微震信號(hào)無線數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸接口的設(shè)計(jì)

HuanHuan BIAN YuDuo WANG

0 引言

微地震（礦震或微震），作為一個(gè)小的地震事件，通常定義為礦道附近壓力場(chǎng)巖石破裂或巖體變化所引起的地震事件?；诎l(fā)射學(xué)和地震學(xué)的微震監(jiān)測(cè)技術(shù)隸屬地球物理探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)核心在于通過觀測(cè)、分析微震事件來監(jiān)測(cè)生產(chǎn)和地下狀態(tài)的變化過程和結(jié)果。下面給出基本方法：首先，傳感器按照特定規(guī)則放置在井中或地表來接收來自背景或誘發(fā)微震事件的生產(chǎn)活動(dòng)信號(hào)；然后通過反演這些微震事件進(jìn)行微震源定位和計(jì)算一些其他參數(shù)；最后使用這些參數(shù)來控制或者指導(dǎo)生產(chǎn)。

與藍(lán)牙技術(shù)相似，Zigbee技術(shù)是新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)技術(shù)。此技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于短距離局域網(wǎng)的傳感器控制。其顯著優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單、工作頻率靈活、低功耗、低成本，以及高可靠性、自組網(wǎng)和自修復(fù)功能。近年隨著科技的發(fā)展，Zigbee已深深地融入到傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、信息處理和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中。

基于分組交換的通用無線分組業(yè)務(wù)（以下簡(jiǎn)稱GPRS）網(wǎng)絡(luò)是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。GPRS的基本功能是在移動(dòng)終端和因特網(wǎng)路由器間傳輸數(shù)據(jù)包。通俗地說，GPRS是一種基于現(xiàn)有GSM（全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)——譯注）基礎(chǔ)上的高速數(shù)據(jù)處理服務(wù)。此方法就是以 “分組”形式傳輸數(shù)據(jù)到用戶設(shè)備。理論傳輸速度最高可達(dá)171.2kbit／s。除高速傳輸外，GPRS還有永久在線、按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)勢(shì)。

如果在惡劣環(huán)境中（如偏遠(yuǎn)山區(qū)的礦井、采油井等）采用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊模式，由于條件限制架線及利于維護(hù)的前后接線費(fèi)用將大大提高。GPRS無線通訊技術(shù)是很好的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸解決方案，因?yàn)樵诖思夹g(shù)的幫助下遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)的建立可以沒有線路的限制，由不利環(huán)境因素（例如在偏遠(yuǎn)山區(qū)、氣候變化等等）引起的線路問題很容易得到解決，并且投資大大減少。同時(shí)此方法可以節(jié)省大量的人力和物力資源。

圖1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取原理

1 Zigbee和GPRS接口單元的總體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

按照實(shí)際需求，整個(gè)系統(tǒng)由幾個(gè)前端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。作為示例這里給出僅考慮一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊到終端節(jié)點(diǎn)的解決方案。整個(gè)設(shè)計(jì)包括用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)傳送到Zigbee中心節(jié)點(diǎn)和微震信號(hào)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)被傳送到計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心［1］。

1.1 Zigbee和GPRS之間的通信

前端數(shù)據(jù)采集工作方式如下：首先，由中心節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，之后網(wǎng)絡(luò)等待終端節(jié)點(diǎn)的加入。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接通電源后，其將會(huì)自動(dòng)尋找存在于本地的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)之后，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送其物理地址到中心節(jié)點(diǎn)，于是在中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間的通信連接便建立起來。在本文解決方案中采用最近推出的集成電路CC2530作為中心節(jié)點(diǎn)的核心。CC2530通過串口將中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊，由GPRS負(fù)責(zé)進(jìn)行TCP（傳輸控制協(xié)議——譯注）／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS基站，然后數(shù)據(jù)再被發(fā)送到服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（或者叫做SGSN）。SGSN與GPRS的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)在GGSN內(nèi)被處理，然后發(fā)送到因特網(wǎng)。連接到因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器最后負(fù)責(zé)接收返回的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取的系統(tǒng)示意圖如圖1所示［2］。

GPRS和因特網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)模式包括公網(wǎng)靜態(tài)IP、動(dòng)態(tài)域名解析、短信通信、專用APN線路等。在實(shí)際應(yīng)用中動(dòng)態(tài)域名解析模式是最常見的網(wǎng)絡(luò)模式。在此我們采用了動(dòng)態(tài)域名解析方案。在這種模式中，每次獲得服務(wù)的IP可能不同，但域名服務(wù)器能在它們之間建立關(guān)聯(lián)。此模式中，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的域名首先需要從域名服務(wù)提供商那里申請(qǐng)，然后域名被寫入GPRS模塊中。訪問因特網(wǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接到DNS服務(wù)器，向DNS服務(wù)器報(bào)告當(dāng)前獲取的動(dòng)態(tài)IP地址。接通電源后，GPRS模塊連接到具有域名地址模式的DNS，DNS即可自動(dòng)找出服務(wù)器的公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP。這樣，兩端即可相互通信［3］。

