基于UWB的多跳网络架构的地震数据传输系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于UWB的多跳网络架构的地震数据传输系统，该系统包括UWB地震采集站采集系统，多跳组网系统和数据中心监管系统三个部分。UWB地震采集站采集系统用于采集地震信息；采集到的地震信息将会通过多跳组网系统发送到数据中心监管系统，多跳组网系统基于超宽带技术，采用对等式网络串行接入的网络架构，并使用改进的AODV路由算法使得链路效益最大化，可以使收集到的信息以最高效的方式传递给数据中心监管系统，数据中心监管系统用于进行数据的实时回收和处理，实时监控整个网络系统。本发明专利技术具有功率消耗小，数据实时回收，监测范围广，节约人工等突出特点。

Seismic data transmission system based on multi hop network architecture of UWB

【技术实现步骤摘要】
基于UWB的多跳网络架构的地震数据传输系统
本专利技术属于地震勘探
与无线通信
，具体涉及一种基于UWB的多跳网络架构的地震数据传输系统。
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，在油田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面均得到了广泛应用。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，从而推断出地下空间的成像情况，以及油、气、煤和其他矿产资源的赋存状况。所以要求地震采集系统必须具有高精度的数据采集、时间同步、实时高速传输等功能。为了进行实时监测，地震采集站节点设计有无线通讯单元，这些无线单元设备通过其他无线中继设备与监控中心构成一个完善无线局域网或广域网，实现本地或远程实时状态监控，使用的无线通讯技术包括：基于802.11类协议的WiFi通讯，蓝牙通讯，ZigBee通讯，LoRa通讯和各种蜂窝移动通讯技术等。在传统通讯模组层面来讲，LoRa在传输过程中延时高，可达到3～4ms。其传输是速率理论160kbps～250kbps，实际一般小于100kbps，不适用地震数据的传输。WIFi技术使用的频谱段多为2.4GHz，容易受到干扰很严重，同时也制约了通信的质量与速率，并且WIFi功耗大平均在25mA左右。同时，WiFi只有在视距范围内才可以相互连通，在野外容易被山包和树林遮挡，不满足恶劣环境的通信要求。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网上协议，虽然可以进行多跳组网，但其速率理论为250kbps，只能用于温度、湿度光照强度等简单的小数据量传送，适用于工业控制、环境监测、智能家居控制等领域，并且其工作也在2.4GHz频段，极容易被干扰。蓝牙超过10m之后信号质量严重下降，目前普遍被应用在智能手机和智慧穿戴设备的连结以及智慧家庭、车用物联网等领域中。这些通信模组不适合野外大规模的地震采集站进行多跳组网。在路由算法层面来讲，传统AODV路由算法主要是使用了基于最少跳数的最短的路径算法，最短路径算法的路由选择是从源节点到目的节点最小的跳数，但是在实际中，整个通信链路路径的跳数越少，并不能说明该路径是最好的传输路径。因为源节点到目的节点间的距离是一定的，在传播介质一样的时候，若距离相隔越远，信号强度的RSSI值越差，其传输质量越差，此时，在最少跳数的路由路径上一些中间节点就会负载过重，会引起节点的崩溃，造成系统的极大延时和数据丢包，使得传输不能高效进行，这种路由算法不适合大规模的数据传输。中国专利CN102307397A公开了一种无线数字地震仪数据高速率传输系统及其方法，利用下一代无线WIFI、WIMAX技术、卫星通信及无线mesh网络结构构建四级无线网络结构，实现从地震仪采集数据由检波器阵列节点逐级向地震资料处理解释中心高速率传输，但其网络架构层数太多，系统延时大，传输效率低，不能做到现场实时数据的回收。虽然，地震采集站之间实现mesh网络架构，但如果传输链路中的中继采集站出现问题，会引起网络的大规模宕机，不易修复，且中继节点在野外架设困难度高。在环境恶劣的监测区域受遮挡严重wifi很难达到理想环境中的效果，无线WIMAX设备个数一般控制在4个之内。因此，该组网技术有待改善。还有提出采用LoRa的的技术，如中国专利CN108614290A还公开了一种基于LoRa技术的无线分布式三分量地震数据采集系统，该技术是一种基于LoRa技术网络传输，但是没有架构无线传输网络，随着LoRa设备和网络部署的增多，其相互之间会出现一定的频谱干扰。LoRa速率为250kbps不适合多跳转发，所以该方法仅仅适合数量很少的地震采集站，不能在野外环境进行大规模探测。中国专利CN106802429A还公开了一种基于超宽带无线模块的准实时无缆网络地震仪系统，采用了UWB技术进行组网对地震采集站的数据进行传输，但是没有具体对传输路径进行规划，容易引起网络的冲突，造成网络通路阻塞，不能高效进行网络的传输，所以需要进一步优化和改善。