CN103325228B - 基于无线传感器网络的瞬变电磁数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的瞬变电磁数据采集系统及方法，其中系统包括终端采集节点、路由器节点和网关节点，三种节点之间组成无线传感器网络；所述网关节点与工控机连接，接收工控机的指令，并将其中的数据采集指令通过无线传感器网络转发给所述终端采集节点；所述终端采集节点根据所述数据采集指令，采集监测区域中的瞬变电磁数据，并将其转化为数字信号以数据包的形式通过无线传感器网络发送给所述网关节点。本发明提供的基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集系统具有较高的勘探精度，节点与节点之间省去了连接线，方便野外操作，提高了工作效率，节点采用模块化设计，便于维护和更换。

Description

基于无线传感器网络的瞬变电磁数据采集系统

技术领域

本发明涉及地球物理探测科学技术领域，特别涉及一种基于无线传感器网络的瞬变电磁数据采集系统及方法。

背景技术

瞬变电磁探测技术是一种常用的地球物理探测技术，广泛应用于资源勘探，地质构造探测，环境调查与监测，水库区基底及坝址裂缝勘探等，在地球物理探测仪器技术领域发挥了无可替代的作用。

传统的瞬变电磁探测采用单道发射，单道接收的工作模式，为了增强信噪比，提高采集精度，通常采用时域叠加的方法，也就是将采集的电磁信号周期叠加，然后取平均值来消除环境电磁干扰噪声和采集随机误差，叠加的次数越多，采集的时间也就越长。分布式的瞬变电磁探测系统则采用多个接收机排成阵列式同步接收瞬变二次场信号，实现空间域的叠加。分布式的瞬变电磁探测系统抑制噪声的能力强，测量效率高，可以获得大量的观测数据，以实现精确的反演解释。

近年来，无线传感器网络技术蓬勃发展，无线传感器网络具有自组织特性和节点的微型化、低成本和低功耗等特点，将无线传感器网络技术应用于分布式瞬变电磁数据采集中，可以实现对探测区域的多点同步采集，提高探测效率，获得大量的观测数据，可以获得观测区域的精确观测图像。

发明内容

本发明针对现有瞬变电磁探测仪器测量效率低，数据量少，精度较低，只能实现单道接收的不足，提供了一种以无线传感器网络为基础的多点采集，组网灵活的分布式瞬变电磁数据采集系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集系统，其特征在于，包括终端采集节点、路由器节点和网关节点，三种节点之间组成无线传感器网络；

所述网关节点与工控机连接，接收工控机的指令，并将其中的数据采集指令通过无线传感器网络转发给所述终端采集节点；

所述终端采集节点根据所述数据采集指令，采集监测区域中的瞬变电磁数据，并将其转化为数字信号以数据包的形式通过无线传感器网络发送给所述网关节点。

本发明所述的系统中，所述终端采集节点包括低噪声模拟信号调理单元、24位高精度模数转换单元、FPGA单元、GPS同步模块和无线通信单元；

所述无线通信单元接收到数据采集指令后，根据指令设置工作参数采集瞬变电磁信号；

所述低噪声模拟信号调理单元对瞬变电磁信号进行滤波和放大；

所述24位高精度模数转换单元将经滤波和放大后的模拟信号转换为数字信号，并暂存于所述FPGA单元的RAM中；

所述FPGA单元用于对所述现场可编程逻辑器件单元和所述24位高精度模数转换单元进行逻辑控制；

所述GPS同步模块用于为所述FPGA单元提供同步时钟；

所述无线通信单元读取RAM中的数据并打包成单节点网络采集数据包，通过无线传感器网络发送给所述网关节点。

本发明所述的系统中，所述的网关节点包括无线通信单元、微控制器、数据存储单元和触控液晶显示单元；

所述网关节点通过所述触控液晶显示单元配置系统工作参数，或者通过工控机运行监控软件来配置系统工作参数；

所述网关节点通过所述无线通信单元将数据采集指令发送给所述终端采集节点，并通过所述无线通信单元接收不同终端采集节点发送的数据包，暂存于所述数据存储单元中；

所述微控制器从所述数据存储单元中读取历史数据和结果，并在所述触控液晶显示单元显示。

本发明所述的系统中，所述触控液晶显示单元为电阻式触控液晶显示屏。

本发明所述的系统中，所述路由器节点用于多跳转发所述终端采集节点发送的数据包；其包括电源模块和无线通信单元。

本发明所述的系统中，所述终端采集节点、所述路由器节点和所述网关节点之间具体采用Zigbee协议组建所述无线传感器网络。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

