶更多的電源，因此整個系統依然存在改進的空間。

(2)野外工作量較大。出于增加無線通信覆蓋面積或跨越障礙等目的，還需要將天線、網橋等設備架設到較高的地方，增加了采集前的布設工作。

(3)通信距離有限。此類系統的通信距離一般不超過100 km，不能實現遠程傳輸功能，無法將采集到的數據傳輸到數據處理中心進行數據處理。

2系統總體設計

根據現有無線通信技術的特點以及物聯網技術在工業中應用的現狀[7-11]，本文選擇使用已建成的、具有較大覆蓋面積和較大傳輸帶寬的蜂窩網絡與WiFi結合，實現主控中心指令、地震儀工作狀態以及采集到的地震數據等的傳輸功能，從而可以在不架設AP天線、網橋等設備的前提下，實現穩定的遠程實時工作狀態監測與控制功能，分析采集到的數據質量，最大化減少勘探系統的重量和野外的工作量。該遠程監控系統分為兩部分：無纜地震儀、主控中心。系統中的無纜地震儀分為兩種：具有WiFi通信功能的普通節點和具有WiFi+蜂窩網絡通信功能的網關節點。一臺具有公網IP地址的終端即可作為主控中心，通過主控中心軟件實現對多臺無纜地震儀的遠程監控和操作。

基于無線網絡的無纜地震儀遠程監控系統的工作示意圖如圖1所示。

圖1　系統整體結構圖

在實際工作中，為了使主控中心可以建立在任意一臺具有公網IP地址的終端上，需要使地震儀獲得主控中心IP地址的信息。因此，主控中心先通過短信向網關節點發送服務器的IP地址。網關節點讀取來自主控中心的短信以獲得服務器的IP地址，接著作為AP廣播子網的服務集標志(service set identifier，SSID)。普通節點(現有基于WiFi技術的無纜地震儀)通過搜索指定的SSID加入由網關節點建立的子網，組成一個基于網關節點的星狀監控子網[6]。主控中心軟件通過互聯網與各監控子網進行通信，從而實現對地震儀一對多的遠程實時監測與控制。

由于普通節點選用目前現有的支持WiFi通信的無纜地震儀，所以本文自行設計并實現了網關節點和主控中心軟件。

3網關節點的設計

3.1.網關節點的硬件設計

3.1.1整體硬件結構

系統中作為網關節點的地震儀由五部分構成：控制單元、4通道數據采集單元、電源管理單元、通信單元和GPS模塊。網關節點的硬件結構如圖2所示。

圖2　網關節點的硬件結構圖

控制單元是由ARM9處理器(AT91RM9200)、16 MB NOR Flash、64 MB SDRAM和100 Mbit/s以太網接口、RS-232接口組成的嵌入式系統。控制單元用來控制系統中的通信單元、GPS模塊、采集單元，使地震儀能夠正常工作。4通道數據采集單元由FPGA、模擬濾波網絡、運放模塊、信號調制模塊、數字濾波模塊組成。采集單元在FPGA的控制下對輸入差分地震信號進行模擬濾波、放大、模數轉換、數字濾波，然后寫入FPGA的FIFO RAM中。ARM與FPGA通過地址總線和數據總線進行通信[12]。電源管理單元由MCU、大電流降壓芯片、繼電器等器件組成，為控制單元、采集單元、通信模塊和GPS模塊提供電源，并進行動態電源管理，以降低地震儀的功耗[12]。GPS模塊用于網關節點的授時和定位，為地震勘探系統提供地震儀的排列關系和同步信號。GPS模塊通過UART與ARM進行通信[12]。通信單元包含蜂窩網絡通信模塊和WiFi模塊兩部分。WiFi模塊與ARM通過SPI總線連接，受ARM控制，實現網關節點與普通節點間的通信功能[6]。蜂窩網絡通信模塊與ARM通過USB接口通信，受ARM控制，實現網關節點與主控中心間的通信功能。

3.1.2蜂窩網絡通信模塊的硬件設計

在網關節點中，由蜂窩網絡通信模塊負責監控子網與主控中心的通信任務。蜂窩網絡通信模塊的硬件設計應考慮到地震勘探儀器的野外工作環境特點，選擇工作溫度范圍大、功耗低、性能穩定的蜂窩網絡通信芯片，并且選擇加入覆蓋面積廣、通信速率大的蜂窩網絡。綜合上述因素，選擇華為技術有限公司開發的MU509模塊作為蜂窩網絡通信模塊，選擇中國聯通的WCDMA網絡作為系統所加入的蜂窩網絡。

