趙玉江，林 君，楊泓淵，姜曉雪，朱亞東洋

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長春 130061)

0 引言

隨著社會和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地表和淺層的資源日益枯竭，現(xiàn)有資源逐漸難以滿足當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，地球深部和復(fù)雜地形地區(qū)的資源探測和開采需求量與日俱增[1-2]。在對地球重力場、磁力場、電磁場、地溫場、放射性能譜、光波、地震波等信息的獲取和分析后進(jìn)行地球深部探測的方法中，地震勘探法仍然是目前最有效的技術(shù)手段之一[3]。

法國Sercel公司生產(chǎn)的428XL地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以其較快的數(shù)據(jù)傳輸速率和強(qiáng)大的系統(tǒng)帶道能力成為當(dāng)前國內(nèi)外地震勘探中應(yīng)用的主流產(chǎn)品[1]。然而在復(fù)雜的野外環(huán)境下，作為有纜地震勘探系統(tǒng)的428XL，大量的線纜使得其排列布線困難、運(yùn)輸和人力成本較高。尤其在山地、懸崖、河流、高速路、鐵路等一系列復(fù)雜地形中，相關(guān)問題更加凸顯。隨后Sercel公司收購英國Vibtech公司，推出了無纜存儲式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)UNITE[4]。它主要用于完成復(fù)雜地形中對428XL進(jìn)行補(bǔ)充或用于大道距、長時間的連續(xù)觀測作業(yè)。UNITE采用了自存儲式和無線通信相結(jié)合的的數(shù)據(jù)通信方式。在大范圍內(nèi)的地質(zhì)勘探作業(yè)中，UNITE的遠(yuǎn)程采集單元RAU主要采用自主存儲的工作模式[5]。這種模式下RAU野外采集的數(shù)據(jù)先保存在其非易失性存儲器中，作業(yè)結(jié)束后由工作人員手持?jǐn)?shù)據(jù)回收器到每個排列點(diǎn)將RAU中的數(shù)據(jù)收回，回收完畢后再回到控制中心將數(shù)據(jù)統(tǒng)一交給中央控制單元CCU，由CCU完成最后數(shù)據(jù)的繪圖和存儲備份工作。這種工作模式雖然不再受限于繁雜的電纜，但RAU的數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)卻沒有辦法像428XL那樣進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而影響到最后的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

吉林大學(xué)在中國地質(zhì)科學(xué)研究院“地殼探測計(jì)劃”項(xiàng)目資助下，自主研制了GEIWSR型無纜存儲式地震儀，主要目的是解決在大道距(道距大于1 km)地震深反射、折射探測中的數(shù)據(jù)采集問題。在野外，GEIWSR型無纜地震儀也面臨工作狀態(tài)監(jiān)控困難，施工效率低等問題。

為了實(shí)現(xiàn)無纜地震儀遠(yuǎn)程實(shí)時的可測可控，減少地震勘探的野外工作量，降低人力成本，提高施工效率。系統(tǒng)采用當(dāng)前流行的GPRS分組通信技術(shù)，完成對地震采集站運(yùn)行狀態(tài)信息和采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于GEIWSR型無纜地震儀設(shè)計(jì)完成，圖1為地震儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成框圖，電腦終端通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對采集站各項(xiàng)參數(shù)的查詢和狀態(tài)的控制。同時也可以在智能手機(jī)上開發(fā)出基于Android或IOS系統(tǒng)的手持終端，用于移動監(jiān)測采集站的狀態(tài)信息。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和GPRS基站與地震采集站進(jìn)行通信，傳送主機(jī)的控制命令和接收采集站的狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)。采集站用于完成地震波數(shù)據(jù)采集工作和通過GPRS模塊上傳查詢信息與反饋執(zhí)行結(jié)果。