1.2 Zigbee和GPRS通信部分的整體設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

微震信號(hào)無線采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸接口電路的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。終端節(jié)點(diǎn)由微震信號(hào)傳感器、電源、CCS2530射頻芯片和PCB天線構(gòu)成。微震信號(hào)傳感器用于收集由微震產(chǎn)生的聲波信號(hào)，電源為終端節(jié)點(diǎn)工作提供能源。因?yàn)榻K端節(jié)點(diǎn)的功耗非常低，所以可采用紐扣電池供電。CC2530射頻芯片通過A／D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)，按照Zigbee協(xié)議經(jīng)由PCB天線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，完成微震信號(hào)的存儲(chǔ)和處理過程。

無線通訊接口電路由PCB天線、電源、CC2530射頻芯片、GPRS模塊（MG323）、SIM卡構(gòu)成。由于內(nèi)嵌了TCP／IP協(xié)議，此GPRS模塊能夠很容易實(shí)現(xiàn)與連接在因特網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)通信。電源為CC2530射頻芯片和GPRS模塊（MG323）提供能源。SIM卡需要開通GPRS的無線通信服務(wù)，這樣它才可以注冊(cè)到GPRS網(wǎng)絡(luò)。

天線負(fù)責(zé)通過射頻載波信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)通過天線傳送到基站，然后基站傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)，最后全部信息匯集到計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。

2 無線通訊接口單元的硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)是收集信息的站點(diǎn)。在終端節(jié)點(diǎn)中，完成傳感器的數(shù)據(jù)采集和傳輸工作，通過礦井中的微震事件可以監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)。

CC2530是一種真正的支持2.4GHz、IEEE 802.15.4、Zigbee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（縮寫為SoC）解決方案。CC2530支持主流2.4GHz直接序列擴(kuò)頻（縮寫為DSSS）射頻傳輸接口，含有一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051微控制器，同時(shí)有系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KB RAM和一些其他強(qiáng)大功能。CC2530有多種工作模式，非常適合于超低功耗需求的系統(tǒng)。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)示意圖

圖4 中心節(jié)點(diǎn)示意圖

終端節(jié)點(diǎn)的原理圖如圖3所示。

2.2 中心節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖5 程序流程圖

對(duì)信息采集系統(tǒng)來說中心節(jié)點(diǎn)即是命令中心，它負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)到上位機(jī)以及執(zhí)行上位機(jī)發(fā)給中心節(jié)點(diǎn)的控制命令。

中心節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊是無線通訊模塊MG323。

此模塊嵌入了TCP／IP協(xié)議，支持4個(gè)工作頻段：GSM850／900／1800／1900MHz，4 種 編 碼 方 案：CS－1，CS－2，CS－3，CS－4以及多個(gè)鏈路。

中心節(jié)點(diǎn)的示意圖如圖4所示［4］。

3 接口無線通訊軟件的設(shè)計(jì)

3.1 CC2530中心節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)

在一特定頻率，來自終端節(jié)點(diǎn)的信息被中心節(jié)點(diǎn)的CC2530芯片接收并通過MG323天線轉(zhuǎn)發(fā)出去。程序流程圖如圖5所示。

3.2 GPRS模塊接收、發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

MG323模塊支持標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口。AT指令規(guī)定，所有AT命令以字符 “AT”開始，每一命令行僅有一條AT指令。MG323提供了一個(gè)通用異步接收／發(fā)射（縮寫為UART）外部接口，CC2530通過這個(gè)接口發(fā)送AT指令完成與MG323的通信過程。

接通電源后，無線接口模塊需要首先初始化GPRS模塊。在初始化過程中，首先檢測(cè)GPRS模塊工作是否正常：AT指令“AT”通過串口被發(fā)送到 MG323，檢測(cè)通過MG323即返回 “OK”；然后檢測(cè)SIM卡是否工作正常：發(fā)送AT指令 “AT＋GSM”；最后配置APN參數(shù)：一組AT指令如 “AT＋CGDCONT＝1”、 “IP”、“CMET”等通過串口發(fā)送到MG323，從而完成GPRS模塊的初始化。

初始化后下一步就是連接GPRS模塊到網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)過程中，首先查詢GPRS信號(hào)的強(qiáng)度：通過串口發(fā)送AT指令 “AT＋CSQ”到GPRS模塊，如果信號(hào)足夠好，即可完成移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)。注冊(cè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)指令是 “AT＋CGREG？”或者 “AT＋CGEG？”：指令 “AT＋CGREG？”用于注冊(cè)本地網(wǎng)絡(luò)，指令 “AT＋CGEG？”用于注冊(cè)漫游網(wǎng)絡(luò)。第二步是初始化TCP／IP，相應(yīng)AT指令如下：“AT%ETCPIP＝ “USER”，“GPRS””：USER和GPRS在此分別代表用戶名和密碼，兩者都可由用戶按照需求設(shè)置。接下來要做的是選擇并解析域名、連接主機(jī)、發(fā)送AT指令A(yù)T%DNSR＝“域名”，最后連接到因特網(wǎng)。相應(yīng)指令如下： “AT%IPOPEN＝“TCP”，“DEST＿IP”， “DEST＿PORT””。在這些指令中，TCP表示TCP通訊模式，DEST＿IP和DEST＿PORT分別表示IP地址和端口號(hào)。

