基于GPRS的无缆地震仪远程监控系统

赵玉江，林 君，杨泓渊，姜晓雪，朱亚东洋

(吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春 130061)

0 引言

随着社会和国民经济的发展，地表和浅层的资源日益枯竭，现有资源逐渐难以满足当前社会经济发展的需要，地球深部和复杂地形地区的资源探测和开采需求量与日俱增[1-2]。在对地球重力场、磁力场、电磁场、地温场、放射性能谱、光波、地震波等信息的获取和分析后进行地球深部探测的方法中，地震勘探法仍然是目前最有效的技术手段之一[3]。

法国Sercel公司生产的428XL地震数据采集系统以其较快的数据传输速率和强大的系统带道能力成为当前国内外地震勘探中应用的主流产品[1]。然而在复杂的野外环境下，作为有缆地震勘探系统的428XL，大量的线缆使得其排列布线困难、运输和人力成本较高。尤其在山地、悬崖、河流、高速路、铁路等一系列复杂地形中，相关问题更加凸显。随后Sercel公司收购英国Vibtech公司，推出了无缆存储式地震数据采集系统UNITE[4]。它主要用于完成复杂地形中对428XL进行补充或用于大道距、长时间的连续观测作业。UNITE采用了自存储式和无线通信相结合的的数据通信方式。在大范围内的地质勘探作业中，UNITE的远程采集单元RAU主要采用自主存储的工作模式[5]。这种模式下RAU野外采集的数据先保存在其非易失性存储器中，作业结束后由工作人员手持数据回收器到每个排列点将RAU中的数据收回，回收完毕后再回到控制中心将数据统一交给中央控制单元CCU，由CCU完成最后数据的绘图和存储备份工作。这种工作模式虽然不再受限于繁杂的电缆，但RAU的数据及工作状态却没有办法像428XL那样进行实时监控，从而影响到最后的数据质量。

吉林大学在中国地质科学研究院“地壳探测计划”项目资助下，自主研制了GEIWSR型无缆存储式地震仪，主要目的是解决在大道距(道距大于1 km)地震深反射、折射探测中的数据采集问题。在野外，GEIWSR型无缆地震仪也面临工作状态监控困难，施工效率低等问题。

为了实现无缆地震仪远程实时的可测可控，减少地震勘探的野外工作量，降低人力成本，提高施工效率。系统采用当前流行的GPRS分组通信技术，完成对地震采集站运行状态信息和采集数据稳定的远程监控。

1 远程监控系统总体方案设计

系统基于GEIWSR型无缆地震仪设计完成，图1为地震仪远程监控系统的结构组成框图，电脑终端通过上位机软件实现对采集站各项参数的查询和状态的控制。同时也可以在智能手机上开发出基于Android或IOS系统的手持终端，用于移动监测采集站的状态信息。网络服务器通过互联网络和GPRS基站与地震采集站进行通信，传送主机的控制命令和接收采集站的状态信息及数据。采集站用于完成地震波数据采集工作和通过GPRS模块上传查询信息与反馈执行结果。

采集站在布设之前，在主控中心由电脑终端或手持终端通过有线或无线的方式完成采样率、增益等参数的配置，叫站查看仪器开机运行后的工作状态，如采集运行情况、GPS定位状态、GPRS连接、电池电量、剩余存储空间等，确保仪器出工后的工作质量。在野外布设采集站时，工作人员接好检波器后开机运行，当仪器状态指示灯正常后插好检波器即可离开。采集站正常工作后会自动连接控制中心的服务器，连接成功后会周期性地将其状态信息通过GPRS网络反馈回来。这些信息一方面作为GPRS网络的心跳包，保证了采集站的永久在线。另一方面供操作人员实时监测，对于有问题的采集站能及时安排布线人员抢修，提高作业质量和工作效率。而当工作人员通过采集站位置、检波器状态等信息的变化判断仪器在野外被盗时，可以及时控制采集站进入自锁状态，此时仪器只负责将位置信息实时传送回主控中心，而不响应关机、复位等硬件操作，直到采集站被找到后解锁，采集站恢复正常采集工作。采集站在工作期间，电脑终端也可以通过GPRS网络控制其复位、休眠、唤醒、开始采集、停止采集、通道测试、自检数据回收等，增强了采集站在野外工作的灵活性，延长了仪器待机时间。