采集站在布設(shè)之前，在主控中心由電腦終端或手持終端通過有線或無線的方式完成采樣率、增益等參數(shù)的配置，叫站查看儀器開機(jī)運(yùn)行后的工作狀態(tài)，如采集運(yùn)行情況、GPS定位狀態(tài)、GPRS連接、電池電量、剩余存儲空間等，確保儀器出工后的工作質(zhì)量。在野外布設(shè)采集站時，工作人員接好檢波器后開機(jī)運(yùn)行，當(dāng)儀器狀態(tài)指示燈正常后插好檢波器即可離開。采集站正常工作后會自動連接控制中心的服務(wù)器，連接成功后會周期性地將其狀態(tài)信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)反饋回來。這些信息一方面作為GPRS網(wǎng)絡(luò)的心跳包，保證了采集站的永久在線。另一方面供操作人員實(shí)時監(jiān)測，對于有問題的采集站能及時安排布線人員搶修，提高作業(yè)質(zhì)量和工作效率。而當(dāng)工作人員通過采集站位置、檢波器狀態(tài)等信息的變化判斷儀器在野外被盜時，可以及時控制采集站進(jìn)入自鎖狀態(tài)，此時儀器只負(fù)責(zé)將位置信息實(shí)時傳送回主控中心，而不響應(yīng)關(guān)機(jī)、復(fù)位等硬件操作，直到采集站被找到后解鎖，采集站恢復(fù)正常采集工作。采集站在工作期間，電腦終端也可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)控制其復(fù)位、休眠、喚醒、開始采集、停止采集、通道測試、自檢數(shù)據(jù)回收等，增強(qiáng)了采集站在野外工作的靈活性，延長了儀器待機(jī)時間。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1采集站硬件結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控采集站的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主控單元是由32位的ARM9處理器、16 M的NOR FLASH、64 M的SDRAM、100 M以太網(wǎng)接口組成的嵌入式ARM最小系統(tǒng)，主控單元主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度和運(yùn)行管理、控制、通信等工作[6]。系統(tǒng)將CF卡作為存儲介質(zhì)，將采集的地震波形數(shù)據(jù)、系統(tǒng)文件和日志文件都存儲在CF卡中。數(shù)據(jù)回收時，主機(jī)可以通過以太網(wǎng)接口和WiFi兩種方式將CF卡中的數(shù)據(jù)回收至海量的存儲服務(wù)器中。數(shù)據(jù)采集模塊由模擬開關(guān)、可編程增益放大器、24位的A/D套片及測試、校準(zhǔn)電路組成，可同時采集4通道的地震數(shù)據(jù)，并可完成自身性能狀態(tài)檢測。GPS定位模塊負(fù)責(zé)GPS衛(wèi)星信號的接收，可為系統(tǒng)提供精度高達(dá)50 ns的同步秒脈沖時鐘信號，實(shí)現(xiàn)cm級的高精度靜態(tài)定位。電源模塊用于將Li電池電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)電壓，并提供功率管理功能和過壓保護(hù)電路[7]。Wifi模塊與主控單元通過SPI接口進(jìn)行雙向通信，通過它手持終端在加入其自組的網(wǎng)絡(luò)后可以近距離地對采集站進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與控制，而在勘探作業(yè)完成后電腦終端也可以通過它來無線地回收數(shù)據(jù)。GPRS模塊與主控單元通過串口相連，主要負(fù)責(zé)傳送采集站的工作狀態(tài)、執(zhí)行結(jié)果等信息。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控采集站的硬件結(jié)構(gòu)

2．2GPRS模塊選擇

GPRS分組通信技術(shù)是當(dāng)前無線通信技術(shù)中較為成熟的一種，用戶在數(shù)據(jù)通信過程中并不固定占用無線信道，因此對信道資源能夠更合理地應(yīng)用。其覆蓋范圍廣、建設(shè)成本低、安裝調(diào)試簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率高、永遠(yuǎn)在線等特點(diǎn)使得其在近幾年被廣泛應(yīng)用到手機(jī)和各種遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中[8]。

SIM900A模塊是一款性能穩(wěn)定、外觀精巧、性價比較高的GPRS模塊。其主要性能指標(biāo)如下：

(1)雙頻：900/1 800 MHz；

(2)工作電壓：3．2～4．8 V；

(3)低功耗：待機(jī)模式22 mA，睡眠模式1．5 mA；

(4)最大下行速率85．6 kbit/s，最大上行速率42．8 kbit/s；

(5)操作溫度范圍：-40～+85 ℃．

雙頻使地震儀可以工作在兩種不同的頻段下，提升了信號覆蓋范圍。低功耗使其可以長時間在野外工作，增加了待機(jī)時間。工作電壓與ARM兼容，減少了額外的電壓轉(zhuǎn)換電路。上下行傳輸速率滿足其狀態(tài)信息及控制命令通信的需求。較寬的工作溫度范圍使其可以在極端溫度條件下使用。

2．3GPRS模塊硬件結(jié)構(gòu)

GPRS模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，SIM900A模塊為其核心部件，它的作用是接收AT命令，然后對AT命令進(jìn)行識別和執(zhí)行，相當(dāng)于采集站ARM的一個協(xié)處理器。RF天線接口主要是匹配天線的阻抗網(wǎng)絡(luò)電路。復(fù)位及LED顯示電路的設(shè)計(jì)便于整機(jī)組裝時GPRS模塊的調(diào)試工作。SIM900A通過SIM卡接口電路讀取SIM卡中存儲的客戶信息，完成GPRS網(wǎng)絡(luò)的注冊和連接。電壓轉(zhuǎn)換電路為SIM900A及SIM卡提供穩(wěn)定的輸入電壓，以保證GPRS模塊可靠工作。

