一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，设有显控中心站和多组采集节点。显控中心站设有上位机、超宽带无线模块A、震源触发器、智能电池与稳压模块A；采集节点设有单片机模块、超宽带无线模块B、信号调理与数据采集模块、智能电池与稳压模块B；所有采集节点编为14组，每组指定一汇聚节点，组中其他采集节点按顺序把数据发到汇聚节点，各汇聚节点再把数据发到显控中心站。本系统开机后能自组无线物联网，超宽带无线模块A、B工作于3.1～10.6GHz；本系统体积小重量轻、成本低、电池功耗低、防干扰力强，各节点相对位置可自动解算，定位精度±1.0cm，同步精度1μs。本系统适于在地质勘探中推广应用。

A quasi real time cable free network seismograph system based on ultra wideband wireless module

The invention relates to a quasi real time cable free network seismograph system based on an ultra wideband wireless module, which is provided with a display and control central station and a plurality of groups of acquisition nodes. Display and control center station with PC, ultra wideband wireless module A source, trigger, smart battery and voltage regulator module A; MCU module, acquisition node with ultra wideband B wireless module, signal conditioning and data acquisition module, intelligent battery and voltage regulator module B; all the nodes for the 14 groups, each group specified a sink node. The other collection nodes in the group by order of the data to the sink node, the sink node and then send the data to the display and control center. This system can boot from the group of wireless networking, ultra wideband wireless module A, B in 3.1 ~ 10.6GHz; the system has small volume and light weight, low cost, low power consumption, battery anti interference ability, each node can automatically calculate the relative position, the positioning accuracy of + 1.0cm, synchronization precision of 1 S. The system is suitable for popularization and application in geological prospecting.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无缆网络地震仪系统，具体地说是涉及一种应用于工程勘探，以及石油、地质、煤田等勘探领域，能够对人工或天然地震数据进行同步采集、存储和实时传输的基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统。
技术介绍
地震勘探是利用仪器在地表观测地震波信号，并对其进行处理分析，从而获得地下构造和岩石物性以及资源信息的技术。观测地震波的仪器，包括检波器和地震仪是勘探过程不可或缺的组成部分。由震源产生的地震波在地下传播的过程中，当遇到不同波阻抗的地层时将发生反射、折射等现象，此时通过地面上所安装的检波器接收、记录地震波的数据，随后用计算机进行分析处理，从而推断出地下构造和岩石物性，以及油、气、煤和其他矿产资源的赋存状况，也可用于工程勘查及地质灾害预测等。地震仪必须具有高精度的数据采集、时间同步、存储和传输等功能。目前，地震仪采用的数据传输方式包括有线传输方式(有缆系统)、有线、无线混合的数据传输方式(少缆系统)和无线传输方式(无缆系统)。无缆地震仪可以分为三类：盲采系统、半盲采系统和实时系统。传统有缆系统的有线地震仪首先是由于系统笨重不易搬运，其次道数受到限制，无法达到10万道级别的排列阵，另外成本居高不下影响到了其在实际地震勘探中应用。有线、无线相混合的地震仪，检波器与采集站之间仍采用有线的方式进行数据采集，存在实时性较差，采集数据误差较大等问题，在地震勘探中依然存在很多不便。