2 系统硬件结构设计

2．1采集站硬件结构

远程监控采集站的硬件结构图如图2所示，主控单元是由32位的ARM9处理器、16 M的NOR FLASH、64 M的SDRAM、100 M以太网接口组成的嵌入式ARM最小系统，主控单元主要负责系统的任务调度和运行管理、控制、通信等工作[6]。系统将CF卡作为存储介质，将采集的地震波形数据、系统文件和日志文件都存储在CF卡中。数据回收时，主机可以通过以太网接口和WiFi两种方式将CF卡中的数据回收至海量的存储服务器中。数据采集模块由模拟开关、可编程增益放大器、24位的A/D套片及测试、校准电路组成，可同时采集4通道的地震数据，并可完成自身性能状态检测。GPS定位模块负责GPS卫星信号的接收，可为系统提供精度高达50 ns的同步秒脉冲时钟信号，实现cm级的高精度静态定位。电源模块用于将Li电池电压转换为系统电压，并提供功率管理功能和过压保护电路[7]。Wifi模块与主控单元通过SPI接口进行双向通信，通过它手持终端在加入其自组的网络后可以近距离地对采集站进行实时监测与控制，而在勘探作业完成后电脑终端也可以通过它来无线地回收数据。GPRS模块与主控单元通过串口相连，主要负责传送采集站的工作状态、执行结果等信息。

图2 远程监控采集站的硬件结构

2．2GPRS模块选择

GPRS分组通信技术是当前无线通信技术中较为成熟的一种，用户在数据通信过程中并不固定占用无线信道，因此对信道资源能够更合理地应用。其覆盖范围广、建设成本低、安装调试简单、数据传输速率高、永远在线等特点使得其在近几年被广泛应用到手机和各种远程环境监控系统中[8]。

SIM900A模块是一款性能稳定、外观精巧、性价比较高的GPRS模块。其主要性能指标如下：

(1)双频：900/1 800 MHz；

(2)工作电压：3．2～4．8 V；

(3)低功耗：待机模式22 mA，睡眠模式1．5 mA；

(4)最大下行速率85．6 kbit/s，最大上行速率42．8 kbit/s；

(5)操作温度范围：-40～+85 ℃．

双频使地震仪可以工作在两种不同的频段下，提升了信号覆盖范围。低功耗使其可以长时间在野外工作，增加了待机时间。工作电压与ARM兼容，减少了额外的电压转换电路。上下行传输速率满足其状态信息及控制命令通信的需求。较宽的工作温度范围使其可以在极端温度条件下使用。

2．3GPRS模块硬件结构

GPRS模块的硬件结构如图3所示，SIM900A模块为其核心部件，它的作用是接收AT命令，然后对AT命令进行识别和执行，相当于采集站ARM的一个协处理器。RF天线接口主要是匹配天线的阻抗网络电路。复位及LED显示电路的设计便于整机组装时GPRS模块的调试工作。SIM900A通过SIM卡接口电路读取SIM卡中存储的客户信息，完成GPRS网络的注册和连接。电压转换电路为SIM900A及SIM卡提供稳定的输入电压，以保证GPRS模块可靠工作。

图3 GPRS模块硬件结构图

3 系统软件设计

3．1下位机软件设计

采集站内部的ARM芯片运行的是Linux2．6．31操作系统，远程监控部分主程序流程如图4所示，首先初始化串口、变量和采集站硬件信息，然后从系统文件中读取站号、站的类型、GPS型号、WiFi型号、GPRS型号等硬件信息。再创建、连接共享内存，使进程间信息交互可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝，提升进程间通信效率。之后ARM通过AT指令控制GPRS的网络连接，主要用到以下两个命令：

