一种分布式节点地震仪网络通信方法技术

本发明专利技术涉及网络通信领域，特别涉及一种分布式节点地震仪网络通信方法。该方法包括如下的步骤：设置一服务器作为监控中心，监控中心与汇聚节点间通过广域网通信，传感节点与汇聚节点建立多跳网通信；在网络初始状态，监控中心架设服务器并等待汇聚节点和传感节点的入网申请，汇聚节点上电后通过LTE链路使用TCP/IP协议族向服务器发出入网申请，并完成客户与服务器的连接；汇聚节点作为衔接服务器和传感节点的网关，通过Wi‑Fi链路使用私有网络协议栈与传感节点进行通信。构建了广域网和多跳网的分层架构通信网络并设计了组网路由协议和数据传输协议。多跳的数据转发方式解决了无线局域网技术通信距离短与无线广域网技术在复杂地形下信号覆盖率低的矛盾。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及网络通信领域，特别涉及一种分布式节点地震仪网络通信方法。
技术介绍
有线地震勘探仪器带道能力强、数据质量保障性高，占据地震勘探仪器市场的绝大份额。但有线地震设备施工作业成本高，且不能应用于山区、沟壑、河流、铁路等复杂地形。节点地震仪摒弃了沉重的线缆，不受地形和道距的限制，是地震勘探装备长期发展的趋势。通信技术是地震勘探工作中的关键技术之一，直接影响采集系统的规模与施工效率。在有线地震仪器中，电缆系统与外界隔离，因此有线地震仪器通信系统具有排列稳定、抗干扰等优越性。节点仪器与此不同，其核心是无线通信技术。质量监控系统的设计实现了采集系统的可控可测，完成了节点式仪器从“盲采”到“半盲采”的过渡。按照所使用的通信技术，可将其分为无线局域网监控系统和无线广域网监控系统。局域网监控系统(Wi-Fi/Bluetooth)实现了终端设备对采集站的近程控制，广域网监控系统(3G/4G/北斗短报文技术)实现了监控中心与采集站的远程通信。地震勘探仪器通常以测线的方式分布在勘探区域，且每条测线长度通常为几千米甚至上万米。IEEE802.15信号的最大覆盖范围为100米；狭义的Wi-Fi协议指的是IEEE802.11b协议，其信号最大覆盖范围为300米。从信号覆盖范围来看，常用的无线局域网技术在地震勘探设备上的应用存在距离短的缺陷，施工人员需要徒步行走较远路程通过手持终端设备来依次监测勘探区域中采集站的工作状态。为增强信号的覆盖范围以同时监测多个采集站，通常的做法是架设AP设备。但AP设备功率大，在野外架设比较困难，且AP设备尚不能实现勘探区域信号的全覆盖。无线广域网技术的引用实现了主控中心与采集站的远程通信，然而卫星网络的通信速率有限，且广域网技术在复杂地形环境下存在障碍盲区。微地震监测和水力压裂监测等高实时性应用对采集系统提出了数据现场回收的要求，而无线通信技术在通信距离和链路带宽上相互制约使得单一的通信模式难以解决大范围海量数据回收问题。节点地震仪器无法在大规模、高密度的深部地震探测中实现数据的现场回收是制约其发展的主要原因。因此，无线通信技术的网络化在节点式地震仪上的运用与改善迫在眉睫。为实现海量数据的实时回传，必须将采集工区中的仪器全互联，并设计专用的通信方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种分布式节点地震仪网络通信方法，解决无线局域网技术通信距离短与无线广域网技术在复杂地形下信号覆盖率低的矛盾，为节点地震仪器提供灵活、可靠的远程质量监控服务，同时为大规模地震数据的实时回传建立网络模型。本专利技术是这样实现的，一种分布式节点地震仪网络通信方法，该方法包括如下的步骤：步骤101：节点地震仪以静态矩阵拓扑的方式分布在采集工区，节点地震仪作为汇聚节点和传感节点以全无线的方式覆盖整个勘探区域，设置一服务器作为监控中心，监控中心与汇聚节点间通过广域网通信，传感节点与汇聚节点建立多跳网通信；步骤102：在网络初始状态，监控中心架设服务器并等待汇聚节点和传感节点的入网申请，汇聚节点上电后通过LTE链路使用TCP/IP协议族向服务器发出入网申请，并完成客户与服务器的连接；步骤103：汇聚节点作为衔接服务器和传感节点的网关，通过Wi-Fi链路使用私有网络协议栈与传感节点进行通信；所述私有网络协议栈从上至下分为应用层、运输层、内容层、链路层和物理层，应用层直接为用户提供服务，处理应用数据并提供人机接口；运输层和内容层由数据传输协议和组网路由协议构成；作为协议栈底层的链路层和物理层由网络适配器填充，汇聚节点连入服务器后加载私有网络协议栈，广播Hello包并侦听未入网传感节点的入网请求消息；传感节点上电后运行私有网络协议栈，并通过无线适配器定时广播入网请求消息；汇聚节点通过识别请求入网节点网络适配器的SSID以判定其是否属于该测线，若判定传感节点属本测线节点，则汇聚节点和传感节点按照内容层组网路由协议中的四次握手机制完成入网认证，在第二次握手中，汇聚节点将向传感节点分配ID。