基于低功耗wifi寬帶無(wú)線通信的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)

基于低功耗wifi寬帶無(wú)線通信的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)

在野外環(huán)境下，電纜容易損壞，誤差檢測(cè)和錯(cuò)誤糾正的工作量非常高。許多電纜將直接影響傳輸設(shè)備的成本和地震團(tuán)隊(duì)的機(jī)動(dòng)性。因此，缺乏一條電纜地震勘探系統(tǒng)很難滿足高密度、大三維和深部地震勘探的需要。許多專家推測(cè)，無(wú)線發(fā)震儀是下一步地震勘探儀器的發(fā)展方向。但是無(wú)纜存儲(chǔ)式地震采集站沒有實(shí)時(shí)監(jiān)視記錄和常用的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量監(jiān)控手段,所以還不能被業(yè)界普遍接受。現(xiàn)有的無(wú)纜儀器大多通過液晶屏或高亮LED指示儀器狀態(tài),也有儀器通過將地震數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ),并通過線纜傳輸儀器前端監(jiān)測(cè)信息和控制指令,彌補(bǔ)無(wú)纜地震儀的封閉缺陷。例如在國(guó)外的地震儀器中,法國(guó)Sercel公司的Unite系統(tǒng)采用的是蜂窩無(wú)線的專利技術(shù),而美國(guó)ION公司的VectorSeisSYSTEMIV則通過射頻通信與所有遠(yuǎn)程記錄儀構(gòu)成射頻遙測(cè)系統(tǒng);在國(guó)內(nèi),東方地球物理公司的GPS授時(shí)地震儀,通過線纜添加網(wǎng)絡(luò)傳輸功能,彌補(bǔ)了無(wú)法監(jiān)視采集站工作的不足。但國(guó)內(nèi)目前還沒有具備無(wú)線通訊技術(shù)的無(wú)纜地震儀問世。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)纜地震儀的可測(cè)可控,本文綜合考慮野外環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣性,采用當(dāng)前主流的IEEE802.11寬帶無(wú)線通信技術(shù)和低功耗的WiFi芯片,設(shè)計(jì)了低功耗的無(wú)纜地震儀無(wú)線通信終端,提出了無(wú)纜遙測(cè)地震儀無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方法,實(shí)現(xiàn)無(wú)纜地震儀的低功耗接入和低功耗無(wú)線組網(wǎng),為無(wú)纜地震儀的可測(cè)可控提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸鏈路。1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)分析1.1無(wú)纜自定位地震儀數(shù)據(jù)采集在實(shí)際的地震勘探施工中,測(cè)線可有一條或者多條(三維)。下面以最常見的單線地震數(shù)據(jù)采集為例計(jì)算地震數(shù)據(jù)采集量。假定每個(gè)采集站可采集M道地震信號(hào),測(cè)線上的采集站數(shù)為B,測(cè)線總道數(shù)S為設(shè)每個(gè)采集道的記錄時(shí)間長(zhǎng)度為T(以s為單位),每個(gè)樣點(diǎn)的記錄字節(jié)數(shù)為K,采樣率為Fs(以Hz為單位),則每道的記錄長(zhǎng)度(以字節(jié)為單位)為由此可得單線地震數(shù)據(jù)采集中需要傳送的總數(shù)據(jù)量D為總的地震數(shù)據(jù)采集量取決于S、T、Fs和K。無(wú)纜自定位地震儀的工作方式是定時(shí)采集,其記錄時(shí)間T較長(zhǎng),相應(yīng)的地震數(shù)據(jù)采集量相對(duì)較大。本文中的無(wú)纜自定位地震儀采用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其采樣率為1、5、10、…、4000Hz,一般情況下,其采樣率Fs為1kHz,記錄時(shí)間為1s,每個(gè)采樣點(diǎn)的記錄字節(jié)數(shù)為3(即24位的采樣精度),單個(gè)采集站采集的數(shù)據(jù)量為12kB,要求單個(gè)采集站的實(shí)時(shí)傳輸速率為96kbit/s,如果采集站總數(shù)為1000,則總的數(shù)據(jù)量為11.7MB;如果按照4k的最大采樣率計(jì)算,則要求單站傳輸速率為384kbit/s,總數(shù)據(jù)量為46.8MB。