基于无线网络的无缆地震仪远程监控系统

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

张晓普　林　君　杨泓渊　赵玉江　朱亚东洋

(吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林 长春　130026)



基于无线网络的无缆地震仪远程监控系统

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

张晓普林君杨泓渊赵玉江朱亚东洋

(吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林 长春130026)

摘要：针对地震数据采集过程中工作人员无法远程监测和控制仪器的问题，设计并实现了一种基于无线网络技术的无缆地震仪远程监控系统。该系统由无缆地震仪和主控中心两部分组成。无缆地震仪按照通信方式被分为普通节点和网关节点两种。普通节点通过WiFi连接到网关节点；网关节点通过蜂窝网络连入互联网，与主控中心建立TCP连接，主控中心完成对无缆地震仪工作状态的实时监控和地震数据质量的监测。经测试，基于无线网络的无缆地震仪远程监控系统具有良好的稳定性与实时性，能够在地震数据采集工作中使用。

关键词：无线网络WiFi蜂窝网络地震仪远程监控系统嵌入式Linux系统数据采集通信

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

人们对石油和天然气日益增加的需求不断推动着资源勘探工作快速发展。作为资源勘探最主要的方式，陆上地震勘探具有作业范围大、采样节点众多、产生海量数据等特点。实际工作中，工作人员需要对几十万个采集设备进行操作(检测、布设、回收)。由于节点数量巨大，用于通信的线缆占地震勘探总装备重量的75%，且对通信线缆的检测、铺设以及回收工作是整个勘探工作量的50%。除此之外，由于通信线缆无法横穿铁路、公路，传统地震勘探设备在该类区域内无法工作[1]。如果在勘探过程中，使用盲采式的无缆地震仪(在工作中不适用通信技术，将采集到的数据记录在存储设备中的地震仪)常常会因为设备故障、受施工环境影响等原因，影响到数据采集质量，从而导致整个地震数据采集的废道率升高(在地震勘探中，一个检波器采集到一个分量的地震数据称为一道)[1-3]，降低了工作效率。

针对以上问题，本文将蜂窝网络技术与WiFi技术结合，将现有的基于WiFi技术的无缆地震仪作为普通节点，设计并实现了网关节点与中控中心软件，组成了满足勘探工作所要求的实时性与稳定性的无缆地震仪远程监控系统。

1无缆地震仪通信的现状

目前，无缆地震数据采集系统主要是采用WiFi技术进行通信[4-6]，例如目前地震勘探领域最常用的设备之一是由法国Sercel公司研制的UNITE无线地震勘探系统。基于WiFi技术实现无缆地震仪监控系统，需要在地震仪(采集终端)的附近架设AP(access point)天线、网桥等网络通信设备，以搭建地震仪与主控中心物理层的连接，然后通过相应的软件实现自组网通信。利用单一的WiFi技术实现地震勘探系统通信的方式主要存在以下三点不足。

(1)系统的整体设备质量较大。虽然与传统基于有线的地震勘探系统相比，由于减少了通信线缆，该类系统总体的质量明显变小，但由于添加了AP天线、网桥等设备，系统的功耗增加了，工作中还需要携带更多的电源，因此整个系统依然存在改进的空间。

(2)野外工作量较大。出于增加无线通信覆盖面积或跨越障碍等目的，还需要将天线、网桥等设备架设到较高的地方，增加了采集前的布设工作。

(3)通信距离有限。此类系统的通信距离一般不超过100 km，不能实现远程传输功能，无法将采集到的数据传输到数据处理中心进行数据处理。

2系统总体设计

根据现有无线通信技术的特点以及物联网技术在工业中应用的现状[7-11]，本文选择使用已建成的、具有较大覆盖面积和较大传输带宽的蜂窝网络与WiFi结合，实现主控中心指令、地震仪工作状态以及采集到的地震数据等的传输功能，从而可以在不架设AP天线、网桥等设备的前提下，实现稳定的远程实时工作状态监测与控制功能，分析采集到的数据质量，最大化减少勘探系统的重量和野外的工作量。该远程监控系统分为两部分：无缆地震仪、主控中心。系统中的无缆地震仪分为两种：具有WiFi通信功能的普通节点和具有WiFi+蜂窝网络通信功能的网关节点。一台具有公网IP地址的终端即可作为主控中心，通过主控中心软件实现对多台无缆地震仪的远程监控和操作。

