CN107277064A - 一种基于流媒体技术的实时地震数据传输系统及传输方法 - Google Patents

一种基于流媒体技术的实时地震数据传输系统及传输方法 Download PDF

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    • H04L69/162—Implementation details of TCP/IP or UDP/IP stack architecture; Specification of modified or new header fields involving adaptations of sockets based mechanisms

Abstract

本发明涉及一种基于流媒体技术的实时地震数据传输系统及传输方法，主要由主控站、多个采集节点和多个无线中继站构成，所述各采集节点分别通过无线中继站与主控站相连，实现实际现场的远距离数据流传输。本发明传输方法针对现场采集的大量地震数据，采用压缩编码的形式，既可降低数据量，又可提高数据传输的鲁棒性；采用数据整流的方法，可以有效平稳网络流速，降低对信道带宽的需求，从而避免网络阻塞现象的发生；利用RTMP协议实现以数据流的形式传输，满足了实际现场数据传输的实时性，具有较高的工程应用价值。

Description

一种基于流媒体技术的实时地震数据传输系统及传输方法
技术领域
本发明属于地震数据传输技术领域，具体涉及一种基于流媒体技术的实时地震数据传输系统及传输方法。
背景技术
地震勘探不仅产生的数据量大，而且对压裂现场数据传输的实时性要求也很高。目前，国内外的地震数据传输普遍采用FTP协议，以文件下载的方式进行传输，不能满足实时性的要求。而流媒体技术很好的弥补了这一不足，目前比较成熟的流媒体传输技术一般都是建立在UDP协议上的RTP/RTSP实时传输协议，可以实现数据的实时传输。但因野外环境复杂，除了网络不稳定以外，再加上UDP面向无连接的传输特性，致使该类方法会造成数据丢失量大，误码率高的缺憾。因此，急需研发一种能满足实时地震数据传输的系统及方法。
中国专利CN105277972A公开了一种地震数据采集与传输方法，提出双路径的输出方法，一路是将三分量数据完整保存到采集器的存储中，用于后期精细处理，另一路是提取单分量数据通过有线或无线的方式传输，用于实时监测处理。该方法虽实现了快速处理，但处理结果不能全面解释地震事件，且没有提出较为实时的数据传输方法。
2013年顾树威在《无线传感网络路由算法研究及嵌入式实现》中提出节点上搭建FTP服务器实现微地震数据传输的方法，且搭建了数据传输的软件平台。2015年赵金龙等在《基于STM32的FTP服务器的实现》中提出了在地震仪上搭建FTP服务器。该服务器在功能上可以实现地震仪中数据文件的目录显示、路径切换、文件下载、文件删除等。但以上两种方法利用FTP协议以文件的形式实现数据传输，延时较大不能满足地震数据传输的实时性要求。
综上所述，现有技术中虽在地震数据传输领域已取得一定成果，但无论采用FTP协议以文件的方式传输或采用基于UDP传输协议的方法，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，无法满足压裂现场地震数据传输的实时性。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于流媒体技术的实时地震数据传输系统及其传输方法，其利用RTMP(Real Time Messaging Protocol)协议将现场采集的大量地震数据以流的形式从各采集节点实时传输到主控站进行实时数据处理；该系统采用压缩编码的形式，既可降低数据量，又可提高数据传输的鲁棒性；采用数据整流的形式可以有效平稳网络流速，降低对信道带宽的需求，从而避免网络阻塞现象的发生；利用RTMP协议实现以数据流的形式传输数据，既可降低时延，又满足了数据传输的实时性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于流媒体技术的实时地震数据传输系统，主要由主控站、多个采集节点和多个无线中继站构成，所述各采集节点分别通过无线中继站与主控站相连，实现压裂现场的远距离数据流传输；
所述采集节点与检波器相连，采集节点包括数据采集模块、数据预处理模块和数据流传输模块；所述数据采集模块是由32位ADS1282组成的模/数转换单元构成，通过检波器采集的原始地震数据经模数转换后传递给数据预处理模块；所述数据预处理模块由数据编码压缩单元和数据整流单元构成，依次完成数据编码压缩、分块封装和码率平滑后将数据传递给数据流传输模块；所述数据流传输模块采用RTMP协议以流形式与主控站进行无线数据传输，将实时数据传送到主控站。
所述整流单元采用C型滤波器和L型滤波器组合构成。
所述无线数据传输采用的是WIFI或4G的网络。
上述基于流媒体技术的实时地震数据传输系统的传输方法，包括以下步骤：