1.2數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)分布和采集質(zhì)量方面的特點(diǎn)通過前面的分析可知分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求,其數(shù)據(jù)量較一般的地質(zhì)勘探系統(tǒng)要大得多,因此對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提出了如下要求:(1)數(shù)據(jù)傳輸量比較大,通信距離較遠(yuǎn),節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較多。(2)較高的數(shù)據(jù)吞吐率和連續(xù)的狀態(tài)更新。(3)需要對(duì)勘探質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制,質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)回傳,要求無(wú)線通信傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較強(qiáng)。(4)地球深部探測(cè)區(qū)域條件惡劣,地形復(fù)雜,要求數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可隨意布置,要求無(wú)線通信的抗干擾能力強(qiáng),可靠性高。(5)野外施工作業(yè),遠(yuǎn)離商業(yè)供電源,多采用電池供電,節(jié)點(diǎn)功耗有限,要求低功耗無(wú)線接入及低功耗無(wú)線組網(wǎng)。1.3無(wú)線局域網(wǎng)通信技術(shù)目前主流的無(wú)線通信技術(shù)有GPRS、Zigbee、藍(lán)牙、WiFi等,綜合考慮成本和實(shí)用性,Zigbee和WiFi是目前比較成熟的且具有高性價(jià)比的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),下面對(duì)比兩種通信技術(shù)的相關(guān)參數(shù)和性能。1.3.1z空間地震勘探的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Zigbee目前主要應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,采用“單片機(jī)+射頻芯片”組成的自制Zigbee模塊穩(wěn)定性較差,大多數(shù)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用集成模塊,現(xiàn)選擇幾家公司的產(chǎn)品進(jìn)行比較,如表1所示。Xbee-PRO為美國(guó)Digi公司生產(chǎn)的Zigbee模塊,性能較穩(wěn)定,其關(guān)鍵參數(shù)如下:傳輸功率為63mW(+18dBm);室內(nèi)距離為100m;室外距離為1600m;最大傳輸速率為250kbit/s;網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Mesh網(wǎng),點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn);待機(jī)電流為15mA;接口選項(xiàng)為3VCMOSUART。由以上關(guān)鍵參數(shù)可以看出,Zigbee難以滿足野外大型地震勘探無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求,原因如下:(1)速率受限。如果按照4k的最大采樣率計(jì)算,則需要單站傳輸速率為384kbit/s,總數(shù)據(jù)量為46.8MB,而Zigbee模塊最大通信速率為250kbit/s(在野外信號(hào)經(jīng)過衰減后,一般只能達(dá)到100多kbit/s),難以滿足單站的通信需求,每個(gè)模塊都是通過UART與地震儀主控制器連接,UART的通信速率較慢,中心Zigbee模塊通過RS-232與中央主機(jī)相連,中心模塊的數(shù)據(jù)堵塞嚴(yán)重。(2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸速率較低,如果組建傳統(tǒng)的星型網(wǎng)絡(luò),則中心節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)過重,容易造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓,對(duì)于1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型地震傳輸網(wǎng)絡(luò),需要組建多跳的網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(MESH),而這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)復(fù)雜度很高,需要花費(fèi)很多精力和時(shí)間,也需要網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)人員具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),短時(shí)間內(nèi)難以完成。