CN1905505A - 用于地震应用的数据采集设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一个设备和一个方法，数据采集设备包括一个无线网络，所述无线网络包括一个称为网络的工作节点(100)的第一节点集合以及一个称为网络的外围节点(110)的第二节点集合，所述网络用于实现从外围节点(110)到工作节点(100)的网络的访问，其特征在于，包括：根据数据和/或指令的第一传输模式，以一个被完美控制的方式来组织在工作节点(100)的网络内数据和/或指令的路由的装置，以及根据数据的第二传输模式用来在外围节点(110)和工作节点(100)之间传输数据的装置，所述数据和/或指令的第一传输模式以及所述数据的第二传输模式是在时间上相分离的。

Description

用于地震应用的数据采集设备及其方法
技术领域
本发明涉及一种无线数据采集网络，期望修改其结构，而不打扰数据采集以及数据和/或指令的传输。
更具体地，本发明涉及一种无线地震传感器的网络，期望通过增加新的地震传感器和/或从网络中移去地震传感器来修改其结构，而不打扰数据采集以及数据和/或指令传输。
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，布置在地表的地震传感器接收由地震源发送至地下的波的反射波。经过对这些反射波的处理，采集探测地表下的地图成为可能。
但是，本发明不限于油田探测的特定领域，可以应用于任何为期望在不打扰数据采集以及数据和/或指令传输的情况下，实现无线数据采集网络的改进的地震应用领域。
本领域的专业人员知晓实现一个无线数据采集网络的设备。
在无线数据采集网络由一系列地震传感器组成的情形下，传统地和经常地，这些设备是由以组群的形式连接起来并接到网络中的一个“节点”的传感器组成。这些节点一般地是以围绕一个“集中器”的组群的方式构成，一组“节点”与相应的“集中器”组成一个子网。该集中器在本地管理节点子网并集中数据。集中器连接于一个连接到中央单元的本地计算机网络，中央单元处理来自子网的数据的集中和记录。这些子网表现出几种特性。
子网的每个节点必须以电池的方式为自己提供能源。
在这种网络形式中，在每个节点上采集的数据被传送到相邻节点，并且依此方式向前传输直到最后到达该数据的目的地，即地震传感器网络的集中器。这种允许数据在节点间传输的技术称为多跳。以相似的方式，网络中指令的传输也可以用这种多跳技术来实现。
为实现这个技术，有必要提供特定的装置使得参考时间在网络的节点层对所有的节点来说都是一样的，这样做是为了以良好的时间精确度采集特定的采集数据。
在这样的网络中，还需要提供在网络的不同节点间传输数据和/或指令的传输模式，可以利用该传输模式来优化数据和/或指令的传输，以达到使由一个网络节点采集的数据到达目的地的时间最短的目的。
在现有技术中，已特别地提供了节点同步的几种装置和节点间数据传输的几种模式。
这些无线数据采集网络涉及的一个特定问题是，其依赖于在网络上增加节点以确保其地理位置分布恰当。特别地，由于节点数必定受到限制，其覆盖区域也因此而有限。
这样，显然，对被网络覆盖的地理区域的边缘的测量，可以通过停止数据采集，并将整个网络移到这个边缘区域来实现。但是，可以理解，这将耗费大量的时间。
所以，下述方案是非常有好处的：利用处于网络覆盖的地理区域的外围的节点(称之为外围节点)，实现一种该网络的连续的地理位置布置，而不打扰地震数据采集、状态数据和/或地震采集数据的传输，以及其他节点(称为工作节点)间指令的传输。于是，外围节点在其与工作节点间交换数据，即状态信息。在后面的叙述中，这些外围节点和工作节点的数据将会被可交换地调用，可以理解，上文中的特性在整个说明书中均适用。
