摘 要： 介紹了一種基于無線數據采集的地震波定位系統設計方法。該系統以C8051F020單片機為主控芯片，利用GPS模塊提供的PPS信號實現分布式采集系統的同步，利用無線射頻模塊XBee-Pro實現數據的無線傳輸。整個系統通過上位機進行實時控制。實驗證明，該系統能夠實現嚴格同步采集，整個采集系統工作穩定、操作簡單，具有較高的工程應用價值。
關鍵詞： 無線傳輸；數據采集；采集系統
0 引言
在靶場試驗中，經常需要確定炮彈的落點，利用炮彈落地激起的地震波信號可以實現彈著點的定位；在安全監測領域，通過探測入侵目標引起的地面振動來實現目標識別及預警。但是，常規的有線地震采集系統在野外擺放排列、檢查連線要耗費大量的時間和人力，而且在一些惡劣環境中無法進行地震數據的采集作業。針對有線地震采集系統在實際應用中存在的問題，本文提出了一種基于無線網絡的自定位地震數據采集系統設計。
1 系統總體結構
地震數據采集系統在野外進行采集作業，要求系統體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、適合長時間的野外作業，系統設計時應選用低功耗、環境適應性強的芯片，結構設計應考慮適應野外復雜的環境。本文設計的地震數據采集系統包括通信控制中心和4個無線地震數據采集單元，系統總體設計框圖如圖1所示。
通信控制中心由MCU主控單元和無線通信模塊組成，完成PC與無線地震數據采集單元之間的通信控制。無線地震數據采集單元由MEMS地震檢波器、MCU主控單元、GPS授時與定位模塊、無線通信模塊和輔助單元組成，系統框圖如圖2所示。系統主要實現地震信號的采集、數據處理及無線傳輸。
地震數據采集系統有兩種狀態：休眠狀態和工作狀態。不工作時，系統處于休眠狀態，降低功耗；當需要采集地震信號時，PC向通信控制中心發送喚醒命令，通信控制中心通過無線通信模塊向無線地震數據采集單元發送喚醒命令，MCU主控單元接收到喚醒命令后控制整個數據采集系統由休眠狀態轉入工作狀態。MEMS地震檢波器拾取地震信號，經過調理和A/D轉換電路，將拾取的振動信號轉換成數字信號，GPS授時與定位提供采集系統的三維坐標信息和秒脈沖同步時鐘信號，MCU主控單元將地震數據和坐標信息進行處理后，將數據通過無線通信模塊實時傳回到PC進行定位。輔助單元用于系統的狀態顯示。
2 系統硬件設計
2.1 無線地震數據采集單元硬件設計
2.1.1 地震數據采集部分
地震波在傳播過程中，由于波前擴散、吸收效應、反射和折射等對地震波振幅、頻率的影響，到達傳感器的地震信號微弱，因此對地震檢波器的靈敏度要求高。MEMS地震檢波器體積小、功耗低、動態范圍寬、靈敏度高、長期穩定性好，系統選用模擬輸出的MEMS地震檢波器。MEMS地震輸出的地震信號微弱，而且有噪聲，信號調理電路對地震信號進行緩沖、放大、濾波等，使其適合A/D轉換輸入。系統的A/D轉換采用主控芯片自帶的ADC，A/D轉換采用單端輸入，采樣率為1 kHz。
2.1.2 主控單元
通過分析系統對各種資源的需求，MCU主控單元需要具有A/D轉換、UART，并且功耗低、接口資源豐富、工作溫度范圍大、適合野外環境工作，因此本系統選用混合信號ISP Flash微控制器C8051F020作為MCU主控單元。C8051F020有一個片內8位SAR ADC（ADC0）、一個8通道輸入多路選擇開關和可編程增益放大器，該ADC工作在500 ks/s的最大采樣速率時可提供真正的8位精度，INL為±1 LSB。另外，C8051F020采用高速、流水線結構CIP-51內核，峰值速度可達25 MIPS，具有多種節電休眠和停機方式，內部有硬件實現的SPI、SMBus/I2C和兩個增強型全雙工UART串行接口，工作溫度范圍為-45℃～+85℃，完全滿足系統的設計需求。
2.1.3 GPS授時與定位模塊
全球定位系統（Global Positioning System，GPS）是全球性、全天候的衛星無線電導航系統，該系統向全球范圍用戶提供高精度的三維位置、速度和精確時間信息。每個自定位地震數據采集系統配備了GPS授時與定位模塊，為系統提供同步時間基準和空間位置信息。系統自身可以實現靜態自定位，定位精度可以達到cm級，省去了測量位置信息的工作，并能夠為后續地震數據處理提供高精度的位置信息。GPS模塊提供的秒脈沖輸出在定位成功后會輸出1 Hz的脈沖信號，該信號可作為系統的同步脈沖信號，采集電路的數據采樣觸發時刻與該同步脈沖信號對準，實現多個數據采集系統的同步采樣。系統的GPS模塊選用AiAge的AI-GPS-V04，內部芯片為UBLOX NEO 6M，波特率在4 800～115 200 Baud間任意配置，刷新率在1～5 Hz間任意配置。
