摘 要： 介绍了一种基于无线数据采集的地震波定位系统设计方法。该系统以C8051F020单片机为主控芯片，利用GPS模块提供的PPS信号实现分布式采集系统的同步，利用无线射频模块XBee-Pro实现数据的无线传输。整个系统通过上位机进行实时控制。实验证明，该系统能够实现严格同步采集，整个采集系统工作稳定、操作简单，具有较高的工程应用价值。
关键词： 无线传输；数据采集；采集系统
0 引言
在靶场试验中，经常需要确定炮弹的落点，利用炮弹落地激起的地震波信号可以实现弹着点的定位；在安全监测领域，通过探测入侵目标引起的地面振动来实现目标识别及预警。但是，常规的有线地震采集系统在野外摆放排列、检查连线要耗费大量的时间和人力，而且在一些恶劣环境中无法进行地震数据的采集作业。针对有线地震采集系统在实际应用中存在的问题，本文提出了一种基于无线网络的自定位地震数据采集系统设计。
1 系统总体结构
地震数据采集系统在野外进行采集作业，要求系统体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、适合长时间的野外作业，系统设计时应选用低功耗、环境适应性强的芯片，结构设计应考虑适应野外复杂的环境。本文设计的地震数据采集系统包括通信控制中心和4个无线地震数据采集单元，系统总体设计框图如图1所示。
通信控制中心由MCU主控单元和无线通信模块组成，完成PC与无线地震数据采集单元之间的通信控制。无线地震数据采集单元由MEMS地震检波器、MCU主控单元、GPS授时与定位模块、无线通信模块和辅助单元组成，系统框图如图2所示。系统主要实现地震信号的采集、数据处理及无线传输。
地震数据采集系统有两种状态：休眠状态和工作状态。不工作时，系统处于休眠状态，降低功耗；当需要采集地震信号时，PC向通信控制中心发送唤醒命令，通信控制中心通过无线通信模块向无线地震数据采集单元发送唤醒命令，MCU主控单元接收到唤醒命令后控制整个数据采集系统由休眠状态转入工作状态。MEMS地震检波器拾取地震信号，经过调理和A/D转换电路，将拾取的振动信号转换成数字信号，GPS授时与定位提供采集系统的三维坐标信息和秒脉冲同步时钟信号，MCU主控单元将地震数据和坐标信息进行处理后，将数据通过无线通信模块实时传回到PC进行定位。辅助单元用于系统的状态显示。
2 系统硬件设计
2.1 无线地震数据采集单元硬件设计
2.1.1 地震数据采集部分
地震波在传播过程中，由于波前扩散、吸收效应、反射和折射等对地震波振幅、频率的影响，到达传感器的地震信号微弱，因此对地震检波器的灵敏度要求高。MEMS地震检波器体积小、功耗低、动态范围宽、灵敏度高、长期稳定性好，系统选用模拟输出的MEMS地震检波器。MEMS地震输出的地震信号微弱，而且有噪声，信号调理电路对地震信号进行缓冲、放大、滤波等，使其适合A/D转换输入。系统的A/D转换采用主控芯片自带的ADC，A/D转换采用单端输入，采样率为1 kHz。
2.1.2 主控单元
通过分析系统对各种资源的需求，MCU主控单元需要具有A/D转换、UART，并且功耗低、接口资源丰富、工作温度范围大、适合野外环境工作，因此本系统选用混合信号ISP Flash微控制器C8051F020作为MCU主控单元。C8051F020有一个片内8位SAR ADC（ADC0）、一个8通道输入多路选择开关和可编程增益放大器，该ADC工作在500 ks/s的最大采样速率时可提供真正的8位精度，INL为±1 LSB。另外，C8051F020采用高速、流水线结构CIP-51内核，峰值速度可达25 MIPS，具有多种节电休眠和停机方式，内部有硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个增强型全双工UART串行接口，工作温度范围为-45℃～+85℃，完全满足系统的设计需求。
2.1.3 GPS授时与定位模块
全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是全球性、全天候的卫星无线电导航系统，该系统向全球范围用户提供高精度的三维位置、速度和精确时间信息。每个自定位地震数据采集系统配备了GPS授时与定位模块，为系统提供同步时间基准和空间位置信息。系统自身可以实现静态自定位，定位精度可以达到cm级，省去了测量位置信息的工作，并能够为后续地震数据处理提供高精度的位置信息。GPS模块提供的秒脉冲输出在定位成功后会输出1 Hz的脉冲信号，该信号可作为系统的同步脉冲信号，采集电路的数据采样触发时刻与该同步脉冲信号对准，实现多个数据采集系统的同步采样。系统的GPS模块选用AiAge的AI-GPS-V04，内部芯片为UBLOX NEO 6M，波特率在4 800～115 200 Baud间任意配置，刷新率在1～5 Hz间任意配置。
