一种大规模无缆地震仪的自组网系统及自组网方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探领域，具体是一种大规模无缆地震仪的自组网系统及自组网方法。

背景技术

地球物理勘探领域中最常用的仪器是地震仪，目前市场上的地震仪依然以传统有缆地震仪为主，不过近年来无缆节点式地震仪逐渐开始广泛的应用起来。例如加拿大DTCC公司的Smartsolo系列，中石油东方物探的Hawk系列，Fairfield公司的Zland系列。无缆地震仪以其良好的施工效率获得了众多客户的青睐，然而其无法实现实时质量监控成为了制约其进一步发展的主要因素。目前这类已经商用的无缆地震仪主要依靠蓝牙技术实现近距离单个通信，无法组成网络统一管理，需要操作人员靠近实现监控其状态。

针对此问题国内外的学者和厂家也进行了大量的研究。吉林大学的林君等人在CN104793531A中提出了基于北斗通信卫星和多跳网WIFI AD HOC链路的数据传输方案，然而此方案依赖于北斗通信卫星，在大规模无线地震仪的场景其总传输速率将大大超过卫星提供的通信能力，所以难以实现监控速率要求，并且和卫星通信经济成本非常高，对于大规模地震仪也不具备实际意义。吉林大学的陈祖斌等人在CN102230972A提出了两级无线传输方案，即采用中心主路由器和区域从路由器的结构，从路由器负责汇聚区域内的采集站所发送的数据，然后再一起发送到主路由器。多个从路由器可以实现将大范围区域分成多个较小区域，然后汇聚传输。这种方案在小区域内采用的是星型连接，每个采集站都直接连到从路由器。然而WIFI协议发射功率有限，采集站由于采用电池供电同样也要求其发射功率不能太大，所以普通节点单跳传输距离一般不超过100米，而油气勘探中地震传感器的间距在20米或者更大，这种结构下每个从路由器能覆盖的传感器数量就相当有限。并不适合大规模使用。同样西南石油大学的罗仁泽等在CN102307397A提出的方案也是基于一种静态链路的局部方案。法国Sercel公司的WTU-508陆上节点地震仪是为了配合其有缆地震仪一起使用，仅在一个小范围内实现无线传输。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大规模无缆地震仪的自组网系统及自组网方法，不依赖于其他的外部设备，实现野外大规模无缆地震仪的自组网能力。

本发明的技术方案为：

一种大规模无缆地震仪的自组网系统，包括有主控服务器、与主控服务器进行有线通信连接的主中心网桥、多个与主中心网桥进行无线通讯连接的区域中心网桥，大规模无缆地震仪组成无线多跳网络，无线多跳网络分为多组子网络，每组子网络均与对应的一个区域中心网桥进行无线通讯连接。

所述的主中心端网桥的RJ45以太网接口连接到主控服务器上。

所述的多个区域中心网桥通过5GHz WIFI天线与主中心网桥进行定向无线通信连接。

所述的每组子网络中，与对应的区域中心网桥无线通信质量最佳的无缆地震仪作为根节点，其它无缆地震仪作为子节点，子节点采用单跳或者多跳网络无线通信连接到根节点上。

所述的每个子网络内的多个无缆地震仪之间、多组子网络与对应区域中心网桥之间均采用2.4GHz WIFI天线进行无线通信连接。

所述的无缆地震仪均包括有STM32主处理器和连接于STM32主处理器上的WIFISOC芯片，每组子网络内的多个无缆地震仪的WIFI SOC芯片之间进行无线通信连接。

一种大规模无缆地震仪的自组网方法，具体包括有以下步骤：

(1)、架设配置网桥：主中心网桥的RJ45以太网接口连接到主服务器，在主服务器上登陆主中心网桥的管理界面，将其工作模式配置为AP模式，设置无线网络名称和密码，然后区域中心网桥上电后，同样登陆其管理界面，将其设置成Client模式，指定其需要点对点连接的主中心网桥并进行对应连接，从而将远端AP覆盖范围扩展到本地网桥范围、子网络的根节点通过区域中心网桥接入到主服务器上；