提供一种基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、终端采集节点、路由器节点和网关节点组成无线传感器网络；

S2、网关节点接收工控机的指令，并将其中的数据采集指令通过无线传感器网络转发给所述终端采集节点；

S3、所述终端采集节点根据所述数据采集指令，采集监测区域中的瞬变电磁数据，并将其转化为数字信号以数据包的形式通过无线传感器网络发送给所述网关节点。

本发明所述的方法，还包括步骤：

S4、所述网关节点将收到的数据包发送给工控机。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述终端采集节点具体执行以下步骤：

所述终端采集节点接收数据采集指令，所述数据采集指令中包含采集工作配置参数；

根据所述采集节点工作配置参数设置工作参数；

所述数据采集指令采集监测区域中的瞬变电磁数据；

启动A/D转换，将经过滤波和放大的瞬变电磁数据转换为数字信号；

判断采集的点数是否已经达到所述工作参数设置的预设点数，少于预设点数则继续执行A/D转换过程，若达到预设点数则将采集数据打包为单节点的采集数据包，并发送给所述网关节点。

本发明产生的有益效果是：本发明采用无线传感器网络作为分布式瞬变电磁数据采集系统的通信组织架构，适应了分布式测量的特点，无线传感器网络具有自组织特性和节点的微型化、低成本和低功耗等特点，将无线传感器网络技术应用于分布式瞬变电磁数据采集中，可以实现对探测区域的多点同步采集，提高探测效率，获得大量的观测数据，以获得观测区域的精确观测图像。另外通过无线传感器网络，节点与节点之间省去了连接线，方便野外操作，提高了工作效率，且节点采用模块化设计，便于维护和更换。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集系统结构示意图。

图2为本发明终端采集节点结构示意图。

图3为本发明路由节点结构示意图。

图4为本发明网关节点的结构示意图。

图5为本发明终端采集节点工作流程图。

图6为本发明网关节点的工作流程图。

图7为本发明一实施例分布式接收线圈布置示意图。

图8为本发明一实施例网关节点安装结构示意图。

图9A为本发明一实施例终端采集节点安装结构示意图。

图9B为本发明一实施例路由节点安装结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集系统，如图1所示，该系统包括终端采集节点、路由器节点和网关节点，三种节点之间组成无线传感器网络；本发明的一个实施例中通信频率选用全球公开的免费无线频段——2.4G频段，具体采用Zigbee技术组建无线传感器网络。Zigbee无线通信技术作为分布式瞬变电磁数据采集系统的通信组织架构，适应了分布式测量的特点，无线传感器网络具有自组织特性和节点的微型化、低成本和低功耗等特点，将无线传感器网络技术应用于分布式瞬变电磁数据采集中，可以实现对探测区域的多点同步采集，提高探测效率，获得大量的观测数据，以获得观测区域的精确观测图像。

网关节点与工控机连接，接收工控机的指令，并将其中的数据采集指令通过无线传感器网络转发给终端采集节点；本发明实施例中网关节点可采用CY7C68013实现与工控机的USB通信接口，支持即插即用，方便使用，工控机运行监控软件，可以实现每个节点采集过程的控制和数据的呈现，在完成每个探测终端节点数据获取的基础上完成勘探参数的计算。

终端采集节点根据数据采集指令，采集监测区域中的瞬变电磁数据，并将其转化为数字信号以数据包的形式通过无线传感器网络发送给网关节点。

如图2所示，本发明的一个实施例中，终端采集节点包括FPGA单元、低噪声模拟信号调理单元、24位高精度模数转换单元、FPGA单元、GPS同步模块和无线通信单元；

无线通信单元接收到数据采集指令后，根据指令设置工作参数采集瞬变电磁信号；

低噪声模拟信号调理单元对瞬变电磁信号进行滤波和放大；低噪声模拟信号调理单元具体可包括前置放大，滤波调理和后级程控放大三部分，前置放大实现与传感器的阻抗变换以及信号放大和增强后级电路的驱动能力，滤波调理电路抑制外界电磁干扰信号，后级程控放大将有效信号获得最佳的放大。