(1)AT+CLPORT="TCP"，"2022"指定本地端口；

(2)AT+CIPSTART="TCP"，"59．72．95．241"，"8080"连服务器。

再创建命令交互线程，确定线程函数的入口点。创建完成后线程函数就会开始运行，函数运行结束后退出线程。

图4 远程监控部分程序流程

线程函数的流程如图5所示，该线程函数主要完成心跳包信息的传送、控制命令的接收、接收消息的解析、控制命令的执行、执行结果的反馈。采集站通过GPRS连接到控制中心服务器网络后会周期性地上传心跳包信息，而对于上位机传送来的指令信息，采集站解析后首先根据指令内容和当时的工作状态，给出“接受/拒绝”回应。只有被“接受”的命令才会被执行，采集站完成相关的操作后会将执行结果通过GPRS模块反馈给上位机。发送数据由AT指令AT+CIPSEND完成，十六进制模式发送0x1a 结束。同时该线程函数还具有GPRS网络掉线检测功能，当检测到仪器掉线后会重新连接服务器网络，直到连接成功仪器恢复正常监控。

图5 线程函数程序流程

为了实现无缆地震仪GPS定位状态、采集运行情况、电池电量、剩余存储空间等状态信息的监测和采样率、通道增益的设置，以及休眠、唤醒的控制，设计了3类通讯指令：查询命令、控制命令、配置命令，如表1所示。

表1 无缆地震仪GPRS通信指令表

3．2测试结果

为了验证远程监控系统的稳定性和评价对采集站的监控情况，在实验室内对样机的稳定性和监控功能进行了测试。监控系统连续运行30 d，采集站与服务器通信状况良好，GPRS网络环境拥挤时，通讯指令出现延迟情况，平均延时值为3 s，此延时能够满足无缆地震仪野外施工需要。经测试如表1所示的地震仪通信命令运行情况正常。图6为样机测试时上位机TCP/UDP服务器测试软件界面窗口，当操作人员在发送区输入GET_INFOR(查询所有信息)命令后，接收区由采集站返回如：站号、站类型、采集站工作状态(采集、睡眠、空闲、通道测试、预热、错误停止)、CF卡存储空间、电池电量、增益、采样率、GPS经纬度等信息。

图6 上位机TCP/UDP服务器查询样机信息图

4 结束语

根据野外地质勘探的实际需求，利用成熟的无线通信技术GPRS，为无缆地震仪设计了远程监控系统。经测试该系统运行情况稳定，完成了采集站状态信息的远程实时监测功能，实现了对采集站参数的配置和工作状态的控制，满足无缆地震仪野外远程监控的需求，能有效解决现有地震勘探仪器在野外作业时机动性差，人力、运输成本高，施工效率低等问题。

参考文献：

[1]吴海超，林君，张林行．地震仪器中应用的网络通信技术研究．地球物理学进展，2012，27(4)：1822-1831．

[2]杨泓渊．复杂山地自定位无缆地震仪的研究与实现：[学位论文]．长春：吉林大学，2009．

[3]黄大年，于平，底青云，等．地球深部探测关键技术装备研发现状及趋势．吉林大学学报：地球科学版，2012，42(5)：1485-1496．

[4]韩晓泉，穆群英，易碧金．地震勘探仪器的现状及发展趋势．物探装备，2008，18(1)：1-6．

[5]吴海超，林君，李哲，等．无缆存储式地震仪无线网络监技术．吉林大学学报：工学版，2012，42(5)：1296-1301．

[6]吴海超，林君，李哲，等．基于低功耗WiFi的无缆地震仪通信终端．仪表技术与传感器，2012(10)：37-40．

[7]杨泓渊，韩立国，林君等．无缆遥测地震仪网络同步采样技术．仪表技术与传感器，2009(3)：15-18．

[8]刘跃磊．利用GPRS实现水资源数据采集与传输：[学位论文]．西安：西安电子科技大学，2012．

作者简介：赵玉江(1990-)，硕士研究生，主要从事无缆地震仪研制及自动化与智能控制。E-mail：zhaoyj12@mails．jlu．edu．cn