2.1.4 无线通信模块
本设计中无线传输技术要保证无线地震数据采集单元之间的短程无线传输以及无线地震数据采集单元与通信控制中心之间的远程有效传输，而且采集单元之间可以无线自组网，即所有采集单元在开机后即可以快速、自动地组成一个独立的无线网络，网络的拓扑结构是动态变化的，每个采集单元既可以作为终端，也可以作为路由器，所有采集单元的地位平等，一起组成一个对等的网络。这样的无线网络结构，即使某一个采集单元出现故障，网络也可以自动发生拓扑结构变化，自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径，不会影响系统的正常工作，系统拓展简单。系统无线传输模式如图3所示。
系统的无线通信模块选用美国DIGI公司的远距离低功耗数传模块XBee-Pro DigiMesh 900M，该模块基于ZigBee协议，工作在ISM 900 MHz频率波段，支持睡眠路由器功能，简单拓扑，易于配置，传输距离达6 mile（10 km），可以组建Mesh网络[1]。该模块支持UART和SPI通信，系统选择UART串口通信。
2.1.5 主控单元与各模块接口设计
如图4所示，地震信号经过调理电路后，由8位SAR ADC的AIN1.0通道输入C8051F020进行A/D转换，转换完的数据暂存于片内寄存器。GPS模块的通信连接由数据TTL信号输入、数据TTL信号输出和秒脉冲输出完成，GPS模块配置完成后，由主控单元C8051F020控制，与主控单元UART0的TX0和RX0进行异步串行通信，实现定位信息的接收，秒脉冲输出接入主控单元的外部中断源/INT0，控制数据采集同步。无线模块的UART通信接口包括数据输入、数据输出、清除发送和请求发送。清除发送/CTS有效时，若串行接收缓冲区空间不足17 B时，则/CTS会被置高，主控单元停止发送数据；当串行接收缓冲区空间有34 B时，/CTS位恢复有效。请求发送/RTS有效时，无线模块串行传输缓冲区的数据将不会从DOUT口输出，但主机不能长时间使/RTS有效，否则串行传输缓冲区的空间将被占满，此时如果再收到RF数据，则收到的全部数据会被丢弃。
2.2 通信控制中心硬件设计
通信控制中心的主要功能是将PC发送的控制命令转发给无线地震数据采集单元，接收无线地震数据采集单元传回的数据并发送到PC进行数据后期处理。通信控制中心的MCU主控单元选用混合信号ISP Flash微控制器C8051F020，无线通信模块选择XBee-Pro DigiMesh 900M，主控单元与无线模块的通信通过UART实现，接口连接部分与无线地震数据采集单元相同。
3 系统软件设计
为了保证野外采集作业有足够的时间，系统必须耗电少，因此分布式自定位地震数据采集系统在野外排布好之后，上电系统进入休眠状态，等待唤醒。系统的工作状态由PC控制，通信控制中心转发控制命令，无线地震数据采集单元接收命令转入工作状态或进入休眠。系统主流程如图4所示。无线地震数据采集单元进入工作状态，采集地震数据并进行初步处理后将数据实时传回PC，系统接收到停止命令时，停止数据采集重新进入休眠状态。
3.1 GPS模块配置
GPS模块AI-GPS-V04通过UART串口与MCU主控单元完成数据传输。需要配置GPS的波特率、刷新率，GPS的配置需要通过USB转串口的TTL小板和u-center软件来完成，系统配置GPS波特率为9 600 Baud，刷新率为1 s。配置完成后，GPS模块每隔1 s按NMEA-0183标准协议输出GPS定位和时间信息，并在PPS接口输出1 kHz的脉冲信号[2]。
3.2 系统同步采集软件设计
由于无线传输延时、分布采集单元电路延时等因素会造成非同步采集，影响后期数据处理，因此高精度的时间同步技术是系统的关键部分。GPS模块可产生精确的PPS信号（50 ns～1 ns），并且与无线发送、中继和接收存在的时延无关。
4 结论
本文设计的系统具有GPS，能够自动记录采集点空间位置和自动同步采集，通过无线网络传输地震数据，根据首波到达时间推算震源位置，且系统在野外排列不受地形限制，可以极大地提高野外施工效率。本文研究了开发小规模的自定位地震数据采集系统网络关键技术，验证了自主相关技术及系统在实际应用中的可行性，为大规模的无线自定位地震数据采集系统无线网络数据传输技术及定位算法研究奠定了基础。
参考文献
[1] 陈湘平，房莉.基于ZigBee的数据采集系统设计[J].测控自动化，2009，25（4-1）：99-100.
[2] 任家富，李怀良，陶永利.地震数据采集无线同步技术研究[J].中国测试技术，2008，6（34）：2-3.