(2)、无线多跳网络选举根节点：首先所有未连入网络的无缆地震仪的WIFI SOC芯片都会发送WIFI信标帧，WIFI信标帧的内容主要是唯一的MAC地址和到区域中心网桥的RSSI值，所有的无缆地震仪都会扫描接收其他无缆地震仪发送的WIFI信标帧，在持续监听一段时间后，所有的无缆地震仪会根据相对于多个区域中心网桥的RSSI值选举多个对应的根节点，即根节点与对应的一个区域中心网桥的RSSI值最佳，然后将根节点与对应的区域中心网桥进行无线通信连接；

(3)、生成第二层节点：根节点确定并接入区域中心网桥之后，剩下的位于根节点范围内的子节点会开始连接根节点形成第一层中间层，第一层中间层内的子节点即为第一层父节点；

(4)、生成剩下的层：剩余的子节点会与第一层中间层内的父节点对应连接形成新二层中间层，新二层中间层内的子节点即为第二层父节点，然后将剩余子节点依次连接从而形成多层中间层，每层中间层内的子节点均为父节点，最后一层中间层内的每个父节点上均连接有对应的多个叶子节点。

所述的子网络中，当选取根节点或上一层父节点存在多个选择，则优先选择拓扑层数更低的、以及连接的子节点数更少的作为其根节点或父节点。

所述的多层中间层加上叶子节点一层的总层数不大于子网络中允许的最大层数。

本发明的优点：

本发明采用两级无线传输结构满足大规模无缆地震仪的无线自组网要求，使得无缆地震仪可以真正的实现大范围实时或者准实时传输地震数据或者是质量监控数据，使其达到或者部分达到油气勘探等对数据质量监控的规范要求。本发明克服了当前主流无缆地震仪完全无法监控数据或者是只能在较小覆盖范围内监控数据的重大缺陷，对无缆地震仪的进一步推广以及未来彻底取代有缆地震仪具有重要的意义。本发明采用局部多跳动态组网配合整体定向无线桥接的方式大大扩展了地震仪中无线局域网的覆盖范围，是一种真正现实有效且成本很低的方法。

附图说明

图1是本发明自组网系统的拓扑结构图。

图2是本发明实施例中无线多跳网络的数据传输图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1，一种大规模无缆地震仪的自组网系统，包括有主控服务器1、与主控服务器1进行有线通信连接的主中心网桥2、多个与主中心网桥2进行无线通讯连接的区域中心网桥3，大规模无缆地震仪按分布区域划分为多组，多组无缆地震仪组成无线多跳网络，无线多跳网络分为多组子网络4，每组子网络4均与对应的一个区域中心网桥3进行无线通讯连接。

其中，主中心端网桥2的RJ45以太网接口连接到主控服务器1上，主控服务器1可以实时监控地震仪状态；多个区域中心网桥3通过5GHz WIFI天线与主中心网桥2进行定向无线通信连接，从而实现所有子网络的数据汇总，使用5GHz频段是为了避免和无线多跳网络采用的2.4GHz频段产生干扰，从而实现将大批量的数据快速传输到主中心网桥2，因为采用了大的发射功率配合定向发射天线，网桥之间可以相距很远且保持高速传输；每组子网络4中，与对应的区域中心网桥3无线通信质量最佳的无缆地震仪作为根节点5，其它无缆地震仪作为子节点6，子节点6采用单跳或者多跳网络无线通信连接到根节点5上；每个子网络4内的多个无缆地震仪之间、多组子网络4与对应区域中心网桥3之间均采用2.4GHz WIFI天线进行无线通信连接；无缆地震仪均包括有STM32主处理器(STM32F417系统)和连接于STM32主处理器上的WIFI SOC芯片(乐鑫公司生产的ESP32-WROOM-32U系列)，STM32主处理器和WIFI SOC芯片采用UART接口连接，每组子网络4内的多个无缆地震仪的WIFI SOC芯片之间进行无线通信连接。