蜂窩網絡通信模塊的硬件結構如圖3所示。為了滿足高速率通信的要求，選用USB接口連接ARM與MU509，其中，ARM為主設備，MU509為從設備。

圖3　蜂窩網絡通信模塊硬件結構圖

3.2網關節點的軟件設計

3.2.1整體軟件結構

由于地震儀的功能多樣化，為了便捷地實現多任務的要求，選擇Linux系統作為操作系統。網關節點軟件的用戶層應用程序中包含三個主要程序：控制程序、通信程序和PPP撥號連網程序。控制程序負責網關節點采集相關任務的實現，比如開始采集、通道測試、系統重置等[12]。PPP撥號連網程序用于網關節點能夠持續穩定地連接到互聯網。通信程序實現主控中心與地震儀間的通信。通信程序需要實現兩個功能。一個是監控子網的路由功能，負責子網內的轉發任務；另一個是與控制程序的通信功能，通過共享內存將從主控中心獲得的指令通知控制程序，而后再從共享內存中讀取控制程序的執行結果并上報到主控中心。為了實現地震儀PPP撥號連網，需要向Linux內核中添加PPP撥號連網的模塊和USB調制解調器的驅動。網關節點的整體軟件框架如圖4所示。

圖4　網關節點的軟件框圖

3.2.2配置的Linux內核支持PPP撥號

基于Linux系統實現PPP撥號連網功能，需要先向內核添加USB調制解調器驅動。首先，應該添加USB轉串口驅動。添加USB轉串口驅動需要內核中已包含AT91RM9200的USB主機控制器的驅動，并在系統的板級配置文件中完成初始化。USB主機控制器的初始化函數在內核文件夾內/arch/arm/mach-at91的board-dk.c文件里的板級初始化函數中。然后，在USB轉串口的驅動中注冊MU509的VID和PID。之后，進入內核配置界面，將USB轉串口的驅動和USB調制解調的驅動編譯進內核。

此外，還要使內核支持PPP功能，在配置界面的根目錄下選擇Device Drivers中的Network device support，將其中與PPP有關的選項都以靜態編譯進內核的方式選中。最后，使用交叉編譯器將裁剪好的內核編譯并燒錄到AT91RM9200中。

3.2.3PPP撥號連網程序

根據PPP連網的需要，應向文件系統中加入兩個開源應用程序，分別是PPPD和chat。PPPD是PPP連網的守護進程，它通過向通信模塊發送AT指令控制著PPP連接過程中各種狀態的轉換以及處理各階段的外部事件。當PPP連接成功后，PPPD就進入休眠狀態，一直到收到斷開連接信號后直接退出或者發生意外斷開事件后進行重新連接。chat負責撥通網絡服務商的網絡設備，在物理層建立連接，并對連接階段的各種情況進行處理。在向文件系統中添加PPPD和chat程序后，還需要建立如下目錄/etc/ppp/peers，并在該目錄下按照PPP開源程序的要求編寫撥號的腳本程序，以完成對撥號過程如用戶名、密碼、串口波特率等參數的配置[15]。最后執行PPPD程序，地震儀即可通過蜂窩網絡通信模塊連接到互聯網。

3.2.4地震儀通信程序

通信進程開始后要先從文件讀取本機的硬件信息，創建用于與控制進程進行進程間通信的共享內存完成初始化。然后，通信進程向蜂窩網絡通信模塊的控制端口發送AT指令讀取短信，提取出主控中心的IP地址。隨后調用PPP撥號連網程序，創建基于TCP的套接字，從而實現主控中心和網關節點間的通信。然后設置WiFi模塊為AP模式，廣播設置的SSID，與普通節點組成監控子網。建立綁定WiFi網卡的套接字，用于與普通節點間的通信。通信進程調用iptables命令進行源網絡地址轉換(NAT)，在接收到普通節點發向主控中心的執行結果時將普通節點的IP地址轉換為蜂窩網絡模塊的IP地址后，再轉發至主控中心。當接收自主控中心的指令時，先解析出執行操作地震儀的編號。若是本機，則將指令存入共享內存；若是子網內其他地震儀，則由WiFi模塊將指令轉發給相應的普通節點。詳細流程見圖5。

圖5　通信程序流程圖

在通信程序的接收指令、執行指令、上報結構的循環中，對于需要執行一段時間才能返回結構的指令(如通道測試)，通信進程創建了一個分離線程，然后直接返回接收主控中心指令的狀態；由分離線程對通道測試的結果進行等待，而后從共享內存中讀取測試結果后發送到主控中心，并在上報結果之后自動退出并釋放其所占資源。

4主控中心軟件設計

為了對多臺地震儀實現遠程實時監控工作狀態和回收關鍵地震數據的功能，主控中心軟件的人機界面被分為地震儀選擇菜單、命令選擇菜單、反饋信息列表三個部分。地震儀選擇菜單用于選擇對哪些地震儀發出指令。指令選擇菜單用于選擇發送哪條指令。指令選擇菜單中包含查詢類指令、設置類指令、控制類指令三類指令。查詢類指令用于查詢地震儀的工作狀態；設置指令類用于設置地震儀的工作參數，比如設置采樣率、設置增益等命令；控制類指令用于控制地震儀進入不同的工作模式，比如通道測試、開始采集、回收數據等命令。反饋信息窗口用于顯示從地震儀端接收的執行結果信息。主控中心軟件的處理層可以分為指令信息處理和數據管理兩個模塊。指令信息處理模塊負責對主控中心發出的指令進行處理，包含指令解析、指令構建、指令參數設置以及消息提醒四個功能。數據處理模塊實現了主控中心與地震儀間信息的交互，包含數據發送、數據接收、數據解析和數據處理四個功能。主控中心軟件結構如圖6所示，左邊框圖代表主控中心軟件人機界面中所包含的內容，右邊框圖代表主控中心軟件的處理層所包含內容。

