CN1905394B - 无线数据采集网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于采集数据的设备、方法和装置，该设备包括一个包含一组节点(100)的无线网络，每个节点(100)包含用来发送和/或接收和/或转发数据和/或指令的一个发送器(140)和一个接收器(150)，以及一个卫星定位系统(130)，其特征在于，每个卫星定位系统包括提供特定数据，以一种完美的受控方式组织对无线网络的访问，并且在网络里路由数据和/或指令的装置，该特定数据用于相对于一个公共参考时间对数据进行时间标记。

Description

无线数据采集网络
技术领域
本发明涉及一种无线数据采集网络。
本发明主要涉及一种地震传感器的无线网络。
本发明尤其涉及装备有卫星定位系统的地震传感器的网络。
背景技术
本发明特别地应用于油田探测领域，在这个应用领域，布置在地球表面的地震传感器被用来接收由地震源(振荡器或爆炸)发出波的反射波，处理这些反射波以建立所要探测的地表下的地图，指示其拓扑结构。
但是，本发明不限于油田探测的特定领域，可以应用于任何应用无线数据采集网络的领域。
本领域的专业人员知晓实现一个无线数据采集的网络的设备。
对于数据采集网络由一系列地震传感器组成的情形，传统地和经常地，这些设备是由通过电线或电缆以组群的方式相连，并接到网络中的一个“节点”的传感器组成。一般地，这些节点以组群的方式围绕在一个“集中器”周围，一组节点及其“集中器”组成一个子网，集中器和节点间用电线连接。该集中器在本地管理节点子网，为节点提供能源并集中数据。集中器用电线连接于一个本地数据网络，该本地数据网络连接到中央处理单元，中央单元处理驱动所有设备，并存储来自子网的数据。
这些常用的方案被本领域普通技术人员熟知，将不在以后详述。但是，要知道这些解决方案需要大量的、很长的电缆，而且电缆在现场是很难移动和安装的。这里提供的无线数据获取网络显示出了优越性，但是它们也存在缺陷，例如在参考文献(美国专利/专利申请)US2004/0121786中的例子。
在实践中，由于网络的每个节点与网络的其它节点间不存在物理的连接，节点就不能通过电线或电缆获得能量供应。因而，各个节点的能量就只能在充分自主的情况下通过电池装置供应。
而且，必须在网络的每个节点上提供参考时间的装置，并使每个节点能够得知该参考时间，并且在节点间保持同步，且能够以良好的时间精度来获取数据。显然，这里就不需要用电线或电缆来连接节点。
参考文献US2004/0121786公布了一个包括无线数据通信和获取网络的设备，特别应用于地震传感器的网络。
在本文件中，为了耗费最小的能量，在网络节点上获取的数据被传送到邻近节点，并且重复步骤，直到数据到达其目的地。这种数据传输技术被称为多跳，它被使用着是因为将数据从网络中任一节点传输到不在其邻近位置的接收器所消耗的能量小于直接传输到该接收器所需能量。在地震传感器网络的情形，接收器是一个集中器。在本文件中，更进一步，可以通过安装在每个节点上的GPS系统使得每个节点可以获知参考时间。
在采用这个多跳技术的无线数据获取网络中，提供在网络不同节点间传输数据的方法是最基本的。参考文献US2004/0121786提供了数据从其宿主节点传输到其接收方的路由方式，这个过程是随机和自组织的。
在这种方式的路由中，网络的节点传输自己的数据并且转发其它节点的数据，经常遇到拥塞的情形。在实际情况中，包含用来在节点间路由等概率数据的相对少量的节点的网络没有被优化，而且，在地震应用的情形，由于在节点接收数据的接收机是集中器，该集中器附近的节点就特别容易遭受到拥塞。
为了克服影响某些节点的拥塞问题，参考文献US2004/0121786公布了一个路径权衡的方案，即利用在不同的可能路径的不同概率，防止拥塞的节点接收更多数据。
但是，显然，这不充分，特别是在地震应用情形，对那些用于位于集中器附近的节点，这里会有数据宿主节点与其接收机之间增加某些路径长度的影响，使得数据处理时间相应地增加。
因此，无线数据采集网络的功能必须得到增强，特别是在地震传感器网络的应用环境中。
发明内容
本发明的上述目的是通过一个数据采集设备来实现的，该数据采集设备包括含有一组节点的无线网络，每个节点包括用于发送和/或接收和/或转发数据和/或指令的发送器和接收器，以及一个卫星定位系统，其特征在于，每个卫星定位系统包含用来提供特定数据的装置，所述特定数据用于：