圖6 GPRS模塊配置流程圖

至此，完成了GPRS連接到網(wǎng)絡(luò)的過程。GPRS模塊配置流程圖如圖6所示。

在GPRS連接無線網(wǎng)絡(luò)后，它就可以與TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通訊。GPRS模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀模式為 “AT%IPSEND＝ “DATA””：這里 “AT%IPSEND＝”是開始 TCP／IP傳輸命令的起始字符串，DATA是要被發(fā)送的數(shù)據(jù)。GPRS模塊接收的數(shù)據(jù)幀格式是“%IP－ATA：＜LEN＞， “DATA””：這里“%IP－DATA：”是接收的數(shù)據(jù)幀頭，LEN字段表示接收到的字節(jié)數(shù)，占兩個(gè)字節(jié)，“DATA”是接收到的數(shù)據(jù)。

3.3 PC系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器的主要功能是接收和發(fā)送來自數(shù)據(jù)傳輸中心的命令和數(shù)據(jù)。PC監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)采用基于Socket通信機(jī)制TCP／IP協(xié)議導(dǎo)向的C／S結(jié)構(gòu)，程序使用微軟公司的Visual Studio 2008軟件平臺(tái)環(huán)境下的C＃編程實(shí)現(xiàn)。

Socket接口是一種TCP／IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序接口（API）。使用Socket接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊分4步：首先是建立一個(gè)Socket接口；第二是按照需求配置Socket，即連接Socket到遠(yuǎn)程主機(jī)或?yàn)镾ocket指定一本地協(xié)議端口；第三是按需求通過Socket發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；最后是關(guān)閉Socket。

部分Socket配置和連接程序如下：

IPAddress ServerIP＝IPAdress.Parse（“192.18.16.186”）；／／設(shè)置服務(wù)器的IP地址。

IPEndPoint Server＝new IPEndPoint（ServerIP，8866）；／／建立服務(wù)網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)。

Socket Sock＝new Socket（Address－Family.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp）／／建 立一個(gè)接口。

Sock.Bind（Server）；／／將接口和服務(wù)綁定。

Sock.Listen（8）；／／開始監(jiān)聽，連接隊(duì)列長度為8。

Socket connectsock＝sock.Accept（）；／／等待和發(fā)送連接請(qǐng)求的接口通訊。

接下來是對(duì)兩個(gè)指令的參數(shù)描述。

第一 個(gè) 是 “public int Send（byte ［］buffer，int size，SocketFlag socketFlags）”.它的參數(shù)如下： “buffer”代表被傳送的數(shù)據(jù)；“size”代表被傳輸數(shù)據(jù)量的大?。弧皊ocketFlags”值按位結(jié)合，給出Socket通信時(shí)用到的一些常數(shù)值。此命令的返回值是發(fā)送到Socket的字節(jié)數(shù)。

另一個(gè)是 “public int Receive（byte ［］buffer，int size，SocketFlage socketFlags）”。下面給出它的參數(shù)描述： “buffer”表示接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置； “size”代表接收到數(shù)據(jù)量的大小；“socketFlags”按位結(jié)合，給出Socket通信時(shí)用到的一些常數(shù)值。此命令的返回值是Socket接收到的字節(jié)數(shù)［6］。

4 結(jié)論

在移動(dòng)通訊行業(yè)中，GPRS技術(shù)被廣泛應(yīng)用，但在煤礦的工業(yè)應(yīng)用中還不常見。本文實(shí)現(xiàn)了基于GPRS與Zigbee技術(shù)的微震信號(hào)的無線數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，工作人員可通過計(jì)算機(jī)終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。此系統(tǒng)在礦井微震研究和應(yīng)用中具有非常重要的意義。此外，該解決方案也可用于其他領(lǐng)域無線模式的數(shù)據(jù)采集和傳輸中。

［1］Xiang－Dang Du，Miao Li And Ji－Hong Zhang，Design of remote wireless monitoring experimental system based on Zigbee and GPRS technique，Experimental Technology and Management，Vol.27，2010，pp.76－79.

［2］Shuai Chen，Xian－Xin Li，Ji－Xue Liu，Application of GPRS in remote communication system of the wireless sensor network，Piezoelectric and A－cousto－Optic，Vol.31，Issue 2，2009，pp.210－212.

［3］Liang Zhao，F(xiàn)eng Li，Application of GPRS wireless network in remote data acquisition，Computer Engineering and Design，No.9，2005.

［4］Chao－Qing Li，SCM principles and interface technique，3rdedition，Beijing University of Aeronautics and Astronautics 2005.

［5］Wei Peng，Microcontroller C programming language training 100case：simulation based on 8051＋proteus，Electronic Industry Press，Beijing，2009.

［6］Karli Watson，Christian Nagel，C＃entry－classic，5thedition，Tsinghua University Press，Beijing 2010.