一种地震勘探数据无线采集的异构网络传输方法与流程

本发明属于地震勘探地球物理方法以及无线传感器网络通信技术交叉领域，具体涉及一种地震勘探数据无线采集的异构网络传输方法。

技术背景

地震勘探是采用专门的传感器收集地震波在地下传播过程中反映地下地质结构等的地震回波信息的一种地球物理方法。地震勘探技术是地球结构探测、矿产资源勘测及开发、工程地震勘测等应用中的关键性技术。地震勘探方法应用广泛，在现代地球物理勘探中，地震勘探占据了绝对优势，其中约有90%以上的勘探工作是使用地震勘探。近年来，随着相关技术领域的发展，地震勘探技术更新的速度也明显加快。地震勘探方法与其他的地球物理勘探方式对比，具有探测区域广、深度大、精度高、分辨率高、可靠性高的优势，是一种不可代替的地球物理方法。

在现有的地震勘探过程中，需要在野外按照规则布设检波器串，使用有线线缆连接检波器串，在采集到地震波数据后通过线缆汇总上传至中心控制系统。为了实现地震数据实时传输并且质量可控，通信线缆必须保证通畅。由于地震勘探数据采集的环境一般是在野外，在布设施工时常常会遇到障碍物或者湖泊、沼泽、河流等不适宜施工的环境，造成布设线缆非常不方便，增加施工的难度。在勘探完一个区域后，需要将线缆、检波器串转移到另一个勘探区域，布设施工的工作量大，线缆在多次布设施工后，会出现损坏，影响性能，导致线缆的维护、保养与运输成本比较大。因此，开发基于无线传感器网络的地震勘探数据采集无线传输技术，使用无线网络的方式代替原有的线缆连接是非常有必要的。

地震勘探无线采集的主要流程为无线检波器节点自组织形成网络，在每个检波器采集到地震数据后通过无线网络将数据汇聚至地震记录仪器。现阶段已经有基于无线传感器的地震勘探，但由于本地存储无法进行质量监控、市场难推广等原因，没有在实际地震勘探中广泛应用。如果网络规模比较小，数据的采集和汇总相对容易实现，但是在实际的地震勘探中，地震检波器的数量多、地震数据量庞大，一般的无线传感器网络满足不了地震勘探无线采集的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术缺点和不足，提供一种地震勘探数据无线采集的异构网络传输方法，该方法基于大规模无线传感器网络的数据采集系统，可完成地震勘探数据的无线采集、采集控制、无线传输和数据存储。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种地震勘探数据无线采集的异构网络传输方法，包括下列步骤：

步骤S1，簇内网络数据汇集，在地震采集节点组成的簇内网络内，节点组网采用基于IEEE 802.15.4标准的mesh网络架构；

步骤S2，簇间网络数据高速传输，在连接各个簇的簇间网络的节点组网采用基于IEEE 802.11b/g标准的Ad-hoc网络架构。

所述步骤S1中，地震勘探无线采集节点由地震检波器、信号调理/模数转换模块、地震数据流控制模块、节点及网络状态控制模块、无线射频模块、数据存储模块、电源模块组成，地震检波器获得的地震波信号经过信号调理/模数转换模块调理后，按采样率需求转换为24位的数字信号，再经过地震数据流控制模块按照预定格式发送至节点状态控制模块，节点状态控制模块通过无线射频模块与外界通信，接收控制消息控制节点状态、判断发送地震数据至地震数据流控制模块或者缓存至数据存储模块、监控地震数据流控制模块运行。

所述步骤S1中，簇内网络中的地震数据采用分事务传输，把地震传输分为两个事务，一个事务进行数据传输，另一个事务进行反馈与差错控制，做到地震数据流独立于控制消息又能无差错传输。

所述步骤S2中，簇头节点组网采用基于ARM-Linux平台，使用AODV-UU路由协议来实现路由寻址和Ad-hoc网络组网，采用基于IEEE 802.11b/g标准的无线网卡，保证各簇的簇头间数据以高速率传输，最终将地震数据汇聚到中心控制系统。

所述步骤S2中，簇头节点在建立TCP/IP链接后，采用socket可靠传输地震数据。

所述步骤S1和步骤S2中簇内网络和簇头网络节点之间使用串口通信，通过串口实现异构无线网络内不同网络协议间的地震数据传输。

本发明的优点是：采用异构无线网络的区域分簇方式来实现地震勘探数据无线采集，在簇内采用IEEE 802.15.4网络结构保证簇内的节点间的低速传输和低功耗的需求；在簇间采用IEEE 802.11b/g网络，各簇的簇头间数据以高速率传输，汇聚地震数据到中心控制系统。无线传输系统摆脱了常规有线线缆的限制，采集节点部署施工更方便，易于扩展和替换，节省大量的线缆设备、维护成本以及人力资源。实际测试结果表明该方法完成地震勘探数据的无线采集、采集控制、无线传输和数据存储等功能。