1.3.2無(wú)線局域網(wǎng)單芯片網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)廣義的WiFi指整個(gè)IEEE802.11協(xié)議族,狹義的WiFi特指IEEE802.11b,其典型通訊距離為100~300m,具有一定的穿透能力,典型速率為1、2、5.5、11Mbit/s,WiFi最主要的優(yōu)勢(shì)在于不需要布線,可以不受布線條件的限制,因此非常適合移動(dòng)作業(yè)的需求。IEEE802.11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過100mW,因此對(duì)人體非常安全。目前,WLAN技術(shù)已經(jīng)日漸成熟,應(yīng)用日趨廣泛。由前面的地震數(shù)據(jù)采集量和無(wú)纜地震儀對(duì)無(wú)線通信終端的需求可知,WiFi完全能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要,而且成熟的WLAN技術(shù)可以縮短研發(fā)周期,與有線以太網(wǎng)技術(shù)結(jié)合,能夠大大擴(kuò)展勘探系統(tǒng)的規(guī)模。隨著無(wú)線局域網(wǎng)的發(fā)展,各大芯片供應(yīng)商也紛紛推出自己的WiFi單芯片解決方案,其中比較著名的有TI、Marvell、Atmel、GainSpan等。本文選擇美國(guó)GainSpan公司的GS1011(極低功耗無(wú)線單芯片),其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。GS1011關(guān)鍵參數(shù)如下:射頻功率為9dBm/18dBm;傳輸距離為室內(nèi)50~70m,室外200~300m;軟件協(xié)議支持TCP、UDP、SNMP、RTOS等;尺寸為10mm×10mm×0.85mm;通信速率為1、2、5.5、11Mbit/s可調(diào)。2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視方法2.1無(wú)線通信終端無(wú)纜存儲(chǔ)式地震采集站的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。ARM9處理器和Flash、SDRAM、以太網(wǎng)接口組成嵌入式最小系統(tǒng),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)運(yùn)行,采集過程中將地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CF卡中,數(shù)據(jù)回收時(shí)通過以太網(wǎng)接口再將CF卡中的數(shù)據(jù)傳至外部主機(jī)。數(shù)據(jù)采集部分由模擬開關(guān)、可編程增益放大器、24位A/D套片及測(cè)試電路組成,可同時(shí)采集4通道的地震數(shù)據(jù),并可完成自身性能狀態(tài)檢測(cè)。地震儀配接GPS定位模塊,多個(gè)地震采集站長(zhǎng)時(shí)間記錄星歷信息,并事后解算,可以獲得分米級(jí)高精度的靜態(tài)定位和采集站的排列關(guān)系,同時(shí)也可以為分布式地震勘探系統(tǒng)提供同步信號(hào)。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供功率智能管理和過壓過流欠壓保護(hù)功能。無(wú)線通信終端硬件部分主要是低功耗WiFi模塊與無(wú)纜自定位地震儀進(jìn)行對(duì)接。WiFi模塊采用的是GainSpan公司的GS1011MEE,采集站的CPU為Atmel公司生產(chǎn)的ARM9系列AT91RM9200。GS1011與AT91RM9200之間通過SPI接口進(jìn)行全雙工通信,AT91RM9200作為主設(shè)備,GS1011作為從設(shè)備。當(dāng)WiFi有通訊請(qǐng)求時(shí)向AT91RM9200發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)。AT91RM9200的GPIO接至GS1010的RESET信號(hào)輸入端,遇到故障時(shí),用于軟件控制WiFi模塊的復(fù)位,AT91RM9200通過GPIO控制GS1011的ALARM喚醒信號(hào)管腳,當(dāng)沒有數(shù)據(jù)通訊發(fā)生時(shí),WiFi處于SLEEP狀態(tài)以降低系統(tǒng)功耗,通訊時(shí)迅速喚醒無(wú)線模塊,以節(jié)省電池電力。