无线传感器网络系统的设计

张家田+赵红伟+严正国

摘 要： 针对复杂的地理环境中地震数据采集多采用分布式无线采集系统，但是地震传感器布排的随机性和不确定性对地震波数据的采集有很大影响的问题。提出一种对加速度传感器姿态自校正的方法，其能够消除传感器安装位置的影响，提高地震数据质量。以C8051F020主控制器为核心，利用MEMS传感器模块采集地震波数据，通过Xbee? Pro无线射频模块实现无线数据传播，设计一种无线网络地震传感器系统。结果表明，该系统能够实现无线数据采集并对采集到的数据进行姿态校正，对复杂环境下地震波数据采集领域具有广泛的应用价值。

关键词： 姿态校正； MEMS传感器； 无线网络； 数据采集； 地震传感器

中图分类号： TN915?34； TP212.9 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0137?04

Design of a wireless network seismic sensor with posture self?correction

ZHANG Jiatian， ZHAO Hongwei， YAN Zhengguo

（MOE Key Laboratory of Photo Electricity Gas & Oil Logging and Detecting， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： Since the distributed wireless acquisition system is mostly adopted for seismic data acquisition in the complex geographical environment， and the layout randomness and uncertainty of the seismic sensor has great influence on the acquisition of the seismic wave data， a posture self?correction method for the acceleration sensor is proposed to eliminate the influence on the installation position of the sensor， and improve the quality of the seismic data. A wireless network seismic sensor system was designed， which takes C8051F020 master controller as the core， uses the MEMS sensor module to acquire the seismic wave data， and adopts the Xbee?Pro wireless RF module to transmit the wireless data. The result indicates that the system can acquire the wireless data and perform the posture correction for the collected data， and has a wide application value in the seismic wave data collection field in the complex environment.

Keywords： posture correction； MEMS sensor； wireless network； data acquisition； seismic sensor

0 引 言

针对复杂环境，由于其地表地形条件和地下构造的复杂性，以及地理环境的特殊性，使得地震资料的采集非常困难。随着地震勘探的对象越来越复杂，传统的地震勘探设备已经不能满足地震勘探要求，由此也对地震勘探技术和设备的进步与发展提出严峻的挑战[1?2]。近年来，随着MEMS （Micro?Electro?Mechanical System）传感技术、无线通信、片上集成系统（SoC）和低功耗嵌入式技术的飞速发展推动着地震勘探技术向着低功耗、低成本、布排量小、扩容性好等方向发展[3]。MEMS加速度传感器在低频响应和低噪声方面等要好于传统的地震检波器，但是地震传感器布排的随机性和不确定性对地震波数据的采集有很大的影响，如传感器埋置位置要求较高、振动干扰小等[4]。目前国内外对地震传感器的校正大多需要外部仪器辅助，在实际应用中给传感器的布设带来很多不便。例如国内学者将加速度传感器安装在精密光学分度头设备上，通过对比传感器参数进行标定，保持加速度计的敏感轴与分度头平行来降低安装误差[5]。还有学者利用精密直角标定架的方法对加速度传感器进行标定[6]。针对这个问题提出一种加速度传感器姿态自校正的方法，基于加速度传感器自校正方法设计的无线网络地震传感器最终能够消除加速度传感器安裝位置的影响。

1 加速度传感器姿态校正方法

目前采用的地震勘探主要手段仍然是基于纵波的传统地震方法，但是无线网络地震传感器在实际布设过程中的随机性和不确定性，使得地震波采集到的纵波分量出现偏差。本文提出一种基于测量纵波的加速度计姿态自校正的方法，可以自动识别安装方向和坐标旋转校正，校正后的加速度传感器能够消除传感器安装位置的影响。

加速度传感器姿态校正具体步骤如下：

（1） 识别安装方向，选取竖直坐标轴

传感器坐标系模拟图如图1所示，当地震传感器安装位置与重力加速的方向夹角为α时，重力加速度在x，y，z坐标轴产生投影分量，存在关系如下：

选取夹角最小的坐标轴为参考方向，即重力加速度投影最大的轴为参考方向。其中Gx，Gy，Gz分别为静止时重力加速度在x，y，z轴上分量的模，G为静止时重力加速度值；A为Gx，Gy，Gz最大值所对应的轴向，即选取的参考方向；GA为重力加速度在参考坐标轴上分量的模。

（2） 坐标旋转校正

由于静止和运动时参考轴向与重力加速度夹角不变，可以推导出静止时和运动时加速度数值存在相似比例的关系。

坐标旋转模型如图2所示，G为静止时重力加速度值，GA为重力加速度在参考坐标轴上分量的模，g为校正后加速度传感器运动时加速度值，gA为选取参考坐标轴处于运动状态时的加速度值。其中。