参考文件(美国专利/专利申请)US2003/058826提供了一个作为实施例的无线通信网络的地理布置的装置和方法，可以允许集中器识别外围节点并以网络中的工作节点的名义来集成它们。在这个参考文件中，网络的外围节点与工作节点之间的联系是根据一种与工作节点的网络的数据和/或指令的传输模式相同的数据传输模式，通过一种用来访问集中器的特定节点来完成的。为了实现与外围节点间的联系，工作节点以一种固定的方式来分配，集中器编排时隙，在这些时隙中工作节点可以传输外围节点发出的数据包。每个时间段(time span)都对应一个工作节点和外围节点间的数据跳跃(传输)。
上述设备和方法都表现出几种缺陷，特别地，对用于工作节点与外围节点之间的数据传输的时隙分配，是在来自网络的每个节点的表示其需要发送数据和/或指令的信息的基础上来完成的。如果一个节点没有需要发送的数据和/或需要传输的指令，那么该时间段就不被使用，失去带宽，能量也被不必要地消耗了。
而且，为网络的外围节点和工作节点之间的通信分配时隙，会打扰工作节点的网络的稳定的操作，因为在这些时隙中，数据和/或指令被锁定在工作节点上：在网络的工作节点之间没有连续而同步的数据和/或指令传输。
因而，必须改进当前所使用的设备和方法。
发明内容
上述目的在本发明中通过借助地震应用领域的数据采集器来实现，所述数据采集器包括一个无线网络，该无线网络包括：第一节点集合(称为网络的工作节点)以及第二节点集合(称为网络的外围节点)，期望上述网络实现外围节点到工作节点网络的访问，其特征在于，包括：根据数据和/或指令的第一传输模式，以一个被完美控制的方式来组织在工作节点的网络内数据和/或指令的路由的装置；根据数据的第二传输模式，在外围节点和工作节点之间传输数据的装置，所述数据和/或指令的第一传输模式与所述数据的第二传输模式是在时间上分离。
上述目的在本发明中还可以通过借助无线网络中地震应用领域的数据采集方法来实现，该无线网络包括：第一节点集合(称为网络的工作节点)以及第二节点集合(称为网络的外围节点)，期望上述网络实现外围节点到工作节点网络的访问，该方法包括以下步骤：
-根据数据和/或指令的第一传输模式，以一个被完美控制的方式来组织在工作节点的网络内的数据和/或指令的路由；
-根据数据的第二传输模式，在外围节点和工作节点之间传输数据，所述数据的第二传输模式与所述数据和/或指令的第一传输模式是在时间上分离的。
通过以下结合附图和具体实施方式的描述，本发明的其它特性、技术目的以及优越性将更加清晰。
附图说明
图1示出了一个无线数据采集网络，所述网络包括一个根据本发明的节点集合；
图2示出了在无线数据采集网络内数据传输的组织结构图；
图3示出了在无线数据采集的数据的传输组织的一个可变的实施例。
具体实施方式
图1示出了一个无线数据采集网络，所述网络包括工作节点100，一个集中器200和一个外围节点集合110，外围节点110象征性地被线条300与工作节点100组成的网络划分开，外围节点110是没有连接到集中器200的节点而又需要连接到这个集中器，更一般地，需要连接到由工作节点组成的网络而不打扰后者的常规操作。
在一个地震领域的应用情形，网络实际上包括一个集中器200，其功能是集中不同节点100和110发出和/或转发的数据，并且通过生成指令的方式组织网络，该指令由不同的工作节点100转发至外围节点110或者一个工作节点100。为适当起见，该集中器200还可以作为网络中所有节点100、110的本地地理位置参考。在所有的情形下，集中器200的位置必须被精确的得知，例如可以通过集中器上的卫星定位系统的装置来实现。
以一种受控方式组织网络内采集到的数据在各种节点100、110之间的传输模式，优选地通过集中器200，以便生成根据与采集数据相同的传输模式传输的指令。
至于工作节点100的网络，所使用的数据和/或指令的传输模式是一种TDMA模式(代表简易英语中的表述“时分多址”)。这种传输模式依赖于为网络中每个工作节点100分配一个专用的时隙。为做到这点，集中器200依赖于每个工作节点100中的卫星定位系统。