2.2監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)情況無(wú)纜地震儀采集站的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要包括電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)、儀器自檢結(jié)果監(jiān)測(cè)、檢波器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、GPS定位信息監(jiān)測(cè)、儀器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。根據(jù)野外地震勘探作業(yè)的采集節(jié)點(diǎn)排列方式和節(jié)點(diǎn)規(guī)模,設(shè)計(jì)多種無(wú)線組網(wǎng)模式,實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式。(1)無(wú)線ap接入無(wú)線局域網(wǎng)WLAN組網(wǎng)迅速、成本低、靈活性好、可移動(dòng)性強(qiáng)、擴(kuò)展方便,在小道數(shù)地震勘探情況下,基于無(wú)線AP接入組成星狀拓?fù)?各個(gè)地震采集站通過內(nèi)置的WiFi模塊與無(wú)線AP建立通訊連接,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)到地震監(jiān)控中心主機(jī)的單跳無(wú)線數(shù)據(jù)通信。當(dāng)勘探作業(yè)范圍較大時(shí),AP之間可以通過有線連接,組成地震有線無(wú)線混合傳輸網(wǎng)絡(luò),可以滿足大面積的覆蓋需要。AP模式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。(2)自動(dòng)組網(wǎng)模式AdHoc是自組織對(duì)等式多跳移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),也是WiFi常見的組網(wǎng)模式之一。AdHoc是無(wú)中心的網(wǎng)絡(luò),它不依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,能夠臨時(shí)快速自動(dòng)組網(wǎng)。AdHoc具有可移動(dòng)性強(qiáng)、自組織與自治、方便地實(shí)現(xiàn)通信子節(jié)點(diǎn)的快速隨意布置的特點(diǎn),大規(guī)?？碧阶鳂I(yè)過程中,當(dāng)遇到大道數(shù)采集節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)距離單測(cè)線排列或連續(xù)滾道作業(yè)時(shí),選用AdHoc組網(wǎng)模式非常合適。監(jiān)控終端可以選用內(nèi)置WiFi無(wú)線網(wǎng)卡的筆記本電腦、平板電腦或掌上電腦(PDA),如圖4所示。(3)無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)方案在大三維或高密度地震勘探中,布置的地震采集站數(shù)目眾多,AP模式和AdHoc模式都會(huì)遇到數(shù)據(jù)傳輸瓶頸,而無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)網(wǎng)段的子節(jié)點(diǎn)數(shù)目不能超過254個(gè),因此需要采用分層或分區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用由中心主機(jī)站+無(wú)線路由站+采集終端站三級(jí)模式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成無(wú)線分布式系統(tǒng)(見圖5),地震勘探服務(wù)器連接至中心站,由中心站通過無(wú)線鏈路連接至無(wú)線路由站,無(wú)線路由站擴(kuò)大中心站無(wú)線通訊鏈路的覆蓋范圍,實(shí)現(xiàn)地震儀主機(jī)與地震儀采集站之間的無(wú)線通訊。通訊協(xié)議采用主-從模式,地震儀主機(jī)、筆記本電腦作為主設(shè)備,各地震儀采集站作為從設(shè)備,主設(shè)備能夠初始化無(wú)線網(wǎng)絡(luò),從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備的查詢指令,迅速做出響應(yīng)并提供對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信息或數(shù)據(jù)。中心主機(jī)站既能單獨(dú)與地震儀采集站通信,也能以廣播方式發(fā)送控制指令給所有的地震儀采集站進(jìn)行通信。