STM32主处理器完成所有无缆地震仪的相关外设管理，然后在应用层和WIFI SOC芯片通信，组网和路由相关的底层协议全部交给WIFI SOC芯片来实现。WIFI SOC芯片负责在根节点上实现标准以太网的TCP、IP、链路层、物理层协议以及多跳网的协议，在中间层父节点和叶子节点上仅需运行多跳网的协议和其他底层协议。整体软件协议层次和网络数据流如图2所示。

一种大规模无缆地震仪的自组网方法，具体包括有以下步骤：

(1)、架设配置网桥：以UBNT公司的产品B-DB-AC Bullet为例说明，主中心网桥2的RJ45以太网接口连接到主服务器1，在主服务器1上登陆主中心网桥2的管理界面，将其工作模式配置为AP模式，设置无线网络名称和密码，然后区域中心网桥3上电后，同样登陆其管理界面，将其设置成Client模式，指定其需要点对点连接的主中心网桥2并进行对应连接，从而将远端AP覆盖范围扩展到本地网桥范围、子网络4的根节点通过区域中心网桥3接入到主服务器1上；在两个地点之间架设了网桥，间距1.5公里，网桥距离地面大约2米，在地形有起伏的情形下实测得到了10Mbps的平均传输速率；

(2)、无线多跳网络选举根节点：首先所有未连入网络的无缆地震仪的WIFI SOC芯片都会发送WIFI信标帧，WIFI信标帧的内容主要是唯一的MAC地址和到区域中心网桥的RSSI值，所有的无缆地震仪都会扫描接收其他无缆地震仪发送的WIFI信标帧，在持续监听一段时间后，所有的无缆地震仪会根据相对于多个区域中心网桥的RSSI值选举多个对应的根节点5，即根节点5与对应的一个区域中心网桥3的RSSI值最佳，然后将根节点5与对应的区域中心网桥3进行无线通信连接；

(3)、生成第二层节点：根节点5确定并接入区域中心网桥之后，剩下的位于根节点5范围内的子节点会开始连接根节点形成第一层中间层，第一层中间层内的子节点6即为第一层父节点；

(4)、生成剩下的层：剩余的子节点6会与第一层中间层内的父节点对应连接形成新二层中间层，新二层中间层内的子节点即为第二层父节点，然后将剩余子节点6依次连接从而形成多层中间层，每层中间层内的子节点6均为父节点，最后一层中间层内的每个父节点上均连接有对应的多个叶子节点。

子网络4中，当选取根节点5或上一层父节点存在多个选择，则优先选择拓扑层数更低的、以及连接的子节点数更少的作为其根节点或父节点。

其中，多层中间层加上叶子节点一层的总层数不大于子网络4中允许的最大层数。

本发明区别于常规组网方式在于网络是动态组建和更新的，这一点在地震仪的野外实际布设具有非常重要的意义，因为如果是静态的拓扑结构，所有的地震仪必须按照自身的编号布设在一定的位置，在野外成百上千个地震仪如果这样布设需要耗费极大的人力。而引入了动态的无线多跳网络之后所有地震仪可以不加区分的任意布设在测点位置，另一方面无线多跳网络其稳定性也更好，其中一个节点断电或者掉线，其它子节点在经过一段时间后会重新选择其父节点或根节点，从而修复网络。

子网络4中，当选取父节点时存在多个选择，则优先选择拓扑层数更低的节点以及叶子节点更少的节点作为父节点。

实施例

采用20个无线地震仪进行线性排列，同时设定了每一层只允许有一个节点，这样组成了一个20跳的子网络，每两个无线地震仪的间距为20米。此时网络性能存在明显的波动，后面的节点会出现短暂没有数据上传的情形，但是网络总体性能正常，实测每个无线地震仪同时连续传输1MB数据的情形，平均每个无线地震仪的速率都达到了10KB/s的水平。此速率可以满足地震仪的数据传输需求。并且实际地震仪野外三维大规模布设时不会出现这样极端的线性排列，而是类似于矩形的布设，所以实际组网时小范围内的跳数会远低于20跳，一般限制在6跳以内，最终网络稳定性和吞吐率也会优于本实施例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。