基于无线网络的无缆地震仪远程监控系统的工作示意图如图1所示。

图1　系统整体结构图

在实际工作中，为了使主控中心可以建立在任意一台具有公网IP地址的终端上，需要使地震仪获得主控中心IP地址的信息。因此，主控中心先通过短信向网关节点发送服务器的IP地址。网关节点读取来自主控中心的短信以获得服务器的IP地址，接着作为AP广播子网的服务集标志(service set identifier，SSID)。普通节点(现有基于WiFi技术的无缆地震仪)通过搜索指定的SSID加入由网关节点建立的子网，组成一个基于网关节点的星状监控子网[6]。主控中心软件通过互联网与各监控子网进行通信，从而实现对地震仪一对多的远程实时监测与控制。

由于普通节点选用目前现有的支持WiFi通信的无缆地震仪，所以本文自行设计并实现了网关节点和主控中心软件。

3网关节点的设计

3.1.网关节点的硬件设计

3.1.1整体硬件结构

系统中作为网关节点的地震仪由五部分构成：控制单元、4通道数据采集单元、电源管理单元、通信单元和GPS模块。网关节点的硬件结构如图2所示。

图2　网关节点的硬件结构图

控制单元是由ARM9处理器(AT91RM9200)、16 MB NOR Flash、64 MB SDRAM和100 Mbit/s以太网接口、RS-232接口组成的嵌入式系统。控制单元用来控制系统中的通信单元、GPS模块、采集单元，使地震仪能够正常工作。4通道数据采集单元由FPGA、模拟滤波网络、运放模块、信号调制模块、数字滤波模块组成。采集单元在FPGA的控制下对输入差分地震信号进行模拟滤波、放大、模数转换、数字滤波，然后写入FPGA的FIFO RAM中。ARM与FPGA通过地址总线和数据总线进行通信[12]。电源管理单元由MCU、大电流降压芯片、继电器等器件组成，为控制单元、采集单元、通信模块和GPS模块提供电源，并进行动态电源管理，以降低地震仪的功耗[12]。GPS模块用于网关节点的授时和定位，为地震勘探系统提供地震仪的排列关系和同步信号。GPS模块通过UART与ARM进行通信[12]。通信单元包含蜂窝网络通信模块和WiFi模块两部分。WiFi模块与ARM通过SPI总线连接，受ARM控制，实现网关节点与普通节点间的通信功能[6]。蜂窝网络通信模块与ARM通过USB接口通信，受ARM控制，实现网关节点与主控中心间的通信功能。

3.1.2蜂窝网络通信模块的硬件设计

在网关节点中，由蜂窝网络通信模块负责监控子网与主控中心的通信任务。蜂窝网络通信模块的硬件设计应考虑到地震勘探仪器的野外工作环境特点，选择工作温度范围大、功耗低、性能稳定的蜂窝网络通信芯片，并且选择加入覆盖面积广、通信速率大的蜂窝网络。综合上述因素，选择华为技术有限公司开发的MU509模块作为蜂窝网络通信模块，选择中国联通的WCDMA网络作为系统所加入的蜂窝网络。