24位高精度模数转换单元将经滤波和放大后的模拟信号转换为数字信号，并暂存于FPGA单元的RAM中；24位高精度模数转换单元可以降低电磁噪声的干扰，实现高精度，高分辨率的瞬变电磁信号的采集。

FPGA单元还用于对现场可编程逻辑器件单元和24位高精度模数转换单元进行逻辑控制；GPS同步模块用于为FPGA单元提供同步时钟；

24位高精度模数转换单元具体可采用高性能、低功耗的24位∑-△模数转换器AD7762，其具备宽频带差分信号输入，16位双向并行数据接口，转换速率最高可达625Ksps，采用高精度电压基准源，使系统的分辨率达到微伏级水平。24位高精度模数转换单元后转换为数字量，数据暂存于FPGA内部RAM中。

无线通信单元读取RAM中的数据并打包成单节点网络采集数据包，通过无线传感器网络发送给网关节点。无线通信单元可采用TI公司的第二代ZigBee芯片CC2530，该款芯片拥有业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其他强大的功能。完全支持ZigBee协议体系结构，硬件上支持CSMA/CD功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存，本发明使用CC2530F32/256版本，具有256K的闪存，足够容纳完整的ZigBee无线协议栈和用户代码。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，此外该款芯片还有21个可编程IO引脚，两个可编程的USART用于主/从SPI或UART，内部包含专用的射频通信模块，通过两个引脚连接到外部天线实现无线信号的收发功能。由于在分布式测量的条件下，发射与接收之间距离很远，而且接收机是阵列式同步测量，传统的线同步不能满足实际测量要求，必须使用GPS同步技术，GPS同步模块采用GPS控制电路为系统提供高精度的同步信号。终端采集节点主要完成双通道的瞬变电磁数据的采集和发送。

图3为本发明路由节点结构示意图。路由器节点负责多跳转发终端采集节点发送到网关节点的数据包。由于节点的通信距离有限，在监测区域可以根据一定的网络拓扑结果布置固定的路由器节点保证网内通信链路的畅通，减少数据丢包的发生。路由器节点由电源模块和无线通信单元组成，无线通信单元可选用CC2530芯片。

本发明实施例中，如图4所示，网关节点包括无线通信单元、微控制器、数据存储单元和触控液晶显示单元；

网关节点通过触控液晶显示单元配置系统工作参数，或者通过工控机运行监控软件来配置系统工作参数；

网关节点通过无线通信单元将数据采集指令发送给终端采集节点，并通过无线通信单元接收不同终端采集节点发送的数据包，暂存于数据存储单元中；

微控制器从数据存储单元中读取历史数据和结果，并在触控液晶显示单元显示。

无线通信单元仍可选用CC2530芯片，微控制器单元采用CY7C68013芯片，该芯片集成了USB2.0收发器，8051增强微控制器、可编程的输入输出引脚等，支持最高480Mb/s的高速传输，本发明采用CY7C68013以实现与工控机的USB高速数据传输。的数据存储模块采用集成文件存储管理控制器CH376，CH376内置USB协议及FAT文件系统固件，支持大容量便携式非易失存储介质，如SD卡或者大容量USB闪存盘。触控液晶显示模块可采用工业电阻式触控屏。网关节点主要完成与工控机的USB通信，采集数据的存储，数据显示。

图5为本发明终端采集节点工作流程图。终端采集节点的具体工作过程为：

（1）系统初始化并加入网络；

（2）等待接收网关节点发送来的控制命令和系统采集配置参数；

（3）如果有控制命令到来，首先判断该命令是不是数据采集命令，转到执行下一步，否则做相应处理后转到第2步等待网关节点命令；

（4）根据指令及系统配置参数设置系统工作参数；

（5）启动A/D转换，将经过信号调理之后的电磁信号转换为数字信号；

（6）判断A/D转换是否完成，未完成则等待其转换完成，转换完成后暂存于FPGA内部的RAM存储区；

（7）判断采集的点数是否已经达到系统参数设置的预设点数，少于预设点数则继续执行A/D转换过程，达到预设点数则执行下一步；

（8）无线通信模块从FPGA的RAM存储中读出采集数据并打包为单节点的采集数据包，并发送给网关节点；

（9）数据包发送完成，转向第2步。

为了降低终端采集节点的功耗。在节点等待网关节点控制命令的过程中，节点工作于低功耗模式，减少节点的电池损耗，从而延长节点的工作时间。

图6为本发明网关节点的工作流程图。网关节点是整个系统的中枢，向下负责收集各个终端采集节点发送来的电磁数据，并发送控制命令给各个节点；向上则完成收集到的数据的显示、存储和转发给工控机，并从触控屏或工控机获得数据采集命令和系统的配置参数。网关节点的具体工作过程为：