综上所述，现有技术中虽在地震采集站组网领域已取得一定成果，但无论采用WiFi，蓝牙，ZigBee或LoRa模组组网方法，还是采用树状，星型网络拓扑的网络架设，均存在数据传输时延长，数据丢失量大，误码率高，网路带宽利用率低等问题，无法满足地震数据传输的实时性要求，且不适合野外大规模的地震采集站进行多跳组网与数据传输，无法在野外环境进行大规模探测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有地震传输节点组网技术的不足，提供一种基于UWB技术的多跳网络架构的地震数据传输系统，解决了现有地震数据无线通信系统无法满足地震数据传输的实时性要求以及不能在野外恶劣环境进行大规模探测的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于UWB的多跳网络架构的地震数据传输系统，由UWB地震采集站采集系统、多跳组网系统以及数据中心监管系统构成；所述UWB地震采集站采集系统分散于监测区域内，通过多跳组网系统将采集到的数据发送至基站节点，基站节点与数据中心监管系统通过公共网络进行通信；所述UWB地震采集站采集系统用于采集地震信息，包括20-70个UWB地震采集节点，所述每个UWB地震采集节点由三分量地震检波器、信号处理单元、模数转换单元、控制单元、CPLD运算处理单元、GPS定位单元、数据存储单元、蓝牙传输单元、UWB射频单元以及电源管理单元组成；所述三分量地震检波器经信号处理单元、模数转换单元、CPLD运算处理单元、控制单元与UWB射频单元相连；所述控制单元分别与蓝牙传输单元、GPS定位单元以及数据存储单元相连；所述地震采集站节点生成的传感数据通过UWB射频单元以多跳的方式将数据转发到基站节点，其中多跳最后通过互联网传送至管理节点，用户通过管理节点完成网络配置和管理、发布监测任务及收集处理监测数据；所述多跳组网系统为由两套超宽带收发系统组成的超宽带通信系统，采用AODV_LC算法与对等式串行接入网络架构组合，用于自动接入并创建多跳组网路径；所述数据中心监管系统用于进行数据的实时回收和处理，实时监控整个网络系统。进一步地，所述数据中心监管系统在现场中心架设两台相同配置的服务器，采用多线程轮询方式自动分配线程。进一步地，所述GPS定位单元用于通过GPS定位授时，通过蓝牙传输单元可以对地震采集节点的状态进行观测。进一步地，所述三分量地震检波器在授时结束后采集地震信号，并传输给信号处理单元进行信号处理，处理后的信号由模数转换单元进行模数转换，转换的数字信号由CPLD运算处理单元进行编码压缩后由UWB射频单元传输给数据中心监管系统，并接收中心监管系统发送的地震信号放大倍数和采样率参数配置的指令，通过控制单元对接收到的指令进行处理。进一步地，所述电源管理单元包括数字电源和模拟电源，用于电源供应。进一步地，所述AODV_LC算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于UWB的多跳网络架构的地震数据传输系统，其特征在于：由UWB地震采集站采集系统、多跳组网系统以及数据中心监管系统构成；所述UWB地震采集站采集系统分散于监测区域内，通过多跳组网系统将采集到的数据发送至基站节点，基站节点与数据中心监管系统通过公共网络进行通信；/n所述UWB地震采集站采集系统用于采集地震信息，包括20-70个UWB地震采集节点，所述每个UWB地震采集节点由三分量地震检波器、信号处理单元、模数转换单元、控制单元、CPLD运算处理单元、GPS定位单元、数据存储单元、蓝牙传输单元、UWB射频单元以及电源管理单元组成；/n所述三分量地震检波器经信号处理单元、模数转换单元、CPLD运算处理单元、控制单元与UWB射频单元相连；所述控制单元分别与蓝牙传输单元、GPS定位单元以及数据存储单元相连；所述地震采集站节点生成的传感数据通过UWB射频单元以多跳的方式将数据转发到基站节点，其中多跳最后通过互联网传送至管理节点，用户通过管理节点完成网络配置和管理、发布监测任务及收集处理监测数据；/n所述多跳组网系统为由两套超宽带收发系统组成的超宽带通信系统，采用AODV_LC算法与对等式串行接入网络架构组合，用于自动接入并创建多跳组网路径；/n所述数据中心监管系统用于进行数据的实时回收和处理，实时监控整个网络系统。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB的多跳网络架构的地震数据传输系统，其特征在于：由UWB地震采集站采集系统、多跳组网系统以及数据中心监管系统构成；所述UWB地震采集站采集系统分散于监测区域内，通过多跳组网系统将采集到的数据发送至基站节点，基站节点与数据中心监管系统通过公共网络进行通信；
所述UWB地震采集站采集系统用于采集地震信息，包括20-70个UWB地震采集节点，所述每个UWB地震采集节点由三分量地震检波器、信号处理单元、模数转换单元、控制单元、CPLD运算处理单元、GPS定位单元、数据存储单元、蓝牙传输单元、UWB射频单元以及电源管理单元组成；
所述三分量地震检波器经信号处理单元、模数转换单元、CPLD运算处理单元、控制单元与UWB射频单元相连；所述控制单元分别与蓝牙传输单元、GPS定位单元以及数据存储单元相连；所述地震采集站节点生成的传感数据通过UWB射频单元以多跳的方式将数据转发到基站节点，其中多跳最后通过互联网传送至管理节点，用户通过管理节点完成网络配置和管理、发布监测任务及收集处理监测数据；
所述多跳组网系统为由两套超宽带收发系统组成的超宽带通信系统，采用AODV_LC算法与对等式串行接入网络架构组合，用于自动接入并创建多跳组网路径；
所述数据中心监管系统用于进行数据的实时回收和处理，实时监控整个网络系统。


2.根据权利要求1所述的一种基于UWB的多跳网络架构的地震数据传输系统，其特征在于：所述GPS定位单元用于通过GPS定位授时，通过所述蓝牙传输单元能够对地震采集节点的状态进行观测。


3.根据权利要求1所述的一种基于UWB的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈祖斌，李学强，李昊，张焕钧，杨欣然，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22