A、各采集节点利用检波器采集原始地震数据，以数据采集模块对数据进行同步和模拟/数字转换后，将数字化的地震数据传递给数据预处理模块，同时启动采集节点RTMP协议进行端口监听；
B、数据预处理模块内的数据编码压缩单元按照RTMP协议规定的数据流格式，利用RTMPDump库函数对数据进行编码压缩、分块封装；
C、数据整流单元采用C型滤波器和L型滤波器组合模型对编码封装后的地震数据流进行码率平滑，并将数据传递给由RTMP协议组成的数据流传输模块；
D、主控站与远端各采集节点通过RTMP协议建立Socket连接；
E、当主控站向采集节点请求地震数据流时，采集节点将预处理后的数据流，用RTMP协议以WIFI或4G的无线通信方式实时传送到主控站；
F、主控站接收到数据流后，经重新组包、解压处理实现现场的实时监控、分析和解释。
步骤C，所述C型滤波器的特征函数如下：
其中：Iout(t)、Iin(t)分别代表t时刻C型滤波器中的输入和输出数据流速，Q(t)代表t时刻缓冲队列中的数据量，根据上式有：
L型滤波器的特征函数如下：
其中：Q(t)是C型滤波器提供的待发数据量，QAVG(t，T1)是近期平均待发数据总量，常数T1、常数T2是时延因子，常数L是加增长因子。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明针对现场采集的大量地震数据，采用压缩编码的形式，既可降低数据量，又可提高数据传输的鲁棒性；采用数据整流的方法，可以有效平稳网络流速，降低对信道带宽的需求，从而避免网络阻塞现象的发生；利用RTMP协议实现以数据流的形式传输，满足了数据传输的实时性，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1采集节点与主控站数据通信框图；
图2采集节点内部与主控站数据流传输图；
图3数据流预处理模块图；
图4地震数据整流仿真图；
图5RTMP协议传输数据流程图。
具体实施方式
本发明提供一种基于媒体流技术的实时地震数据传输系统及传输方法。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，采集节点与主控站数据通信框图，各采集节点分别通过无线中继站与主控站相连，实现压裂现场的远距离数据流传输。其用无线的方式连接，利用RTMP协议将地震数据以流的形式从各采集节点实时传输到主控站，且在主控站上进行实时数据处理的方法。
如图2所示，该传输系统中采集节点包括数据采集模块、数据预处理模块和数据流传输模块。所述模块均在STM32F429处理器做主控单元的嵌入式系统中开发完成，且该嵌入式系统中移植了FreeRTOSv9.0.0内核和LwIp网络协议栈。
所述数据流传输模块是在TCP/IP协议栈的基础上，利用RTMP协议进行以流形式与主控站进行无线数据传输。其中，无线传输方式为WIFI或4G网络的形式。
数据采集模块是由32位ADS1282组成的模/数转换单元构成，主要负责采集地震波形数据。
如图3所示，数据预处理模块由数据编码压缩和数据整流部分构成；其中，数据编码压缩是指按实时传输协议的规定对采集的数据进行相应格式的编码和数据封装；数据整流是为了平稳压缩编码后的数据流，防止出现在数据传输过程因码率变化大，数据猝发传输，导致网络阻塞的现象。
如图3、图4所示，利用C型滤波器和L型滤波器的组合模型可以提高采集节点数据流的稳定性，
C型滤波器的特征函数如下：
其中：Iout(t)、Iin(t)分别代表t时刻C型滤波器中的输入和输出数据流速，Q(t)代表t时刻缓冲队列中的数据量。根据上式有：
由上式可知，C型滤波器具有记忆性，某时刻数据缓存的待发数据总量不仅取决于该时刻的输入输出量，而且与历史有关。为了保证采集站中缓存的数据总量能维持一个稳定的值，即使Iin(t)＝Iout(t)，这样就可以使数据流不会发生突变。
L型滤波器的特征函数如下：
其中：Q(t)是C型滤波器提供的待发数据量，QAVG(t，T)是近期平均待发数据总量，常数T1、常数T2是时延因子，常数L是加增长因子。
由上两式可知：L型滤波器会根据QAVG(t，T1)的变化，相应地调节网络流速。如果平均发送速率在不断的调整，则L型滤波器也可检测到这一变化，并随之调整，从而可以进一步稳定网络的流速和降低所需信道的带宽。
数据传输模块是将采集到的数据经编码压缩、分块封装后，利用Socket的通信的方式将实时数据由无线网络发出。该过程是采用RTMP协议进行实时数据通信。
所述RTMP协议是将数据信息分割成多个消息块进行传输，且每个消息块有块头和数据组成，块头分别由基本头，消息头和扩展时间戳组成。如下表所示：
表1消息块协议
Basic header Chunk Msg Header Time Stamp Chunk Data
如图5所示，以实际现场流程为例，基于流媒体技术的实时地震数据传输方法，包括以下步骤：
A、各采集节点利用检波器采集原始地震数据后传输给数据采集模块，数据经过同步和模拟/数字转换后，将数字化的地震数据传递给数据预处理模块，同时启动采集节点RTMP协议进行端口监听；