-相对于公共参考时间对数据进行时间标记；
-以一种完美的受控方式组织对无线网络的访问，并且
-在网络内部路由数据和/或指令。
本发明的目的还可通过包含一组节点的无线网络中采集数据的方法来实现，所述方法包括以下步骤：
-从至少一个网络中的节点发送和/或接收和/或转发数据和/或指令，所述节点包括一个发送器和一个接收器；
-从网络的每个节点中的卫星定位系统提供特定数据；
-相对于公共参考时间对数据进行时间标记；
-以一种完美的受控方式组织对无线网络的访问，并且
-在网络内对发送和/或接收和/或转发的数据和/或指令进行路由。
附图说明
通过阅读以下参照附图所作的对非限制型实施例所作的详细描述，，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1显示了在根据本发明的设备中的一种装置；
图2显示了根据本发明的包括一组节点的无线网络；
图3显示了一个在操作阶段与图2类似的无线网络。
具体实施方式
图1显示了用于本发明的一种装置。当安装在根据本发明的设备中时，该装置形成一个无线网络的节点。
装置100包括至少一个信号传感器110、111、112，其中的每个传感器110、111、112与一个相应于120、121、122的模数传感器相连，模数传感器的功能在于将上述至少一个传感器110、111、112感应的反射波转换为数字形式的数据，为与模数转换器相连的装置提供了包含时间戳信息的模数转换器生成的所述数字数据。在地震应用的情形，装置100被放置于地面或深入地下，地震传感器110、111、112的作用是采集由地震源发出的波的反射波。
装置110还包括一个卫星定位系统(或者GPS)，以提供相对于本地地理位置参考的传感器的位置，典型地，对地震应用来讲，1米左右的相对精度就足够了，卫星定位系统还提供全局时间，典型地，对地震应用来讲，1微秒左右的精度就足够了。
装置100进一步包括一个无线发送器140和一个无线接收器150，一方面，发送由地震传感器110、111、112采集的数据，另一方面，接收和/或转发由任何网络中位于诸如装置100的另一个装置上的传感器采集的数据。发送器140和接收器150分别包括天线141和151。
装置100还包括一个用于存储由传感器110、111、112或由位于另一个数据采集装置，即另一个网络节点上的传感器所采集的数据的存储装置(未示出)和一个用于控制存储装置的不同子装置110、120、130、140、150的正确操作，以及特别用来管理这些不同子装置之间的信息的交换的控制器(未示出)。
在装置100中所包含的装置的集合是用一个独立的电池经由一个连接系统(未示出)来供电。一个合适的装置可提供给可充电的电池160。
在实际应用中，有必要使用可充电的电池，因为有许多不同的装置100的子装置需要消耗电能，特别是卫星定位系统。更进一步，在地震数据采集的情形，这个地震的效应就倾向于相对更快了，因而要加快相对的测量的频率以跟上这些效应的趋势。因此，就需要经常频繁地为不同的子装置馈电，这相应地限制了电池的自主程度。现在，电池的工作时间至少需要达到1个月，但今天还不是这样的情况。
地震数据采集是基于统计方法的，即传感器必须接收大量时间的由位于确定地点的地震源发出的波，使得连续测试可以被重复，因而可以用来获得地下底层的清晰的图像。因为这个方法基于对震波在地震源和装置100的传感器110、111、112之间传播的时间的测量，对这个测量来讲，具有良好的时间精度是很基本的。为此，安装在每个节点上的卫星定位系统给网络中所有节点提供了参考时间，使得可以为地震数据的采集精确地进行时间标记，典型地，测试的时间特性若是在10微秒左右，而信号源以及传感器的位置的精度在1米左右就足够了。
图2显示了一个无线数据采集网络，其中包括一组节点，每个节点是图1中所示的一个装置100。
在地震领域的一个应用情形，该网络还包括，一个集中器200，其功能是集中所有由节点发送和/或接收和/或转发的数据，并通过其向网络节点发出指令的方式组织整个网络。发送器140和接收器150也被用来从集中器200传输指令到节点100。在恰当的地方，该集中器200也可以作为本地地理位置参考点为网络的所有节点服务。在所有情形中，集中器200的位置必须被精确地得知，例如通过包含在集中器200内的卫星定位系统来得知。
网络的不同节点间的数据和/或指令的传输模式，是由集中器200以可控方式来组织的。