进一步地，四次握手机制的步骤为：将节点分为子节点与父节点，子节点加载网络协议栈后广播入网请求MAC帧；当父节点收到入网请求包后，先判断是否可容纳后裔节点，若不可容纳后裔，则在内容层直接丢弃此数据报；若可容纳后裔的父节点收到此MAC帧后，立即在内容层计算子节点的ID并创建入网应答消息，链路层回复的地址为子节点的MAC地址；子节点收到入网应答包后，保存父节点分配的ID信息，并将父节点加入路由表中，随后向父节点发送入网确认包；父节点收到子节点发送的入网应确认后，判定子节点已成功加入网络，并向子节点发送入网完成包；子节点收到入网完成消息后将判定四次握手完成，并正式加入网络。进一步地，还包括：汇聚节点与传感节点建立父子节点关系，汇聚节点作为父节点，传感节点作为子节点，汇聚节点向服务器发送新入网节点的信息；传感节点加入网络后定时广播Hello包以维持与汇聚节点的链路连通，其他未入网传感节点均按照四次握手机制完成入网认证，入网后的节点均定时广播Hello包，每个新节点的加入，其ID信息将被多跳转发至服务器，待勘探区域中的传感节点全部入网后，仪器实现全互联，多跳网搭建完成。进一步地，加入网络的传感节点与为未加入的传感节点将建立接力式的父子节点关系，按照四次握手机制，未加入的传感节点入网。进一步地，所有节点入网后均定时广播Hello包，若5次均未收到邻居节点的Hello包，则判定对方断网；断网节点的后裔节点将跨越故障节点连入残余网络。进一步地，还包括：步骤104：勘探作业之前，监控中心向全网节点发出下行命令以查询所有仪器的工作状态并对仪器参数进行统一配置，数据发生交换时，接收节点首先检测网络是否拥塞，若判定拥塞，收发节点将启动运输层跳间拥塞控制机制，待拥塞缓解后数据开始传递，数据包将遍历源节点、目的节点和所有中间节点的运输层，并在运输层完成数据可靠保障传输交付，以此实现数据传输的跳间保障；应用数据在节点内部传递时，运输层将应用层数据分组后封装成报文并向下交付至内容层；内容层对应用层首部索引后将数据传递至下一跳，以此实现路由。进一步地，所述步骤104还包括：在跳间拥塞控制中，控制过程分为拥塞检测、拥塞通知和拥塞解除三阶段。数据交换之前，接收节点通过设定缓冲区占有率的阈值并检测接收队列缓存量以判断是否产生了拥塞；若节点发生拥塞，接收节点向发送节点发送拥塞通知以控制收发速率；待拥塞解除后，收发节点协调数据正常传输。进一步地，所述步骤104还包括：在数据可靠保障传输中，若发送的数据为单包或最后一包，则接收节点在缓存发送节点的数据包后立即向发送节点回复ACK消息；若发送节点在定时时间内未收到接收节点回复的ACK消息，则判断数据包丢失并发起重传；若发送的数据为多个包，接收节点在定时时间内未完整收到数据，则向发送节点发送NACK消息，请求数据包的重传。进一步地，监控中心对地震仪发出的监控命令为下行数据：子节点在收到父节点转发的数据时，判断自身是否为目的节点，若自身为目的节点，则拆开报文并向应用层交付；若自身非目的节点，则重新封装首部并向子节点转发；地震仪向监控中心传输的状态数据为上行数据：父节点在收到子节点转发的数据时，判断自身是否为汇聚节点，若自身为汇本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分布式节点地震仪网络通信方法，其特征在于，该方法包括如下的步骤：步骤101：节点地震仪以静态矩阵拓扑的方式分布在采集工区，节点地震仪作为汇聚节点和传感节点以全无线的方式覆盖整个勘探区域，设置一服务器作为监控中心，监控中心与汇聚节点间通过广域网通信，传感节点与汇聚节点建立多跳网通信；步骤102：在网络初始状态，监控中心架设服务器并等待汇聚节点和传感节点的入网申请，汇聚节点上电后通过LTE链路使用TCP/IP协议族向服务器发出入网申请，并完成客户与服务器的连接；步骤103：汇聚节点作为衔接服务器和传感节点的网关，通过Wi‑Fi链路使用私有网络协议栈与传感节点进行通信；所述私有网络协议栈从上至下分为应用层、运输层、内容层、链路层和物理层，应用层直接为用户提供服务，处理应用数据并提供人机接口；运输层和内容层由数据传输协议和组网路由协议构成；作为协议栈底层的链路层和物理层由网络适配器填充，汇聚节点连入服务器后加载私有网络协议栈，广播Hello包并侦听未入网传感节点的入网请求消息；传感节点上电后运行私有网络协议栈，并通过无线适配器定时广播入网请求消息；汇聚节点通过识别请求入网节点网络适配器的SSID以判定其是否属于该测线，若判定传感节点属本测线节点，则汇聚节点和传感节点按照内容层组网路由协议中的四次握手机制完成入网认证，在第二次握手中，汇聚节点将向传感节点分配ID。...