（1）系统初始化并组建网络；

（2）等待触控屏或工控机发送来的采集控制命令和系统配置参数；

（3）如果有控制命令到来，首先判断该命令是不是数据采集控制指令，若是则转到执行下一步，否则做相应处理后转到第2步等待触控屏或工控机控制指令；

（4）向终端采集节点广播发送数据采集指令；

（5）等待和接收网内所有终端采集节点发送的单节点网络采集数据包；

（6）将接收到的所有单节点数据包进行整合，暂存于SRAM中；

（7）判断是否存储数据，若存储数据则执行数据存储，数据存储完毕则执行下一步，若无需数据存储，则直接执行下一步；

（8）微控制器CY68013读取FIFO中的数据，然后通过串口将其发送至触控液晶显示屏，触控液晶显示屏根据数据绘制瞬变电磁二次场的衰减曲线；

（9）判断是否向工控机发送数据，若原系统配置参数配置向工控机发送数据，则执行下一步，否则转到步骤2；

（10）通过USB向工控机发送数据包，数据发送完毕后转到步骤2。

图7为本发明一实施例分布式接收线圈布置示意图。接收线圈放置于发射线圈内，接收线圈的个数根据探测区域的大小确定，接收线圈的引线连接到终端采集节点的模拟信号输入端。

图8为本发明一实施例网关节点安装结构示意图。网关节点安装结构包括仪器箱体806，网关节点的无线通信单元的天线807，电阻式触控液晶显示屏808，面板809，电源开关805，USB接口804,USB接口803，无线通信板卡810，数据传输与存储控制板卡801，中间层隔板802，大容量电源811。天线807安装在面板809上，天线807可拆卸；天线807通过同轴电缆与无线通信板卡810相连；触控液晶显示屏808安装在面板809中间；电源开关805位于面板809上，是整个网关节点的电源总开关；USB接口803和804均位于面板809上，USB接口804连接工控机，USB接口803支持USB闪存盘的数据存储；无线通信板卡810与数据传输与存储控制板卡801固定于中间层隔板802上，大容量电源811为整个网关节点提供电源。

图9A为本发明一实施例终端采集节点的安装结构示意图。终端采集节点907包括电源905，接收线圈接口906，GPS天线908，天线909，数据采集卡910，无线通信单元板卡912和接收线圈接口911。天线909通过同轴电缆与无线通信单元板卡912连接。图9B为本发明一实施例路由节点安装结构示意图。路由节点902包括电源901，天线903和无线通信单元板卡904，天线903通过同轴电缆与无线通信单元板卡904连接。终端采集节点907与路由节点902均采用铝制外壳，坚固小巧，同时能适应恶劣的野外环境；电源901与电源905均采用大容量锂电池，以延长系统工作时间；

本发明的基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集系统采用Zigbee协议组建无线传感器网络，探测区域节点的自组网过程：

本系统的三种类型节点的主处理器中都内嵌有ZigBee协议栈，使用ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0协议栈版本，协议栈使用C语言编写。根据被监测环境的实际情况，本系统使用星星网络拓扑结构，在ZigBee网络中，只有协调器才有组建网络的权利，协调器在整个网络中担任网关的角色。

网络组建过程如下：

协调器组建网络：协调器节点（即网关节点）上电后，首先对信道进行能力扫描，找出符合条件的信道，之后进行主动扫描，找出最符合要求的信道，在该信道上组建网络，并为网络分配PANID，然后处于监听信道的状态，等待其他节点加入网络。

节点加入网络：终端采集节点和路由器节点上电后，首先发送请求加入网络数据包，协调器节点收到数据包后，发送允许加入网络数据包给请求节点，该数据包中包含为节点分配的16位网内通信地址，该节点收到允许加入数据包后，使用该数据包的数据修改自身MAC属性，加入网络成功，若终端采集节点不能直接加入网络，还可以通过附近的路由器节点加入网络。