B、数据预处理模块内的数据编码压缩单元按照RTMP协议规定的数据流格式，利用RTMPDump库函数对数据进行编码压缩、分块封装；
C、数据整流单元采用C型滤波器和L型滤波器组合模型对编码封装后的地震数据流进行码率平滑，并将数据传递给由RTMP协议组成的数据流传输模块；
C型滤波器的特征函数如下：
其中：Iout(t)、Iin(t)分别代表t时刻C型滤波器中的输入和输出数据流速，Q(t)代表t时刻缓冲队列中的数据量。根据上式有：
L型滤波器的特征函数如下：
其中：Q(t)是C型滤波器提供的待发数据量，QAVG(t，T1)是近期平均待发数据总量，常数T1、常数T2是时延因子，常数L是加增长因子。
D、主控站与远端各采集节点通过RTMP协议建立Socket连接；
E、当主控站向采集节点请求地震数据流时，采集节点将预处理后的数据流，用RTMP协议以WIFI或4G的无线通信方式实时传送到主控站；
F、主控站接收到数据流后，经重新组包、解压等处理实现现场的实时监控、分析和解释。
本发明提供的一种基于流媒体技术的实时地震数据传输系统及传输方法，采集节点中的数据以流的形式实时传输到主控站，与普遍采用的FTP协议以文件形式传输相比，降低了数据传输过程中的时延，满足了实际现场实时性传输的要求。其增加数据预处理模块既降低了传输的数据量和无线网络的使用带宽，又实现数据流平稳传输，针对现场采集的大量地震数据，采用压缩编码的形式，既可降低数据量，又可提高数据传输的鲁棒性；采用数据整流的方法，可以有效平稳网络流速，降低对信道带宽的需求；利用RTMP协议实现以数据流的形式传输，满足了数据传输的实时性，具有较高的工程应用价值。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式而已，并非对发明型作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于流媒体技术的实时地震数据传输系统，其特征在于：主要由主控站、多个采集节点和多个无线中继站构成，所述各采集节点分别通过无线中继站与主控站相连，实现实际现场的远距离数据流传输；
所述采集节点与检波器相连，采集节点包括数据采集模块、数据预处理模块和数据流传输模块；所述数据采集模块是由32位ADS1282组成的模/数转换单元构成，通过检波器采集的原始地震数据经模数转换后传递给数据预处理模块；所述数据预处理模块由数据编码压缩单元和数据整流单元构成，依次完成数据编码压缩、分块封装和码率平滑后将数据传递给数据流传输模块；所述数据流传输模块采用RTMP协议以流形式与主控站进行无线数据传输，将实时数据传送到主控站。
2.根据权利要求1所述的一种基于流媒体技术的实时微地震数据传输系统，其特征在于：所述整流单元采用C型滤波器和L型滤波器组合构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于流媒体技术的实时微地震数据传输系统，其特征在于：所述无线数据传输采用的是WIFI或4G的网络。
4.如权利要求1所述的一种基于流媒体技术的实时微地震数据传输系统的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、各采集节点利用检波器采集原始地震数据，以数据采集模块对数据进行同步和模拟/数字转换后，将数字化的地震数据传递给数据预处理模块，同时启动采集站RTMP协议进行端口监听；
B、数据预处理模块内的数据编码压缩单元按照RTMP协议规定的数据流格式，利用RTMPDump库函数对数据进行编码压缩、分块封装；
C、数据整流单元采用C型滤波器和L型滤波器组合模型对编码封装后的地震数据流进行码率平滑，并将数据传递给由RTMP协议组成的数据流传输模块；
D、主控站与远端各采集节点通过RTMP协议建立Socket连接；
E、当主控站向采集节点请求地震数据流时，采集节点将预处理后的数据流，用RTMP协议以WIFI或4G的无线通信方式实时传送到主控站；
F、主控站接收到数据流后，经重新组包、解压处理实现压裂现场的实时监控、分析和解释。
5.根据权利要求4所述的一种基于流媒体技术的实时微地震数据传输系统的传输方法，其特征在于，步骤C，所述C型滤波器的特征函数如下：
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其中：Iout(t)、Iin(t)分别代表t时刻C型滤波器中的输入和输出数据流速，Q(t)代表t时刻缓冲队列中的数据量，根据上式有：
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L型滤波器的特征函数如下：
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其中：Q(t)是C型滤波器提供的待发数据量，QAVG(t，T1)是近期平均待发数据总量，常数T1、常数T2是时延因子，常数L是加增长因子。
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