附图说明

图1本发明的总体结构图；

图2 地震勘探采集节点的总体结构图；

图3 发送设备端地震数据传输流程图；

图4 接收设备端地震数据传输流程图；

图5 AODV-UU路由协议实现原理图；

图6 异构网络连接示意图；

图7 多簇异构网络拓扑；

图8 多簇异构网络节点传输的地震数据；

图9 Xserve上传地震数据流程图；

图10 地震勘探无线采集系统界面。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细的说明。

本发明地震勘探数据无线采集的异构网络传输方法是针对地震勘探数据无线网络传输的需求，采取混合异构的无线区域分簇网络。混合异构网络模式如图1所示，在地震采集节点（即无线检波器节点）组成的簇内网络内，节点组网采用基于IEEE 802.15.4标准的低速网络，各个簇的簇间网络的节点组网采用基于IEEE 802.11x的高速网络，各簇的簇头间数据以高速率传输，汇聚地震数据到采集中心控制系统。其中，由地震采集节点组成的簇内网络，节点组网采用基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee协议；在连接各个簇的簇头间网络，采用基于ARM-Linux及IEEE 802.11b/g标准的Ad-hoc网络模式。

1、基于IEEE 802.15.4的簇内网络数据汇集。

地震勘探无线采集节点及簇内组网实现。地震勘探采集节点的总体结构图如图2所示，本发明的地震勘探无线采集节点由地震检波器、信号调理/模数转换模块、地震数据流控制模块、节点及网络状态控制模块、无线射频模块、数据存储模块、电源模块组成，地震检波器获得的地震波信号经过信号调理/模数转换模块调理后，按采样率需求转换为24位的数字信号，再经过地震数据流控制模块按照预定格式发送至节点状态控制模块，节点状态控制模块通过无线射频模块与外界通信，接收控制消息控制节点状态、判断发送地震数据至地震数据流控制模块或者缓存至数据存储模块、监控地震数据流控制模块运行。信号调理/模数转换模块为ADS1256模数转换器，采样位数为24位，采样速率可达30KSPS（采样点每秒）。地震数据流控制模块使用STC15W408S单片机，节点及网络状态控制模块采用CC2530为核心的硬件平台，由STC15W408S单片机来协调CC2530节点控制电路并接收CC2530发来的控制信息。数据存贮模块采用CC2530芯片。CC2530芯片作为实现簇内网络地震数据汇集的硬件平台，内部集成了兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的RF收发器，软件基于Z-Stack协议栈。

把地震传输分为两个事务CLUSTER-ID1和CLUSTER-ID2，分别进行数据传输和差错控制。CLUSTER-ID1为地震数据传输事务，若CLUSTER-ID2反馈成功则从发送队列中移除。CLUSTER-ID2为反馈事务，根据反馈信息选择重传方式。发送设备端地震数据传输流程如图3所示，发送设备端开始工作，串口等待地震数据，数据到来后，按序进入发送队列，事务CLUSTER-ID1队列（数据传输事务）发送数据，数据发送成功则从CLUSTER-ID1队列中删除，否则数据进入CLUSTER-ID2（差错控制事务）。据反馈参数延时发送至CLUSTER-ID1队列，当CLUSTER-ID1队列为空时结束数据传输，否则继续在CLUSTER-ID1队列进行发送。接收设备端地震数据的传输流程如图4所示，接收设备端从空中捕获消息，进行判断事物，由CLUSTER-ID1接收发来的地震数据、保存来信地震、获取消息序列号。如果序列号是新的则丢弃数据反馈此包过期，否则对序列号是否最大做出判断，序列号并非最大，则对UART是否忙进行询问，序列号最大则重新计数后对UART是否忙进行询问。UART忙丢弃或缓存，反馈UART忙（延时16ms）；UART不忙则送入UART反馈成功至CLUSTER-ID2发送队列，由RF发送到空中。保存的来信地址、在序列号最新时丢弃数据反馈此包过期以及在UART忙时反馈UART忙都将进入CLUSTER-ID2发送队列。CLUSTER-ID2对发来的反馈进行判断事物，判断地震数据发送是否成功，发送不成功，则询问UART是否忙，忙则16ms后重发至CLUSTER-ID1发送队列，UART不忙则1ms后重发至CLUSTER-ID1发送队列；地震数据发送成功则停止自动重发并反馈给CLUSTER-ID1发送队列，进入CLUSTER-ID1发送队列的信息，由无线射频RF发送到空中。