更精确地，由于网络的工作节点100的卫星定位系统包含网络内的确定工作节点100和集中器200相对于一个本地参考的位置的装置，还包含用来确定通用时间(universal time)的装置，该通用时间也被集中器200得知，该集中器200能够确定工作节点100相对于自己的位置(方向、距离)，并且通过结合共同的参考时间，可以确定在每个时刻发出数据的工作节点100以及相应的量化数据。
因此，由集中器200分配的时隙便依赖于工作节点100的地理布局，根据本发明的一个非限制性实施例，由集中器200发出指令，为网络中的每个工作节点100分配以下时隙：工作节点100必须执行发送数据的时隙、工作节点100必须保留其所采集的数据或来自其它工作节点100的数据和/或指令的时隙、工作节点100必须接收来自其它一个或多个其它工作节点100的数据和/或指令的时隙。但是，如果集中器200为工作节点100分配时隙，那么网络的工作节点100间的数据和/或指令的有效传输不用通过集中器200的授权就可以执行。
通过这种以受控方式组织的数据和/或指令的传输模式，节点拥塞被最小化，传输数据的从在传感器一级被检测到直至其被传输到目的地的传输时间也被最小化。进而，整个设备的有效率就被优化了。
而且工作节点100在不发送或者不传输的时隙内就可以被管理，将工作节点100设置为等待状态，因而就节约能量。
关于外围节点110，用于在外围节点110间以及在外围节点110与位于外围节点110最邻近的位置的工作节点100间传输数据的模式是CSMA(即，载波监听多路访问)。传统地，该数据传输模式不为节点分配专用时隙，从节点到节点的数据传输被随机地完成。
更精确的，如果在时刻t，一个节点上没有传输，那么这个节点就可以在一个信道上传输数据，另一方面如果两个节点在同一时间在这个公共信道上向第三个节点发送数据，那么就会发生冲突，而且在这些节点之间不会完成数据的传输。在经过为两个发送节点分别定义随机时间间隔后，所述两个发送节点再次向该第三个节点发送数据。由于其发送时刻间互不相同的机率很高，因而传输数据成为可能。
在本发明中，仍然需要适应TDMA数据传输模式，使得运行在CSMA模式下的外围节点110与运行在TDMA模式下的工作节点100的网络之间，以及与集中器200之间的连接是有效的。
为此，优选地由集中器200分配特定的时隙，在这些时隙期间外围节点110和其邻近位置上的工作节点100可以以CSMA模式交换数据模式，CSMA和TDMA这两种传输模式因而是时间上分离的，这样就可以被避免对工作节点100的任何干扰，工作节点100以TDMA模式发送数据并且优选的以TDMA模式从集中器200接收指令，指令被转发到这个外围节点110，事实上，优选地，在同一信道上以CSMA模式和TDMA模式执行数据传送，那么就有必要分配特定的时隙以避免干扰。
因而，这些时隙的分配便允许集中器200检测外围节点。为了做到这一点，外围节点110必须与集中器200和网络的工作节点100同步，使得他们具有公共的参考时间。一旦被集中器200检测到，外围节点可以被集成与工作节点100的网络相集成。
图2示出了一种在无线数据采集网络内数据的传输和确保集中器200检测外围节点110的组织示意图。该图的横坐标是时间T，网络的工作节点1，2，…，n，以及集中器200作为纵座标，工作节点标识为1，2，…，k，外围节点标识为1，2，…，m。
在图2中，曲线401表示工作节点100的网络中的工作节点K与外围节点110的集合中的外围节点1之间的数据交换。同样地，曲线402表示工作节点100的网络中的工作节点K-1与外围节点110的集合中的外围节点2之间的数据交换。这些外围节点110和工作节点100之间的数据交换以CSMA模式执行。
而且，曲线410和420分别代表工作节点1，2，…，n的网络内的两个数据包到集中器200的路由，这些数据包由外围节点发出，期望将所述外围节点连接到集中器200，以便于将他们集成到工作节点100的网络中。在工作节点100的网络中执行的数据包的路由是以TDMA模式执行的，并且优选地，由集中器200来组织。