在本发明的实施例中，优选的，终端采集节点采用现场可编程门阵列（FPGA）器件，型号为EP1C12T144芯片，改型FPGA器件具有合适的逻辑资源、管脚资源和存储器资源，信号采集过程的控制与数据的缓存在一片FPGA器件中完成，器件的资源得到最充分的利用，性能达到最优。

本实施例中所选芯片仅为举例，其中中央控制处理模块采用现场可编程门阵列（FPGA）器件可选用资源合适、低功耗的FPGA芯片，获得更佳的性能，降低终端采集节点的功耗，延长工作时间；数据存储模块可选用其他任意能支持数据存储和文件管理的控制器；在面向大范围的勘探场合，存储介质可以选用更大容量的固态硬盘。

本发明提供的基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集系统具有较高的勘探精度，节点与节点之间省去了连接线，方便野外操作，提高了工作效率，节点采用模块化设计，便于维护和更换。

本发明基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集方法，基于上文描述的基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集系统，主要包括以下步骤：

S1、终端采集节点、路由器节点和网关节点组成无线传感器网络；

S2、网关节点接收工控机的指令，并将其中的数据采集指令通过无线传感器网络转发给终端采集节点；

S3、终端采集节点根据数据采集指令，采集监测区域中的瞬变电磁数据，并将其转化为数字信号以数据包的形式通过无线传感器网络发送给网关节点。

进一步地，该方法还包括步骤：

S4、网关节点将收到的数据包发送给工控机。

本发明的一个实施例中，步骤S3中终端采集节点具体执行以下步骤：

终端采集节点接收数据采集指令，数据采集指令中包含采集工作配置参数；

根据采集节点工作配置参数设置工作参数；

数据采集指令采集监测区域中的瞬变电磁数据；

启动A/D转换，将经过滤波和放大的瞬变电磁数据转换为数字信号；

判断采集的点数是否已经达到工作参数设置的预设点数，少于预设点数则继续执行A/D转换过程，若达到预设点数则将采集数据打包为单节点的采集数据包，并发送给网关节点。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网络的分布式瞬变电磁数据采集系统，其特征在于，包括终端采集节点、路由器节点和网关节点，三种节点之间组成无线传感器网络；

所述网关节点与工控机连接，接收工控机的指令，并将其中的数据采集指令通过无线传感器网络转发给所述终端采集节点；

所述终端采集节点根据所述数据采集指令，采集监测区域中的瞬变电磁数据，并将其转化为数字信号以数据包的形式通过无线传感器网络发送给所述网关节点；

其中，所述终端采集节点包括低噪声模拟信号调理单元、24位高精度模数转换单元、FPGA单元、GPS同步模块和无线通信单元；

所述无线通信单元接收到数据采集指令后，根据指令设置工作参数采集瞬变电磁信号；

所述低噪声模拟信号调理单元对瞬变电磁信号进行滤波和放大，具体包括前置放大、滤波调理和后级程控放大三部分，前置放大实现与传感器的阻抗变换以及信号放大和增强后级电路的驱动能力，滤波调理电路抑制外界电磁干扰信号，后级程控放大将有效信号获得最佳的放大；

所述24位高精度模数转换单元将经滤波和放大后的模拟信号转换为数字信号，并暂存于所述FPGA单元的RAM中；

所述FPGA单元用于对现场可编程逻辑器件单元和所述24位高精度模数转换单元进行逻辑控制；

所述GPS同步模块用于为所述FPGA单元提供同步时钟；

所述无线通信单元读取RAM中的数据并打包成单节点网络采集数据包，通过无线传感器网络发送给所述网关节点。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的网关节点包括无线通信单元、微控制器、数据存储单元和触控液晶显示单元；

所述网关节点通过所述触控液晶显示单元配置系统工作参数，或者通过工控机运行监控软件来配置系统工作参数；

所述网关节点通过所述无线通信单元将数据采集指令发送给所述终端采集节点，并通过所述无线通信单元接收不同终端采集节点发送的数据包，暂存于所述数据存储单元中；

所述微控制器从所述数据存储单元中读取历史数据和结果，并在所述触控液晶显示单元显示。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述触控液晶显示单元为电阻式触控液晶显示屏。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述路由器节点用于多跳转发所述终端采集节点发送的数据包；其包括电源模块和无线通信单元。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述终端采集节点、所述路由器节点和所述网关节点之间具体采用Zigbee协议组建所述无线传感器网络。