更具体地，因为网络的节点的卫星定位系统130包括用来获知节点100和集中器200在网络中相对于本地参考点的位置的装置，还包括用来确定全局时间的装置，集中器200也知晓这个全局时间，集中器200知道相对于其自己节点的位置(方向，距离)，联系到公共参考时间，便在每个事件时刻，得知具有指令和/或数据的节点及其数量。
因此，集中器200就可以以一种受控的方式组织对无线网络的访问，组织数据和/或指令的路由，组织发送器140以及每个节点100的接收器150的操作的时间顺序。对此，网络中的每个节点100被分配了其间它必须发送的时隙，其间它必须在节点的存储装置中保留信息的时隙，以及其间它必须接收一个或多个其它节点生成的指令和/或数据的时隙，所述信息包括由传感器110，11，112采集和由模数转换器120、121、122生成的指令和/或数据或由其它节点生成的数据。
通过这种以受控的方式组织的数据传输，节点的拥塞就被最小化了，从数据在一个传感器上测量起，直至到达接收器的处理时间也被最小化了。这样，该设备就被整个的优化了。
而且，在节点不进行发送或接收的时隙中将节点转换到等待状态，这样，在这个时隙里，电池只消耗可忽略的电能，这就增强了其自主工作的能力。可以理解，这个优点直接与本发明相关，因为在已公布了的以往技术中，随机和自组织的传输模式要求网络的所有节点都能够在任何时刻发送和/或接收和/或转发数据和/或指令。
如前所述，其间节点被转换到等待模式的时隙，是指令和/或数据被存储到节点的存储装置的时隙，该存储装置优选地为循环的缓存器，其自然可以用来存储数据和/或指令，但还可以通过节点100的卫星定位系统130所提供的全局时间，为数据和/或指令进行时间标记，这样的存储可以根据存储深度在时间上回溯到某个点上，该存储器可以为发送器140提供预存储的两个预先定义的日期。
本发明的传输模式还可以用来以受控方式，组织用于两个节点间数据跳跃的无线频率。
图3显示了一个与图2相似的无线数据采集网络，其中圆圈300代表网络的一个节点100发送的，和传输节点100采集的和/或由节点100转发的指令和/或数据的波的范围，这个波300可以到达多个位于网络的其它节点的接收器，但是，为了按阶段将数据导至最终的接收器，仅将数据传输给它们中的一个是有用的。
为此，组织网络的集中器200就用来控制由节点100发出的波的无线电频率，并将该无线电频率指定给节点400的接收器450，用于接收数据。同时，集中器200检查所有的位于节点100所发送的波的范围内的其它节点对这个无线电频率来讲这些节点是透明的。这是可能的，因为节点间相互的相对位置及集中器的位置是明确知道的。数据传输的空时控制可以阻止不同节点间的任何数据冲突。
本发明不限于上述实施例，特别地，装置100只包含一个天线141，或若要考虑作为发送器140和接收器150的公共天线151，那么该装置就要包括一个开关。
用于为网络的不同节点定位的本地地理参考位置可以是由集中器提供，特别是在地震应用中，但这一目的也可以采用单独的仪器来实现。
在装置100上实现的卫星定位系统可以是GPS系统，但也可以考虑其它装置。
本发明不限于在地震领域的应用，其中集中器组织和集中数据，但也可以扩展到任何具有相似精神的领域。特别地，一个网络的节点交换数据，并且该数据的接收器是网络中的另一个节点，这与本发明一致，上面公布的数据传输的受控组织是由节点自主处理的。
最后，根据本发明的节点的无线网络不限于数据采集系统，但可以扩展到任何通信系统。

Claims (13)

1.一种包括无线网络的数据采集设备，包括一组节点(100)，每个节点(100)包含用来发送和/或接收和/或转发数据和/或指令的一个发送器(140)和一个接收器(150)，还包含一个卫星定位系统(130)，特征在于，每个卫星定位系统(130)包含用来提供特定数据的装置，该特定数据是用来：
-相对于公共参考时间对所述数据进行时间标记；
-以可控的方式组织对无线网络的访问，并且
-以可控的方式，通过其它网络节点，组织对来自一个网络节点的所述数据和/或指令到接收器之间的路由；
各网络节点(100)被分配了其间该节点必须发送数据和/或指令的时隙，其间该节点必须接收数据和/或指令的时隙，以及其间该节点并不发送或接收的时隙，将该节点转换到等待模式，
其中，其间该节点被转换到等待模式的时隙，是指令和/或数据被存储到节点的存储装置的时隙，该存储装置为循环的缓存器，该循环的缓存器用来存储数据和/或指令，还通过节点(100)的卫星定位系统(130)所提供的全局时间来为数据和/或指令进行时间标记。
