通过对当前无缆存储式地震仪器在野外勘探应用时现场质量监控需求的分析, 并结合北斗短报文通信技术的特点, 对无缆存储式地震仪的远程监控内容提出了如下的要求:

(1)具有远程控制休眠、唤醒地震仪功能。地震仪在放炮之前唤醒, 在停止施工期间休眠, 地震仪可有选择地进行采集工作, 这样大大节省了数据存储空间, 降低了采集系统的功耗, 延长了仪器的待机时间。

(2)可查询如CF卡的剩余空间, 内置电池电量, 位置经纬度, 采集站状态等信息。对剩余空间、电池电量不足、采集站状态错误且不能远程修复的采集站及时安排工作人员更换, 提高野外勘探作业的工作效率和灵活性, 增强采集系统数据的可靠性。对读取回来的地震仪经纬度信息在上位机端进一步处理, 可用于研发地震仪排列位置监测及远程防盗系统, 保障野外勘探仪器的安全性。

(3)远程控制地震仪自检功能, 并能回收自检数据。地震仪系统自检内容包括检波器内阻、噪声、隔离度测试等, 一次完整的自检过程通常需要2~5 min, 因此无缆存储式地震数据采集系统一般只在开机时自检一次, 之后则无自检过程, 因此采集站的部分工作状态, 如检波器连接状态等仅仅反映了系统开机时的状态, 不能作为现场质量监控的标准。法国UNITE系统由于没有远程监控功能, 在自存储模式下通常是定时自检, 自检时间为5 min, 在系统自检期间, 地震仪停止其他一切工作, 这样就减弱了地震仪野外勘探作业工作的灵活性。

(4)有一定的远程修复及设置功能。如配置系统采样率、增益、系统复位等, 出工前对地震仪的工作参数进行统一配置, 布设到野外后, 根据自检结果对有问题的地震仪进行参数设置和系统复位等操作, 远程修复和解决问题, 节省人力物力, 提高无缆地震仪智能化控制程度。

目前成熟的无线通信技术较多, 如Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、GPRS、3G等, 这些通信技术被广泛应用到生活及工业生产中, 北斗短报文是近几年才发展起来的一种远距离通信技术, 表1列出了应用以上几种通信技术典型模块的最大数据传输速率、传输距离、通信频带的参数值^[9]。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 无线通信模块性能指标 Table 1 Wireless communication module performance metrics 性能 WM-G-MR-9 CC2530 CSR8645 SIM900A MU609 GYM2003B 速率(max) 54M 250k 723k 上行42.8k、下行85.6k 上行5.76M、下行14.4M 120汉字/min 距离/m < 300 < 1600 > 10 2G基站覆盖范围内 3G基站覆盖范围内 北斗卫星覆盖范围内 频带/Hz 2.4G 2.4G 2.4G 900M~1800M 850M~2100M 1616M~2492M

表1 无线通信模块性能指标 Table 1 Wireless communication module performance metrics

下面对其中几种无线通信技术在无缆地震仪器远程监控中的应用做进一步分析。

1.2.1 Wi-Fi

Wi-Fi是IEEE802.11系列标准的统称, 其传输速率快、安全性高, 可集成到已有的宽带网络中, 配合路由器组建有线、无线混合网络快捷方便。地震勘探仪器中Wi-Fi常用的组网模式有AP(无线访问接入点)模式和Ad Hoc(点对点)模式, 在野外可以用架设AP基站的方式来拓扑无线局域网络的覆盖面积^[3], 而AP之间可以通过网桥设备连接, 从而完成更大面积的网络覆盖范围。然而, 在实际勘探应用中AP基站和网桥设备架设困难, 尤其应用于大道距的二维或者三维勘探工作中, 需要更多的基站与网桥, 影响施工进度。Ad Hoc是一种无中心、自组织、多跳移动通信网络, 节点间通过分层的网络协议和分布式算法相互协调, 实现了网络的自动组织和数据的相互交换。这种模式下地震仪可将其采集数据及工作状态信息接力式地传输回控制中心, 美国Wireless Seismic公司的RT2无线遥测系统就是应用了这种多跳的数据传输方式, 两个节点间通信距离的范围约为25~70m, 然而这种工作模式会导致越靠近中央记录系统的节点积累的数据量越大, 且在线性的网络拓扑结构中, 数据传输的稳定性受通信距离和地形环境影响较大, 数据通信的质量和速率难以得到有效的保证。