也有无缆采集系统按照有线组合方式进行布设，单个采集站独立记录，采用卫星授时和本地时钟守时相结合的同步方式，采集站之间不需要线缆连接，后期处理数据时可以根据不同采集点的数据质量来确定组合方式，可以采取大组合或小组合，也可以不组合，使数据处理更加方便灵活，这也丰富了地震数据处理方法，但由于其采用本地存储无法进行质量监控，在实际地震勘探中应用时依然不便。以往由于所有无缆存储式地震仪的采集站不能发送数据到显控终端实现数据的实时质量控制，这是很不好解决的难题。没有数据的实时质量控制，就不能在现场知道地震数据采集的质量，包括激发能量的强弱、采集站工作是否正常、检波器工作是否正常等。而在野外施工中，每天可以激发几百炮记录，如果到室内回放后发现有大量的不正常工作数据，再进行补炮将花费大量人力和物力。所以，无缆存储式地震仪的施工方法还没有被我国的地震勘探界所接受。目前的无缆地震仪，存在下列问题：⑴.无线通信频段大多采用2.4GHz，该频段由于WIFI的普遍应用，易受同频干扰；⑵.通讯协议复杂，需要运行在具有操作系统的主控设备上，需要主控处理器功能强大，由此带来的缺点是成本高、功耗大；⑶.缺少定位功能，需要现场测量；虽然可以采用GPS但是精度差，差分GPS虽然能满足精度要求，但是成本高，增加了采集节点的设备量；⑷.无论是采用TCP/IP协议，还是ZigBee协议的无线传感器网络，虽然具有组网功能，但是实现起来比较复杂，需要操作系统支持，对主控硬件的要求较高；⑸.不具备同步功能，需要采用授时和本地时钟守时相结合的方法同步，增加了采集节点的设备复杂度，需在震源不激发的时段内大量存储无用的数据(95％为无用数据)，对存储的要求较高；⑹.大部分无缆存储式地震仪的采集节点不能实时把采集数据和工作状态返回到主控机，也不能接收主控机的控制指令，无法判断现场数据采集质量和仪器的状态。为解决上述存在的问题，近年来，国内外对无缆存储式地震仪开展了研究与开发，国内林君团队也研制了无缆遥测地震仪，但其作业最大平均功耗4.4W，需要大容量电池供电才能实现野外的长期工作。国内在2011年11月公开的“无缆数字存储式地震仪工作状态的无线监测方法”，申请号：2011100781106，该技术是在无缆地震仪采集站的基础上引入Wi-Fi无线通讯模块，利用无线组网技术将地震仪采集站以及状态监测用的地震仪主机、笔记本电脑或PDA组成无线局域网，通过制定专门通讯协议进行无缆地震仪工作状态无线监测。它采用中心站+无线路由站+采集站三级网络结构，每个采集站连接多个模拟检波器的地震仪器系统，但该技术存在网络结构复杂、设备多、网络传输效率低等问题。还有提出采用GPS或北斗定位的技术，如在2015.03.04中国公开的“无缆存储式地震仪低功耗电源管理系统及管理方法”，申请号：2014107783271，该技术是在采集站内预置的低功耗电源管理模块，由电源经开关电路分别连接单片机、北斗模块、采集单元、GPS定位单元，电源管理方法以手持终端、网络服务器或北斗上位机对无缆地震仪控制，进而解决了在大面积区域内对较多地震仪低功耗控制的难题，但该技术存在成本高，增加了与地震采集无关的设备量(如手持终端、网络服务器、北斗上位机)等问题。综上所述，成本、体积、功耗、通讯方式，以及准实时采集的要求，成为制约无缆地震仪发展的重要因素。因此很有必要开发一种能实现无缆采集系统的同步、节点定位、准实时现场传输、低功耗和通过自定义无线网络通讯协议的低成本无缆网络地震仪系统，以克服现有仪器和技术的缺陷，有利于大规模地震采集的开展。
技术实现思路
本专利技术的目的是要克服现有无缆地震仪技术的不足，而提供一种新的基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，且提供的系统具有同步和定位精度高、灵活性好、能高速传输数据、准实时显示数据等特点，还具有成本低、重量轻、体积小、功耗低等特点，能够提高勘探的质量、加快工程的进度、降低操作员的劳动强度，适合于大范围推广应用。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：提供一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，设有一个显控中心站和多组采集节点，显控中心站作为主节点，采集节点作为从节点；所述的显控中心站由上位机、超宽带天线A、超宽带无线模块A、震源触发器、智能电池与稳压模块A组成，上位机与超宽带无线模块A之间采用USB方式连接，超宽带无线模块A与震源触发器之间采用串口连接；显控中心站的上位机中安装电源管理软件和网络设备监控功能的软件，上位机用于人机交互并控制整个无缆网络地震仪系统和存储地震数据，管理智能电池与稳压模块A、采集节点位置显示和采集节点状态显示；所述的震源触发器用于连接震源，并产生同步采集信号，使所有采集节点同步运行；所述的显控中心站的超宽带无线模块A与每个采集节点中的超宽带无线模块B在开机后能自组织无线物联网，无线物联网在显控中心站与每个采集节点之间起桥梁作用，负责同步各个采集节点，获取用于各采集节点定位的“主从”或“从从”节点之间的双程旅行时的信息，完成采集节点之间的通信和数据传输功能；所述的多组采集节点是按无线通信频率编成14组，并在每组内指定一个采集节点作为汇聚节点，每组中的采集节点两两之间按照ID顺序进行双程旅行时测距，组内其他所有汇聚节点再把数据发送到显控中心站，汇聚节点和显控中心站由指定的固定信道通信；所述的多组采集节点中每个采集节点设有单片机模块、超宽带天线B、超宽带无线模块B，信号