圖6　主控中心軟件結構框圖

5測試結果及分析

為了測試該系統的穩定性與實時性，將地震儀機放在長春城郊，主控中心設在北京市區做了五次試驗，每次試驗中樣機持續運行三天。在測試中對系統做了網絡延時、平均通信速率兩個項目的檢測，使用ping命令測試網絡延時，通過回收數據測試平均通信速率。五次試驗的結果見表1。由數據分析可以看出，在五次試驗中，網絡延時受信號強弱和網絡情況影響，一般網絡延時在1 s以內，極少出現2 s以上的情況。在建立連接后3 s內有時會出現超時的現象，但是基本在3 s后丟包率為0，這說明連接初期的通信的質量會比較不穩定，但會在短時間內達到較高的穩定性。每次試驗的平均通信速率都在560 kbit/s左右，最低為528 kbit/s，最高為608 kbit/s。

表1　系統測試結果

在勘探工作中，地震儀可以允許監控系統出現較小的延時，2 s內的網絡延時可以滿足系統對實時性的要求并且具有良好的穩定性。地震儀有四個采集通道，一般工作使用的采樣率在500 Hz～2 kHz范圍內，因此一臺地震儀每秒鐘可產生的數據量在8～32 kB之間。本監控系統平均通信速率在560 kbit/s左右，在測試的同時實時回收三臺地震儀的采集數據的延時一般在1～3 s之間，可以滿足實時性要求。

6結束語

基于無線網絡的無纜地震儀遠程監控系統可以對地震儀的工作狀態和采集數據質量進行遠程監測，同時能夠進行關鍵地震數據的遠程回收。此系統運行穩定性高、實時性好、通信速率較高，不僅可以根據監測結果對野外施工進行導引，輔助確定故障地震儀的位置和故障原因，提供故障排除方案，減少野外工作量，還可以下載現場地震數據，供數據質量分析使用和前期數據處理，充分保證無纜地震儀采集的地震數據質量，降低地震采集廢道率，提高地震采集工作效率。隨著無線通信技術的發展，蜂窩網絡也可以選用4G、5G網絡，實現更高的通信速率，使一個網關節點同時回收更多普通節點采集到的地震數據。

參考文獻

[1] Lansley M.Shifting paradigms in land data acquisition[J].First Break,2013,31(1): 73-77.

[2] 黃大年,于平,底青云,等.地球深部探測關鍵技術裝備研發現狀及趨勢[J].吉林大學學報:地球科學版,2012,42(5): 1485-1496.

[3] Hollis J,Williams M,Hoenmans S.The future of land seismic [J].Harts E&P,2005,78(11):77-81.

[4] 韓曉泉,穆群英,易碧金.地震勘探儀器的現狀及發展趨勢[J].物探裝備,2008,18(1): 1-6.

[5] 吳海超,林君,張林行.地震儀器中應用的網絡通訊技術研究[J].地球物理學進展,2012,27(4): 1822-1831.

[6] 吳海超,林君,李哲,等.無纜存儲式地震儀無線網絡監控技術[J].吉林大學學報: 工學版,2012,42(5): 1296-1301.

[7] 陳燕虹,沈帥,劉宏偉,等.多輛電動汽車遠程監控系統[J].吉林大學學報: 工學版,2013,43(2): 285-290.

[8] 季仲致,曹軍,姜濱.GPRS技術在木材干燥窯數據傳輸系統中的應用[J].自動化儀表,2014,35(3): 42-45.

[9] 盧超.分布式無線空氣質量監測系統[J].自動化儀表,2014,35(4):57-60.

[10]張玉杰,邊旭曄,楊萍.基于GPRS技術的遠程互相關流量測控系統[J].自動化儀表,2014,35(7): 44-47.

[11]Kaaranen H,Ahtiainen A,Laitinen L,et al.UMTS networks: architecture,mobility and services [M].2nd ed.Hoboken: John Wiley & Sons,2005.

[12]楊泓淵.復雜山地自定位無纜地震儀的研究與實現[D].長春：吉林大學,2009.

[13]劉龍申,沈明霞,孫玉文,等.基于FPGA的農田圖像采集與3G無線傳輸系統設計[J].農業機械學報,2011,42(12): 186-190.

[14]鄭爭兵,趙峰.基于 GSM 的遠程心率監控系統設計[J].計算機應用,2012,32(7): 2082-2084.

[15]楊闊.基于ARM和3G的田間視頻采集傳輸系統開發[D].西安：西北農林科技大學,2013.

中圖分類號：TP273;TH86

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602012

國家深部探測技術與實驗研究專項(Sinoprobe-0904)基金資助項目(編號：201011081)；

吉林大學研究生創新基金資助項目(編號：2015074)。

修改稿收到日期：2015-06-07。

第一作者張曉普(1990-)，男，現為吉林大學測試計量技術及儀器專業在讀碩士研究生；主要從事地震勘探技術及儀器方面的研究。