1.2.2 GPRS、3G移动网络通信技术

移动网络通信技术已经成为人们工作生活中不可或缺的重要组成部分。该技术具有抗干扰能力强、传输速率高、网络覆盖面广、接入时间短、建设成本低等特点^[10], 在地震勘探中可被应用于移动网络信号覆盖范围内的地震台网远程监控, 它提高了远程仪器维护的工作效率^[11]。然而在地震勘探大道距(道距大于1 km)地震深反射、折射探测作业中, 由于其基站的信号覆盖范围有限, 对于远程监控地震采集站工作存在一定的局限性。

1.2.3 北斗短报文通信技术

北斗卫星作为北斗通信技术的中继, 转发来自地面用户端的定位及通信请求, 地面中心站控制端接收到请求后解析消息, 然后将解算出的位置信息传回用户端或将接收到的接收信息通过北斗卫星转发至另一地面用户端, 达到卫星定位及通信的目的。北斗短报文通信技术在应用时具有信号覆盖范围广、安全、可靠性高和控制简单等特点, 用户一次最大可以传送120个汉字的报文信息, 而民用信息发送的频度通常为30~60 s, 接收信息则没有频度的要求, 对于地震仪基本的控制命令收发及状态信息的传送, 北斗短报文通信技术可以满足无缆地震仪基本状态监控数据传送的要求。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 基于北斗的无缆地震仪远程监控系统工作示意图Fig.1 Structure diagram of remote monitoring system of cable-less storage seismograph based on Beidou

基于北斗的无缆存储式地震仪远程监控系统工作示意图如图1所示, 系统由主控中心、北斗卫星、采集单元三部分组成, 主控中心通过北斗指挥机完成对采集单元远程的控制及状态数据的回收工作, 并对接收到的数据进行管理和存储。采集单元完成地震数据采集的同时, 通过北斗通信模块可接收来自主控中心端的控制命令, 并反馈执行结果信息。北斗卫星是控制命令及反馈信息传递的媒介。

图2为采集单元硬件原理框图, 地震检波器将地面振动信号转化为模拟电信号传输到FPGA数据采集单元, 由FPGA完成数据的采集、缓存, 并提供必要的测试、控制功能。AT91RM9200作为中央处理器, 读取FPGA中存储的数据, 并转存到CF存储卡中; 通过SPI接口与Wi-Fi模块连接, 实现近距离的无线数据传输功能; 通过UART与GPS、北斗模块连接, 为采集站提供高精度的授时、定位、远程通信功能, 完成数据同步采集、位置信息获取、工作质量远程监控。采集站也可通过以太网接口与电脑终端连接, 完成数据的回收及参数设置、检查工作。采集站在野外应用时采用太阳能和内置锂电池两种供电模式, 电源智能管理系统会根据采集站当前工作的天气条件转换供电模式, 保证仪器可靠、稳定工作^[12]。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 无缆采集单元硬件原理框图Fig.2 Schematic diagram of hardware for cable-less seismograph unit

采集单元的主控制器ARM9运行嵌入式Linux内核版本为2.6.31的操作系统, 北斗通信进程完成对北斗模块接收信息的解析与执行, 以及执行结果的反馈, 流程如图3所示。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 北斗通信进程程序流程图Fig.3 Flowchart of Beidou communication

北斗短报文通信系统包括指挥机和用户机, 指挥机是北斗短报文通信系统的中央控制器, 它相当于一个服务器, 负责接收来自多个用户机的报文, 并可以控制多台用户机来完成相应的指令。用户机是北斗短报文通信系统的子节点, 相当于一个客户端, 负责将节点工作信息上传到指挥机, 和接收来自指挥机的命令。北斗用户机在接收到指挥机传来的信息时, 用户机会通过UART将信息内容上传给下位机系统, 下位机会根据其数据传输的格式将信息进行解析, 并根据信息包含的指令内容来执行相应的任务。其数据传输的基本格式如下:

指令内容传输时以十六进制的ASCⅡ 码表示, 长度为从“ 指令内容” 开始到“ 校验和” 为止的总字节数, 用户地址为与下位机相连的用户机ID号, 信息内容用二进制源码表示, 内容的第一个字节是电文种类的标志信息(汉字/普通代码/混发), 校验和是整个通信内容按字节异或的结果。

北斗用户机在收到采集站下位机传来的执行结果信息时, 首先会解析其指令内容, 判断是否为通信申请命令, 若是, 再判断服务频度, 服务频度到则正常执行, 否则将该命令放到消息队列中, 等服务频度到后再重新发送。执行成功后用户机会上传给下位机一个“ 发送成功” 的反馈信息。