2.根据权利要求1的数据采集设备，其特征在于，每个卫星定位系统(130)包含用来提供用于以一个受控的方式组织每个节点(100)的发送器(140)和接收器(150)各自的操作的时间序列的特定数据的装置。
3.根据前述任一项权利要求的数据采集设备，其特征在于，每个卫星定位系统(130)包含用来提供用于以一个受控的方式组织在分别位于网络的不同节点(100，400)的所述发送器(140)和接收机(450)之间分配特定无线电频率的特定数据的装置。
4.根据权利要求3的数据采集设备，其特征在于，包括，
一个集中器(200)，用于以一种受控的方式，基于卫星定位系统提供的特定数据来组织对无线网络的访问，组织生成的数据和指令在该网络内的路由，组织每个节点(100)的所述发送器(140)和接收器(150)各自的操作的时间序列，和组织在分别位于该网络的不同节点(100，400)的所述发送器(140)与接收器(450)之间分配特定无线电频率。
5.根据权利要求1或2所述的数据采集设备，其特征在于，一个节点(100)包括至少一个地震传感器(110，111，112)，至少一个用于转换来自所述至少一个地震传感器(110，111，112)的数据的模数转换器(120，121，122)，以及与模数转换器(120，121，122)相关联地用于将时间标记信息与所述数据相联结的装置。
6.根据权利要求1或2所述的数据采集设备，其特征在于，
所述与节点(100)相关联的卫星定位系统(130)包括用来在网络内为节点(100)相对于本地参考地理位置来定位的装置，以及确定全局时间的装置。
7.根据权利要求4的数据采集设备，特征在于，
所述本地参考地理位置是通过该集中器(200)上的卫星定位系统来确定的。
8.根据权利要求1的数据采集设备，特征在于，
所述数据存储装置是一个存储器，其中存储有所述卫星定位系统(130)提供的特定数据，来自节点(100)的所述至少一个模数转换器(120，121，122)的数据，和来自网络的其它节点的数据和/或指令。
9.一种数据采集装置，其特征在于，该数据采集装置为根据前述任一项权利要求所述的数据采集设备的节点(100)。
10.在包括一组节点的无线网络内传输数据的方法，所述方法包括如下步骤：
-节点发送和/或接收和/或转发来自至少一个网络节点(100)的数据和/或指令；
-位于每个网络节点(100)上的卫星定位系统(130)提供特定数据；
-基于所述特定数据，所述节点相对于公共参考时间为数据进行时间标记；
-基于所述特定数据，集中器以受控方式来组织所述节点对该无线网络的访问，并且
-基于所述特定数据，所述集中器以受控方式来组织由所述节点，通过其它网络节点，所发送和/或接收和/或转发的数据和/或指令到所述网络节点中的第二节点的接收器的路由，
各网络节点(100)被分配了其间该节点必须发送数据和/或指令的时隙，其间该节点必须接收数据和/或指令的时隙，以及其间该节点并不发送或接收的时隙，将该节点转换到等待模式，
其中，其间该节点被转换到等待模式的时隙，是指令和/或数据被存储到节点的存储装置的时隙，该存储装置为循环的缓存器，该循环的缓存器用来存储数据和/或指令，还通过节点(100)的卫星定位系统(130)所提供的全局时间来为数据和/或指令进行时间标记。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
-所述集中器以一个受控的方式组织每个节点(100)的接收器(150)和发送器(140)各自的操作的时间序列。
12.根据权利要求10至11中任一项的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
-所述集中器以一个受控的方式组织为分别位于网络的不同节点(100，400)中的所述发送器(140)和接收机(450)分配特定无线电频率。
13.根据权利要求10至11中任一项的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
存储该卫星定位系统(130)提供的特定数据和/或来自一个节点(100)的至少一个模数转换器(120，121，122)的数据和/或来自该网络的其它节点的数据和/或来自该网络的其他节点的指令。
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