圖3 GPRS模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

采集站內(nèi)部的ARM芯片運(yùn)行的是Linux2．6．31操作系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控部分主程序流程如圖4所示，首先初始化串口、變量和采集站硬件信息，然后從系統(tǒng)文件中讀取站號、站的類型、GPS型號、WiFi型號、GPRS型號等硬件信息。再創(chuàng)建、連接共享內(nèi)存，使進(jìn)程間信息交互可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝，提升進(jìn)程間通信效率。之后ARM通過AT指令控制GPRS的網(wǎng)絡(luò)連接，主要用到以下兩個命令：

(1)AT+CLPORT="TCP"，"2022"指定本地端口；

(2)AT+CIPSTART="TCP"，"59．72．95．241"，"8080"連服務(wù)器。

再創(chuàng)建命令交互線程，確定線程函數(shù)的入口點(diǎn)。創(chuàng)建完成后線程函數(shù)就會開始運(yùn)行，函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后退出線程。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控部分程序流程

線程函數(shù)的流程如圖5所示，該線程函數(shù)主要完成心跳包信息的傳送、控制命令的接收、接收消息的解析、控制命令的執(zhí)行、執(zhí)行結(jié)果的反饋。采集站通過GPRS連接到控制中心服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)后會周期性地上傳心跳包信息，而對于上位機(jī)傳送來的指令信息，采集站解析后首先根據(jù)指令內(nèi)容和當(dāng)時的工作狀態(tài)，給出“接受/拒絕”回應(yīng)。只有被“接受”的命令才會被執(zhí)行，采集站完成相關(guān)的操作后會將執(zhí)行結(jié)果通過GPRS模塊反饋給上位機(jī)。發(fā)送數(shù)據(jù)由AT指令A(yù)T+CIPSEND完成，十六進(jìn)制模式發(fā)送0x1a 結(jié)束。同時該線程函數(shù)還具有GPRS網(wǎng)絡(luò)掉線檢測功能，當(dāng)檢測到儀器掉線后會重新連接服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，直到連接成功儀器恢復(fù)正常監(jiān)控。

圖5 線程函數(shù)程序流程

為了實(shí)現(xiàn)無纜地震儀GPS定位狀態(tài)、采集運(yùn)行情況、電池電量、剩余存儲空間等狀態(tài)信息的監(jiān)測和采樣率、通道增益的設(shè)置，以及休眠、喚醒的控制，設(shè)計(jì)了3類通訊指令：查詢命令、控制命令、配置命令，如表1所示。

表1 無纜地震儀GPRS通信指令表

3．2測試結(jié)果

為了驗(yàn)證遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和評價對采集站的監(jiān)控情況，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對樣機(jī)的穩(wěn)定性和監(jiān)控功能進(jìn)行了測試。監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行30 d，采集站與服務(wù)器通信狀況良好，GPRS網(wǎng)絡(luò)環(huán)境擁擠時，通訊指令出現(xiàn)延遲情況，平均延時值為3 s，此延時能夠滿足無纜地震儀野外施工需要。經(jīng)測試如表1所示的地震儀通信命令運(yùn)行情況正常。圖6為樣機(jī)測試時上位機(jī)TCP/UDP服務(wù)器測試軟件界面窗口，當(dāng)操作人員在發(fā)送區(qū)輸入GET_INFOR(查詢所有信息)命令后，接收區(qū)由采集站返回如：站號、站類型、采集站工作狀態(tài)(采集、睡眠、空閑、通道測試、預(yù)熱、錯誤停止)、CF卡存儲空間、電池電量、增益、采樣率、GPS經(jīng)緯度等信息。

圖6 上位機(jī)TCP/UDP服務(wù)器查詢樣機(jī)信息圖

4 結(jié)束語

根據(jù)野外地質(zhì)勘探的實(shí)際需求，利用成熟的無線通信技術(shù)GPRS，為無纜地震儀設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)測試該系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定，完成了采集站狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測功能，實(shí)現(xiàn)了對采集站參數(shù)的配置和工作狀態(tài)的控制，滿足無纜地震儀野外遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，能有效解決現(xiàn)有地震勘探儀器在野外作業(yè)時機(jī)動性差，人力、運(yùn)輸成本高，施工效率低等問題。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：趙玉江(1990-)，碩士研究生，主要從事無纜地震儀研制及自動化與智能控制。E-mail：zhaoyj12@mails．jlu．edu．cn