曲线410和420各自生成一个指向集中器200的上行的固定的数据串，以便于尽快反馈数据。以一种相似的方式，集中器200以下行的固定数据串方式(未在图中示出)通过工作节点100的网络向外围节点110发送它的指示(指令)。
根据本发明的一个具体实施例，为了生成上行数据串，分配时隙使得当工作节点的网络的一个节点i处于发送模式，节点(i-1)处于接收模式，使其接收来自节点i的接收模式。然后另一个时隙分配给节点(i-1)，在该时隙内它发送数据给正处于接收模式的节点(i-2)，以此类推，如此往复。那些既不处于接收模式也不处于发送模式的节点就被设置为等待模式。
图3示出了一个无线数据采集网络的数据传输的组织架构的可变的实施例。在这个实施例中，以时间间隔(Δt)由节点向集中器发送的连续数据包的形式是数据串510和520，与图2中描述的相似。
但是，为了最好的利用整个带宽并且避免在节点一级发生拥塞，可以分几次发送节点的数据，例如，在图3的数据串510中分配了时隙601给节点2，在此期间后者按照数据串511发送其包含的数据的第一部分到节点3，剩余部分数据由节点2在后来的时隙602中发送到节点3。这些数据按照上行数据串512发送到集中器。显然，可以以多于两次的方式来发送工作节点所包含的整个数据。
在本发明的框架内，可以提供多个信道使得数据和/或指令可以在网络内传输，对于多信道(使用了多个无线电频率)，一个节点典型地在每两个时隙和频隙(frequency slot)中被分配一个时隙和频隙以发送数据，因而可以使得数据和/或指令的传输得到加速，而且，多个信道的使用可以限制干扰。特别的，在图2中可见(参考430为例)，节点10在同一时间接收源自节点i和节点i+3的数据，一方面，在节点i与节点10之间，另一方面在节点i+3和节点10之间，二者使用了不同的频率，这只能提高这些工作节点之间数据传输的质量。
多个信道的使用，可以特别地为其中的节点要接收、存储或发送大量数据和/或指令的网络的区域带来好处，在集中器附近，由于所有在每个节点一级采集的数据要发送给它，正属于这种情形，同样，当网络包含许多节点时，也属于这种情形。
在所有情形中，这种时间和频率缝隙的分配，是作为节点相对于集中器的地理的位置的函数来实现。
本发明的主题，描述了一种从外围节点访问数据采集设备的工作节点的网络的模式，从工作节点的网络中去掉一个工作节点，对这部分来说是很容易实现的，因为工作节点网络内的名为TDMA的传输模式可以通过不分配时隙来阻止一个节点发送数据。因此一个工作节点可以被分立出来，然后，断开连接而不打扰工作节点网络的正常操作。
本发明不限于其中一个集中器组织并且集中数据的地震领域的应用，可以根据这种精神扩展到任何范围。特别的，一个交换数据的节点网络中，如数据的目的地是该网络中的另一个节点，这与本发明一致，上述数据传输的受控组织可以由节点自身来完成。
最后，根据本发明的无线网络节点不限于数据采集设备，可以扩展到任何通信设备。

Claims (16)

1.一种用于地震应用的数据采集设备，包括一个无线网络，所述无线网络包括一个第一节点集合，称为网络的工作节点(100)以及一个第二节点集合，称为网络的外围节点(110)，所述网络用于实现外围节点(110)到工作节点(100)网络的访问，其特征在于，包括：
-用于根据数据和/或指令的第一传输模式，以一个被完美控制的方式来组织在工作节点(100)的网络内的数据和/或指令的路由的装置；
-用于根据数据的第二传输模式，在外围节点(110)和工作节点(100)之间传输数据的装置，所述数据和/或指令的第一传输模式与所述数据的第二传输模式是在时间上分离。
2.根据权利要求1所述的数据采集设备，其特征在于，每个外围节点(110)包括用于使其与网络中的工作节点(100)实现同步的基于卫星的定位系统。
3.根据权要求1或2所述的数据采集设备，其特征在于，该无线网络包括集中器(200)，用于以一个被完美控制的方式来组织在工作节点(100)的网络内的数据和/或指令的路由，检测外围节点(110)，以及分配时隙，在所述时隙中，所述外围节点(110)和工作节点(100)可根据数据的第二传输模式来向另一方传输数据。