作為中心站的無(wú)線網(wǎng)橋設(shè)置于網(wǎng)絡(luò)的中心位置,中心站采用符合IEEE802.11a規(guī)范的無(wú)線網(wǎng)橋,其工作頻率為5.8GHz,它具有覆蓋能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大的特點(diǎn),可提供非視距大容量面向各種地表的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)接入能力,采用高級(jí)OFDM技術(shù),能夠有效克服諸如樹林與建筑等多種障礙,實(shí)現(xiàn)快速的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署。覆蓋距離可達(dá)幾公里,地震儀監(jiān)控主機(jī)連接至中心站,由中心站通過無(wú)線鏈路連接至無(wú)線路由站。無(wú)線路由站的功能是擴(kuò)大中心站無(wú)線通訊鏈路的覆蓋范圍,實(shí)現(xiàn)地震儀監(jiān)控主機(jī)與地震儀采集站之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通訊,主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能,一是作為遠(yuǎn)端接入點(diǎn)與中心站建立無(wú)線通訊連接,工作頻率為5.8GHz;二是以無(wú)線AP的身份與無(wú)纜地震儀采集站建立無(wú)線通訊鏈路,用于擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,工作頻率為2.4GHz,通常每個(gè)無(wú)線AP可支持20個(gè)左右的地震儀采集站,無(wú)纜地震儀通過內(nèi)置的工作在2.4GHz頻率上的WiFi模塊與無(wú)線AP建立無(wú)線通訊鏈路。由于WiFi的覆蓋半徑為100m左右,因此應(yīng)將無(wú)線路由站安裝在地震儀采集站附近,無(wú)線路由站的數(shù)量取決于中心站的接入能力、無(wú)線路由站本身的帶載能力以及地震勘探的野外施工環(huán)境(如測(cè)線長(zhǎng)度、有無(wú)遮擋等)。2.3網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)管理2.3.1無(wú)線路站方式設(shè)計(jì)因?yàn)榈卣鹂碧阶鳂I(yè)中的采集站具有“可移動(dòng)”的特點(diǎn),以及無(wú)纜地震儀的隨機(jī)散布性特點(diǎn),所以需要對(duì)各個(gè)采集站的IP地址進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。管理過程如下:(1)由地震監(jiān)控主機(jī)設(shè)置好無(wú)線網(wǎng)橋的IP地址(固定不變),然后將無(wú)線網(wǎng)橋的工作模式設(shè)置為基站模式,此時(shí)無(wú)線網(wǎng)橋作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的DHCP服務(wù)器,在服務(wù)器中指定要分配的地址池,并且可以設(shè)置掩碼、網(wǎng)管和DNS等,無(wú)線路由站自動(dòng)向服務(wù)器申請(qǐng)一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的IP地址,并建立路由表。(2)各無(wú)線路由站的IP地址由無(wú)線網(wǎng)橋擔(dān)當(dāng)?shù)腄HCP服務(wù)器動(dòng)態(tài)分配并建立之后,啟用DHCP服務(wù)器的功能,并做好相應(yīng)的地址池的設(shè)置,為位于其覆蓋范圍之內(nèi)的無(wú)纜地震儀動(dòng)態(tài)分配IP地址,并建立路由表,路由表包括至地震儀主機(jī)的路由和至地震儀采集站的路由。(3)各地震儀采集站的IP地址由無(wú)線路由站擔(dān)當(dāng)?shù)腄HCP服務(wù)器為其動(dòng)態(tài)分配,建立至無(wú)線路由站DHCP服務(wù)器的路由表。(4)當(dāng)有新的地震儀采集站加入網(wǎng)絡(luò)時(shí),無(wú)線路由站DHCP服務(wù)器能夠發(fā)現(xiàn)此采集站,并主動(dòng)為其分配IP地址。2.3.2地震儀中央主機(jī)與地震儀的通訊地震儀采集站通過內(nèi)置的WiFi模塊與無(wú)線接入點(diǎn)建立無(wú)線通訊鏈路。每個(gè)無(wú)線AP支持多個(gè)地震儀采集站,地震儀中央主機(jī)與地震儀采集站之間的數(shù)據(jù)通訊,通過自定義的應(yīng)用層通訊協(xié)議進(jìn)行,通訊協(xié)議包括:通訊字頭、數(shù)據(jù)包號(hào)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、傳輸層協(xié)議類型(TCP或UDP)、功能代碼、有效數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)(CRC32校驗(yàn))、通訊字尾。通訊協(xié)議格式的前半部和后半部分別如表2和表3所示。2.3.3數(shù)據(jù)采集程序地震儀主機(jī)的應(yīng)用