2.1.4 無線通信模塊
本設計中無線傳輸技術要保證無線地震數據采集單元之間的短程無線傳輸以及無線地震數據采集單元與通信控制中心之間的遠程有效傳輸，而且采集單元之間可以無線自組網，即所有采集單元在開機后即可以快速、自動地組成一個獨立的無線網絡，網絡的拓撲結構是動態變化的，每個采集單元既可以作為終端，也可以作為路由器，所有采集單元的地位平等，一起組成一個對等的網絡。這樣的無線網絡結構，即使某一個采集單元出現故障，網絡也可以自動發生拓撲結構變化，自動調整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑，不會影響系統的正常工作，系統拓展簡單。系統無線傳輸模式如圖3所示。
系統的無線通信模塊選用美國DIGI公司的遠距離低功耗數傳模塊XBee-Pro DigiMesh 900M，該模塊基于ZigBee協議，工作在ISM 900 MHz頻率波段，支持睡眠路由器功能，簡單拓撲，易于配置，傳輸距離達6 mile（10 km），可以組建Mesh網絡[1]。該模塊支持UART和SPI通信，系統選擇UART串口通信。
2.1.5 主控單元與各模塊接口設計
如圖4所示，地震信號經過調理電路后，由8位SAR ADC的AIN1.0通道輸入C8051F020進行A/D轉換，轉換完的數據暫存于片內寄存器。GPS模塊的通信連接由數據TTL信號輸入、數據TTL信號輸出和秒脈沖輸出完成，GPS模塊配置完成后，由主控單元C8051F020控制，與主控單元UART0的TX0和RX0進行異步串行通信，實現定位信息的接收，秒脈沖輸出接入主控單元的外部中斷源/INT0，控制數據采集同步。無線模塊的UART通信接口包括數據輸入、數據輸出、清除發送和請求發送。清除發送/CTS有效時，若串行接收緩沖區空間不足17 B時，則/CTS會被置高，主控單元停止發送數據；當串行接收緩沖區空間有34 B時，/CTS位恢復有效。請求發送/RTS有效時，無線模塊串行傳輸緩沖區的數據將不會從DOUT口輸出，但主機不能長時間使/RTS有效，否則串行傳輸緩沖區的空間將被占滿，此時如果再收到RF數據，則收到的全部數據會被丟棄。
2.2 通信控制中心硬件設計
通信控制中心的主要功能是將PC發送的控制命令轉發給無線地震數據采集單元，接收無線地震數據采集單元傳回的數據并發送到PC進行數據后期處理。通信控制中心的MCU主控單元選用混合信號ISP Flash微控制器C8051F020，無線通信模塊選擇XBee-Pro DigiMesh 900M，主控單元與無線模塊的通信通過UART實現，接口連接部分與無線地震數據采集單元相同。
3 系統軟件設計
為了保證野外采集作業有足夠的時間，系統必須耗電少，因此分布式自定位地震數據采集系統在野外排布好之后，上電系統進入休眠狀態，等待喚醒。系統的工作狀態由PC控制，通信控制中心轉發控制命令，無線地震數據采集單元接收命令轉入工作狀態或進入休眠。系統主流程如圖4所示。無線地震數據采集單元進入工作狀態，采集地震數據并進行初步處理后將數據實時傳回PC，系統接收到停止命令時，停止數據采集重新進入休眠狀態。
3.1 GPS模塊配置
GPS模塊AI-GPS-V04通過UART串口與MCU主控單元完成數據傳輸。需要配置GPS的波特率、刷新率，GPS的配置需要通過USB轉串口的TTL小板和u-center軟件來完成，系統配置GPS波特率為9 600 Baud，刷新率為1 s。配置完成后，GPS模塊每隔1 s按NMEA-0183標準協議輸出GPS定位和時間信息，并在PPS接口輸出1 kHz的脈沖信號[2]。
3.2 系統同步采集軟件設計
由于無線傳輸延時、分布采集單元電路延時等因素會造成非同步采集，影響后期數據處理，因此高精度的時間同步技術是系統的關鍵部分。GPS模塊可產生精確的PPS信號（50 ns～1 ns），并且與無線發送、中繼和接收存在的時延無關。
4 結論
本文設計的系統具有GPS，能夠自動記錄采集點空間位置和自動同步采集，通過無線網絡傳輸地震數據，根據首波到達時間推算震源位置，且系統在野外排列不受地形限制，可以極大地提高野外施工效率。本文研究了開發小規模的自定位地震數據采集系統網絡關鍵技術，驗證了自主相關技術及系統在實際應用中的可行性，為大規模的無線自定位地震數據采集系統無線網絡數據傳輸技術及定位算法研究奠定了基礎。
參考文獻
[1] 陳湘平，房莉.基于ZigBee的數據采集系統設計[J].測控自動化，2009，25（4-1）：99-100.
[2] 任家富，李懷良，陶永利.地震數據采集無線同步技術研究[J].中國測試技術，2008，6（34）：2-3.