4.根据权利要求3所述的数据采集设备，其特征在于，该集中器(200)通过向网络内的两个相邻工作节点连续地分配接收时隙和发送时隙，以组织工作节点(100)网络内的数据和/或指令的传输，这样便形成了一个数据串(410，420)和/或指令串。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的数据采集设备，其特征在于，该无线网络是以这样的方式来组织的：工作节点(100)分几次在工作节点(100)网络内，为数据和/或指令的传输进行自授权，这样便生成了多个数据串(511，512)和/或指令串。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的数据采集设备，其特征在于，该节点(100，110)包括用于在多个频率信道上发送和/或接收数据和/或指令的装置。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的数据采集设备，其特征在于，所述数据和/或指令的第一传输模式是TDMA模式。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的数据采集设备，其特征在于，所述数据和/或指令的第二传输模式是CSMA模式。
9.一种在无线网络中用于地震应用的数据采集方法，所述网络包括一个第一节点集合，称为网络的工作节点(100)以及一个第二节点集合(110)，称为网络的外围节点，所述网络用于执行外围节点(110)到工作节点(100)的访问，所述方法包括以下步骤；
-根据数据和/或指令的第一传输模式，以一个被完美控制的方式来组织在工作节点(100)的网络内的数据和/或指令的路由；
-根据数据的第二传输模式，在外围节点(110)和工作节点(100)之间传输数据，所述数据和/或指令的第一传输模式以及所述数据的第二传输模式是在时间上分离的。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤；
-根据所述数据的第二传输模式检测网络的外围节点(110)；
-将所述外围节点(110)与所述工作节点(100)的网络相集成。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述根据数据的第二传输模式检测网络的外围节点的步骤还包括：
-为外围节点(110)分配时隙，在所述时隙中，外围节点(110)和工作节点(100)可以根据所述数据的第二传输模式来向另一方传输数据时隙。
12.根据权利要求9-11中任意一项所述的方法，其特征在于，还包括步骤：
-通过向该网络内的两个相邻工作节点连续地分配接收时隙和发送时隙，以组织在所述工作节点(100)的网络内的数据和/或指令的传输，从而形成了一个数据串(410，420)和/或指令串。
13.根据权利要求9-11中任意一项要求的方法，其特征在于，包括下述步骤：
-通过分几次传输一个工作节点(100)内包含的数据和/或指令，组织在所述工作节点(100)的网络内的数据和/或指令的传输，这样便生成了多个数据串(511，512)和/或指令串。
14.根据权利要求9-13中任意一项所述的方法，其特征在于，包括下述步骤：
-在多个频率信道上从工作节点(100)发送和/或转发数据和/或指令；
-在多个频率信道上接收来自工作节点(100)的数据和/或指令。
15.根据权利要求9-14中任意一项所述的方法，其特征在于，所述数据和/或指令的第一传输模式是TDMA模式。
16.根据权利要求9-15中任意一项所述的方法，其特征在于，所述数据和/或指令的第二传输模式是CSMA模式，其与所述数据和/或指令的第一传输模式是在时间上相分离的。
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