调理与数据采集模块，检波器模块、FLASH模块、智能电池与稳压模块B；单片机模块通过IIC总线连接智能电池与稳压模块B，所有采集节点的超宽带无线模块B都是具有通信、同步和定位一体化的模块；采集节点用于地震数据的同步采集，传输命令、数据和采集节点位置自动解算；所述采集节点上的超宽带无线模块B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，设有一个显控中心站和多组采集节点，显控中心站作为主节点，采集节点作为从节点；其特征在于：所述的显控中心站由上位机、超宽带天线A、超宽带无线模块A、震源触发器、智能电池与稳压模块A组成，上位机与超宽带无线模块A之间采用USB方式连接，超宽带无线模块A与震源触发器之间采用串口连接；显控中心站的上位机中安装电源管理软件和网络设备监控功能的软件，上位机用于人机交互并控制整个无缆网络地震仪系统和存储地震数据，管理智能电池与稳压模块A、采集节点位置显示和采集节点状态显示；所述的震源触发器用于连接震源，并产生同步采集信号，使所有采集节点同步运行；所述的显控中心站的超宽带无线模块A与每个采集节点中的超宽带无线模块B在开机后能自组织无线物联网，无线物联网在显控中心站与每个采集节点之间起桥梁作用，负责同步各个采集节点，获取用于各采集节点定位的“主从”或“从从”节点之间的双程旅行时的信息，完成采集节点之间的通信和数据传输功能；所述的多组采集节点是按无线通信频率编成14组，并在每组内指定一个采集节点作为汇聚节点，每组中的采集节点两两之间按照ID顺序进行双程旅行时测距，组内其他所有汇聚节点再把数据发送到显控中心站，汇聚节点和显控中心站由指定的固定信道通信；所述的多组采集节点中每个采集节点设有单片机模块、超宽带天线B、超宽带无线模块B，信号调理与数据采集模块，检波器模块、FLASH模块、智能电池与稳压模块B；单片机模块通过IIC总线连接智能电池与稳压模块B，所有采集节点的超宽带无线模块B都是具有通信、同步和定位一体化的模块；采集节点用于地震数据的同步采集，传输命令、数据和采集节点位置自动解算；所述采集节点上的超宽带无线模块B收到同步采集信号后发送采集命令和采集时长命令给单片机模块，单片机模块启动信号调理与数据采集模块采集信号，各采集节点完成采集并把数据存储到本地FLASH模块后，汇聚节点的单片机模块反馈采集的信号给显控中心站的计算机，同时将信号调理与数据采集模块转为待机状态。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，设有一个显控中心站和多组采集节点，显控中心站作为主节点，采集节点作为从节点；其特征在于：所述的显控中心站由上位机、超宽带天线A、超宽带无线模块A、震源触发器、智能电池与稳压模块A组成，上位机与超宽带无线模块A之间采用USB方式连接，超宽带无线模块A与震源触发器之间采用串口连接；显控中心站的上位机中安装电源管理软件和网络设备监控功能的软件，上位机用于人机交互并控制整个无缆网络地震仪系统和存储地震数据，管理智能电池与稳压模块A、采集节点位置显示和采集节点状态显示；所述的震源触发器用于连接震源，并产生同步采集信号，使所有采集节点同步运行；所述的显控中心站的超宽带无线模块A与每个采集节点中的超宽带无线模块B在开机后能自组织无线物联网，无线物联网在显控中心站与每个采集节点之间起桥梁作用，负责同步各个采集节点，获取用于各采集节点定位的“主从”或“从从”节点之间的双程旅行时的信息，完成采集节点之间的通信和数据传输功能；所述的多组采集节点是按无线通信频率编成14组，并在每组内指定一个采集节点作为汇聚节点，每组中的采集节点两两之间按照ID顺序进行双程旅行时测距，组内其他所有汇聚节点再把数据发送到显控中心站，汇聚节点和显控中心站由指定的固定信道通信；所述的多组采集节点中每个采集节点设有单片机模块、超宽带天线B、超宽带无线模块B，信号调理与数据采集模块，检波器模块、FLASH模块、智能电池与稳压模块B；单片机模块通过IIC总线连接智能电池与稳压模块B，所有采集节点的超宽带无线模块B都是具有通信、同步和定位一体化的模块；采集节点用于地震数据的同步采集，传输命令、数据和采集节点位置自动解算；所述采集节点上的超宽带无线模块B收到同步采集信号后发送采集命令和采集时长命令给单片机模块，单片机模块启动信号调理与数据采集模块采集信号，各采集节点完成采集并把数据存储到本地FLASH模块后，汇聚节点的单片机模块反馈采集的信号给显控中心站的计算机，同时将信号调理与数据采集模块转为待机状态。2.根据权利要求1所述的基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，其特征在于：所有的采集节点按照矩形栅格或三角形栅格结构排列。3.根据权利要求1所述的基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，其特征在于：所述的显控中心站的上位机在人机交互工作时发送的命令包括：同步采集、传送数据、信号调理与数据采集模块采样率设置、前放增益设置、采样起始时间设置、各个采集节点与显控中心站之间的通讯路径查询、各个采集节点之间电磁波传播的旅行时间查询命令，以及采集节点是否连接、连接的路径、顺序，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱培民，吴锋涛，李广超，
申请(专利权)人：朱培民，
类型：发明
国别省市：湖北;42