蜂窝网络通信模块的硬件结构如图3所示。为了满足高速率通信的要求，选用USB接口连接ARM与MU509，其中，ARM为主设备，MU509为从设备。

图3　蜂窝网络通信模块硬件结构图

3.2网关节点的软件设计

3.2.1整体软件结构

由于地震仪的功能多样化，为了便捷地实现多任务的要求，选择Linux系统作为操作系统。网关节点软件的用户层应用程序中包含三个主要程序：控制程序、通信程序和PPP拨号连网程序。控制程序负责网关节点采集相关任务的实现，比如开始采集、通道测试、系统重置等[12]。PPP拨号连网程序用于网关节点能够持续稳定地连接到互联网。通信程序实现主控中心与地震仪间的通信。通信程序需要实现两个功能。一个是监控子网的路由功能，负责子网内的转发任务；另一个是与控制程序的通信功能，通过共享内存将从主控中心获得的指令通知控制程序，而后再从共享内存中读取控制程序的执行结果并上报到主控中心。为了实现地震仪PPP拨号连网，需要向Linux内核中添加PPP拨号连网的模块和USB调制解调器的驱动。网关节点的整体软件框架如图4所示。

图4　网关节点的软件框图

3.2.2配置的Linux内核支持PPP拨号

基于Linux系统实现PPP拨号连网功能，需要先向内核添加USB调制解调器驱动。首先，应该添加USB转串口驱动。添加USB转串口驱动需要内核中已包含AT91RM9200的USB主机控制器的驱动，并在系统的板级配置文件中完成初始化。USB主机控制器的初始化函数在内核文件夹内/arch/arm/mach-at91的board-dk.c文件里的板级初始化函数中。然后，在USB转串口的驱动中注册MU509的VID和PID。之后，进入内核配置界面，将USB转串口的驱动和USB调制解调的驱动编译进内核。

此外，还要使内核支持PPP功能，在配置界面的根目录下选择Device Drivers中的Network device support，将其中与PPP有关的选项都以静态编译进内核的方式选中。最后，使用交叉编译器将裁剪好的内核编译并烧录到AT91RM9200中。

3.2.3PPP拨号连网程序

根据PPP连网的需要，应向文件系统中加入两个开源应用程序，分别是PPPD和chat。PPPD是PPP连网的守护进程，它通过向通信模块发送AT指令控制着PPP连接过程中各种状态的转换以及处理各阶段的外部事件。当PPP连接成功后，PPPD就进入休眠状态，一直到收到断开连接信号后直接退出或者发生意外断开事件后进行重新连接。chat负责拨通网络服务商的网络设备，在物理层建立连接，并对连接阶段的各种情况进行处理。在向文件系统中添加PPPD和chat程序后，还需要建立如下目录/etc/ppp/peers，并在该目录下按照PPP开源程序的要求编写拨号的脚本程序，以完成对拨号过程如用户名、密码、串口波特率等参数的配置[15]。最后执行PPPD程序，地震仪即可通过蜂窝网络通信模块连接到互联网。

3.2.4地震仪通信程序

通信进程开始后要先从文件读取本机的硬件信息，创建用于与控制进程进行进程间通信的共享内存完成初始化。然后，通信进程向蜂窝网络通信模块的控制端口发送AT指令读取短信，提取出主控中心的IP地址。随后调用PPP拨号连网程序，创建基于TCP的套接字，从而实现主控中心和网关节点间的通信。然后设置WiFi模块为AP模式，广播设置的SSID，与普通节点组成监控子网。建立绑定WiFi网卡的套接字，用于与普通节点间的通信。通信进程调用iptables命令进行源网络地址转换(NAT)，在接收到普通节点发向主控中心的执行结果时将普通节点的IP地址转换为蜂窝网络模块的IP地址后，再转发至主控中心。当接收自主控中心的指令时，先解析出执行操作地震仪的编号。若是本机，则将指令存入共享内存；若是子网内其他地震仪，则由WiFi模块将指令转发给相应的普通节点。详细流程见图5。

图5　通信程序流程图

在通信程序的接收指令、执行指令、上报结构的循环中，对于需要执行一段时间才能返回结构的指令(如通道测试)，通信进程创建了一个分离线程，然后直接返回接收主控中心指令的状态；由分离线程对通道测试的结果进行等待，而后从共享内存中读取测试结果后发送到主控中心，并在上报结果之后自动退出并释放其所占资源。