【技术特征摘要】
1.一种分布式节点地震仪网络通信方法，其特征在于，该方法包括如下的步骤：步骤101：节点地震仪以静态矩阵拓扑的方式分布在采集工区，节点地震仪作为汇聚节点和传感节点以全无线的方式覆盖整个勘探区域，设置一服务器作为监控中心，监控中心与汇聚节点间通过广域网通信，传感节点与汇聚节点建立多跳网通信；步骤102：在网络初始状态，监控中心架设服务器并等待汇聚节点和传感节点的入网申请，汇聚节点上电后通过LTE链路使用TCP/IP协议族向服务器发出入网申请，并完成客户与服务器的连接；步骤103：汇聚节点作为衔接服务器和传感节点的网关，通过Wi-Fi链路使用私有网络协议栈与传感节点进行通信；所述私有网络协议栈从上至下分为应用层、运输层、内容层、链路层和物理层，应用层直接为用户提供服务，处理应用数据并提供人机接口；运输层和内容层由数据传输协议和组网路由协议构成；作为协议栈底层的链路层和物理层由网络适配器填充，汇聚节点连入服务器后加载私有网络协议栈，广播Hello包并侦听未入网传感节点的入网请求消息；传感节点上电后运行私有网络协议栈，并通过无线适配器定时广播入网请求消息；汇聚节点通过识别请求入网节点网络适配器的SSID以判定其是否属于该测线，若判定传感节点属本测线节点，则汇聚节点和传感节点按照内容层组网路由协议中的四次握手机制完成入网认证，在第二次握手中，汇聚节点将向传感节点分配ID。2.按照权利要求1所述的分布式节点地震仪网络通信方法，其特征在于，四次握手机制的步骤为：将节点分为子节点与父节点，子节点加载网络协议栈后广播入网请求MAC帧；当父节点收到入网请求包后，先判断是否可容纳后裔节点，若不可容纳后裔，则在内容层直接丢弃此数据报；若可容纳后裔的父节点收到此MAC帧后，立即在内容层计算子节点的ID并创建入网应答消息，链路层回复的地址为子节点的MAC地址；子节点收到入网应答包后，保存父节点分配的ID信息，并将父节点加入路由表中，随后向父节点发送入网确认包；父节点收到子节点发送的入网应确认后，判定子节点已成功加入网络，并向子节点发送入网完成包；子节点收到入网完成消息后将判定四次握手完成，并正式加入网络。3.按照权利要求2所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，还包括：汇聚节点与传感节点建立父子节点关系，汇聚节点作为父节点，传感节点作为子节点，汇聚节点向服务器发送新入网节点的信息；传感节点加入网络后定时广播Hello包以维持与汇聚节点的链路连通，其他未入网传感节点均按照四次握手机制完成入网认证，入网后的节点均定时广播Hello包，每个新节点的加入，其ID信息将被多跳转发至服务器，待勘探区域中的传感节点全部入网后，仪器实现全互联，多跳网搭建完成。4.按照权利要求2所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，加入网络的传感节点与为未加入的传感节点将建立接力式的父子节点关系，按照四次握手机制，未加入的传感节点入网。5.按照权利要求4所述的分布式节点地震仪通信方法，其特征在于，所有节点入网后均定时广播Hello包，若5次均未收到邻居节点的Hello包，则判定对方断网...

【专利技术属性】
技术研发人员：林君，宾康成，张晓普，佟训乾，田入运，高建，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22