2、基于ARM-Linux及IEEE 802.11b/g的簇头间网络。

IEEE 802.11b/g网络实现平台：

（1） 硬件平台：基于Cortex-A8的高度集成的高性能Smart210开发板。CPU采用Samsung的S5PV210，集成了CortexTM-A8内核，使用ARMv7架构指令集，运行主频1GHz，内存RAM为512MB，存储Flash为512MB，LCD的类型是S70(Auto)。

（2）无线网卡：基于Marvell 8686的SDIO Wifi无线模块(IEEE 802.11b/g)。

（3） 软件平台及交叉编译环境：ARM平台为嵌入式Linux操作系统（内核2.6.35.7），电脑开发环境为Linux Ubuntu 12.04，使用arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp交叉编译器。在编译时使用友善之臂Smart210提供的arm-linux-gcc-4.5.1-v6-vfp-20101103.tgz工具包，把编译器路径加入系统环境变量。

图5为在内核为2.6.35.7版本的嵌入式Linux平台上AODV-UU路由协议实现的方式。AODV-UU实现包括aodvd和kaodv.ko两部分：aodvd是以后台守护进程的方式在用户空间运行，实现路由寻址；kaodv.ko加载入Linux内核，用于和用户空间信息交互。Netfilter由处于Linux协议栈中不同点上的五个钩子（hook） 函数组成，用户可以在这些位置注册自己定义的操作函数，经过hook点的数据分组将执行函数操作，帮助用户完成数据分组的过滤和修改等功能。NF_IP_LOCAL_OUT是Netfilter中处理本机发送数据和转发的数据的hook函数。 在本地直接发送或者转发数据包时，首先判断内核路由表中是否存在与该数据包的目的地址相匹配的路由条目0如果存在，根据该路由条目信息提供的相应网络接口将其发送到对应的下一跳节点地址上；如果不存在与数据包目的地址相匹配的路由条目，向用户层的后台进程发起路由请求，由后台进程发起路由查找过程，并且在路由查找结束和内核路由表更新之前，数据包通过挂接在NF_IP_LOCAL_OUT hook点的回调函数进行处理，并通过用Linux的原始套接口（RawSocket）将数据包送往用户层的数据缓冲区中进行排队。

图6为802.15.4网络和802.11b/g网络的连接方式，这两个网络分别使用UART和RS232串口，中间通过MAX232进行电平转换。

图7为由采集节点组成的多簇异构网络的拓扑，进行传输测试，其中1、2、3号采集节点和4、5、6号采集节点分别组成两个簇内网络，分别将地震数据汇集至7、8号嵌入式Linux节点后，通过簇间网络传输，最后经9号嵌入式Linux节点上传至中心控制系统。图8为多簇异构网络节点采集到的一次震动的数据。

3 基于XServe中间件的地震数据汇聚存储与控制。

Xserve接收上传地震数据流的过程如图9所示。串口连接地震勘探采集网络和上层服务；串口转发器会转发串口数据到网络端口，上层应用可以直接从对应端口读取采集节点信息数据包；XML解析器根据编写的XML配置文件解析对应数据包，送至数据池；数据池根据用户的配置，将数据直接打印至屏幕、输出CSV格式文件、输出XML格式文件或者存入数据库。

在Ubuntu 12.04环境下使用Apache2配置Web服务器。图10为设计的地震勘探系统的用户界面。

通过硬件系统平台的搭建和软件系统集成，构建了一个应用于地震勘探数据采集无线传输系统。本系统采用了异构无线网络的区域分簇方式：在簇内采用IEEE 802.15.4网络结构保证簇内的节点间的低速传输和低功耗的需求；在簇间采用IEEE 802.11b/g网络，保证各簇的簇头间数据以高速率传输，最终汇聚地震数据到中心控制系统。无线传输系统摆脱了常规有线线缆的限制，采集节点部署施工更方便，易于扩展和替换，节省了大量的线缆设备、维护成本以及人力资源。实际测试结果表明该系统能够完成地震勘探数据的无线采集、采集控制、无线传输和数据存储等功能。

最后应需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的方法而非限制，尽管参照较佳的实施例对本发明进行了详细的说明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的修改或等同替换，而不脱离本发明方法的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。