4主控中心软件设计

为了对多台地震仪实现远程实时监控工作状态和回收关键地震数据的功能，主控中心软件的人机界面被分为地震仪选择菜单、命令选择菜单、反馈信息列表三个部分。地震仪选择菜单用于选择对哪些地震仪发出指令。指令选择菜单用于选择发送哪条指令。指令选择菜单中包含查询类指令、设置类指令、控制类指令三类指令。查询类指令用于查询地震仪的工作状态；设置指令类用于设置地震仪的工作参数，比如设置采样率、设置增益等命令；控制类指令用于控制地震仪进入不同的工作模式，比如通道测试、开始采集、回收数据等命令。反馈信息窗口用于显示从地震仪端接收的执行结果信息。主控中心软件的处理层可以分为指令信息处理和数据管理两个模块。指令信息处理模块负责对主控中心发出的指令进行处理，包含指令解析、指令构建、指令参数设置以及消息提醒四个功能。数据处理模块实现了主控中心与地震仪间信息的交互，包含数据发送、数据接收、数据解析和数据处理四个功能。主控中心软件结构如图6所示，左边框图代表主控中心软件人机界面中所包含的内容，右边框图代表主控中心软件的处理层所包含内容。

图6　主控中心软件结构框图

5测试结果及分析

为了测试该系统的稳定性与实时性，将地震仪机放在长春城郊，主控中心设在北京市区做了五次试验，每次试验中样机持续运行三天。在测试中对系统做了网络延时、平均通信速率两个项目的检测，使用ping命令测试网络延时，通过回收数据测试平均通信速率。五次试验的结果见表1。由数据分析可以看出，在五次试验中，网络延时受信号强弱和网络情况影响，一般网络延时在1 s以内，极少出现2 s以上的情况。在建立连接后3 s内有时会出现超时的现象，但是基本在3 s后丢包率为0，这说明连接初期的通信的质量会比较不稳定，但会在短时间内达到较高的稳定性。每次试验的平均通信速率都在560 kbit/s左右，最低为528 kbit/s，最高为608 kbit/s。

表1　系统测试结果

在勘探工作中，地震仪可以允许监控系统出现较小的延时，2 s内的网络延时可以满足系统对实时性的要求并且具有良好的稳定性。地震仪有四个采集通道，一般工作使用的采样率在500 Hz～2 kHz范围内，因此一台地震仪每秒钟可产生的数据量在8～32 kB之间。本监控系统平均通信速率在560 kbit/s左右，在测试的同时实时回收三台地震仪的采集数据的延时一般在1～3 s之间，可以满足实时性要求。

6结束语

基于无线网络的无缆地震仪远程监控系统可以对地震仪的工作状态和采集数据质量进行远程监测，同时能够进行关键地震数据的远程回收。此系统运行稳定性高、实时性好、通信速率较高，不仅可以根据监测结果对野外施工进行导引，辅助确定故障地震仪的位置和故障原因，提供故障排除方案，减少野外工作量，还可以下载现场地震数据，供数据质量分析使用和前期数据处理，充分保证无缆地震仪采集的地震数据质量，降低地震采集废道率，提高地震采集工作效率。随着无线通信技术的发展，蜂窝网络也可以选用4G、5G网络，实现更高的通信速率，使一个网关节点同时回收更多普通节点采集到的地震数据。

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中图分类号：TP273;TH86

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602012

国家深部探测技术与实验研究专项(Sinoprobe-0904)基金资助项目(编号：201011081)；

吉林大学研究生创新基金资助项目(编号：2015074)。

修改稿收到日期：2015-06-07。

第一作者张晓普(1990-)，男，现为吉林大学测试计量技术及仪器专业在读硕士研究生；主要从事地震勘探技术及仪器方面的研究。