分别测得加速度计在参考轴静止和运动时两种状态的值GA和gA。由于不变，可以得出：

由式（2）关系可以得出校正后加速度传感器在运动状态下的数值g：

式中，为校正系数，通过校正系数对采集到的数据进行校正，校正后的数值减去重力加速度值就能得到的实际加速度值如下：

由式（4）就可以实现加速度传感器姿态自校正，进而将采集的数据转换为更为准确的数据。

2 系统方案设计

基于加速度传感器姿态自校正方法设计了具有姿态校正功能的无线网络传感器系统，该系统由无线地震采集单元和上位机控制单元组成，上位机控制单元通过无线模块下发控制命令和接收无线地震采集单元上传的采集数据，无线网地震采集单元主要由电源模块、MCU主控制器模块、MEMS传感器模块和无线模块组成。电源模块为主控制器和各模块提供3.3 V直流电压，无线模块负责采集单元与上位机的无线通信，主控制器模块负责整个系统的控制与数据处理任务，MEMS传感器模块负责采集地震波数据。无线网络地震传感器系统框图如图3所示。

2.1 MEMS传感器模块

系统采用的MEMS传感器模块为ADXL343，ADXL343是一款3轴、数字输出、低g加速度计，具有10～13位高分辨率，测量范围有±2g，±4g，±8g或±16g可选择，具有宽电源电压特性：2.0～3.6 V，具有高度10 000g的抗冲击能力，工作温度范围为-40～85 ℃。它具有体积小，功耗低等特点，芯片内部包含一个嵌入式存储器管理系统，采用32位先进先出（FIFO）存储器缓冲器，从而将主控制器功耗降至最低。系统通过SPI接口方式访问加速度传感器，数字输出的数据为16位二进制补码形式。

2.2 主控制器接口电路设计

选择C8051F020单片机作为系统的主控制芯片。该芯片使用Cygnal的专利CIP?51微控制器内核，完全兼容标准8051单片机指令集，工作温度范围大，功耗低，具有多种节能和停机方式，并且具有丰富的中断源，可以外接大量的数字或模拟外设，能够满足系统设计需求。C8051F020主控制器与外围接口电路设计如图4所示。主控制器与MEMS传感器模块通过SPI接口方式连接，主控制器与无线模块通过串口方式通信。无线模块还支持睡眠工作模式，工作模式的选择通过主控制器对模块的SLEEP_RQ引脚进行控制。

2.3 无线模块

系统采用的无线传输方案采用ZigBee技术，ZigBee技术是一种近距离、低成本、低功耗、数据传输安全性高、能自组网的无线通信技术[7]。无线模块实现整个无线地震传感器数据传输的关键组成部分，无线模块选用美国DIGI公司研发制造的Xbee?Pro无线射频传输模块，该模块具有低功耗、成本低、操作简单传输可靠、数据率低等特点。该芯片的接收灵敏度为-100 dB，供电电压为2.8～3.4 V，电路设计中选用3.3 V供电。

2.4 串口转USB模块

为了实现无线模块接收端和上位机能够通信功能，选择接口方便且集成度高的串口转USB接口电路。CP2102芯片能够实现USB端口传输端（D-和D+）与无线模块串口通信端口（TXD和RXD）之间的数据通信。CP2102串口转USB接口电路原理图如图5所示。

3 软件设计

系统主程序流程图如图6所示，待无线网络地震传感器野外布排好，系统默认为待机状态，上位机通过无线模块采用广播方式发送命令，只有ID号匹配的传感器进行采集和校正处理命令，地震传感器等待上传指令，上传有效数据。

MEMS传感器采集和自校正程序框图如图7所示，首先等待传感器初始化，读取传感器静止时3个轴向的加速度值gx，gy，gz；取gx，gy和gz的绝对值比较大小，选择其中最大值的轴向作为参考轴向，然后将最大值作为采集到地震纵波数据存储；传感器坐标轴还具有方向，根据数据的正负关系，进行方向校正；由传感器校正方法计算出校正系数并保存；读取传感器运动时的参考轴向数据，通过校正系数进行数据校正换算。

4 实验分析

系统经过调试后进行校正实验，实验中采集静止时重力加速度的数值来分析校正处理后的结果，每组数据采用取平均值的算法作为本次实验的采集数据。MEMS传感器数据格式为左对齐，选用±4g测量范围，输出为十六进制补码形式，传感器分辨率为7.8 mg/LSB。

实验中将加速度传感器任意位置摆放，随机抽取采集的8组传感器静止时加速度值。传感器校正后的实验数据如表1所示。

表1 采集数据处理

实验数据表明，实验样本数据的平均值为1.051 76 g，接近重力加速度；总体标准偏差的方差为0.000 32，表明数据离散度小。所以，地震传感器自校正算法可以消除加速度传感器安装位置的影响。

5 结 语

为进一步提高MEMS加速度传感器采集的数据质量，必须尽量减小加速度传感器的测量误差，而加速度传感器安装误差对采集到的数据具有很大影响。本文设计了具有姿态自校正功能的无线网络地震传感器系统，能够自动识别安装方向和对采集到的数据进行校正处理，测量纵波时能够消除加速度传感器安装位置的影响。系统具有功耗低、成本低、布排方便、扩容性好、采集精度高的特点，对地震勘探领域具有一定的参考价值。

参考文献

[1] 李怀良.复杂山地多波宽频带地震数据采集关键技术研究[D].成都：成都理工大学，2013.

[2] 王炳章，王丹，陈伟.油气地震勘探技术发展趋势和发展水平[J].中外能源，2011，16（5）：46?54.

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