野外地震勘探发展至今已有半个多世纪，自第一代电子管地震仪器诞生发展到目前超大规模集成电路24位全数字化遥测地震仪的广泛应用，采集站的数量从最初的几道增长到现在的几千道甚至几万道.目前：地震勘探数字地震仪按照地震数据传输方式可分为三种：有线遥测地震仪、无缆存储地震仪和无线遥测地震仪(郭建和刘光鼎，2009)，业内应用较多的是有线遥测地震仪，无缆存储地震仪则在天然地震监测中应用较广.由于野外地震勘探使用多道采集站分布式作业的特点，这对地震仪器的数据传输系统不断提出更高的要求，尤其是在大道数的情况下，无缆和无线地震仪省去了拉线盘线的任务，显然在施工效率上有着传统有缆地震仪无可比拟的优势(陈祖斌等，2006；杨泓渊，2009；陈瑛，2013；李怀良等，2013；张正峰，2013；牛雄伟等，2014；张帅帅等，2014；王肃静等，2015).无缆地震仪与无线地震仪最大的区别在于无法实时查看采集站的工作状态和回传数据进行质量监控，这为野外施工带来了诸多不便(郭建和刘光鼎，2009).随着无线通信和计算机技术的迅猛发展，近年来射频技术得到了广泛应用和研究，无线射频传输已成为地震勘探仪器数据传输和监测的重要手段之一(刘爱春等，2011；王晨等，2012；吴海超等，2012；鲍五堂等，2013；徐锡强等，2014；赵建刚等，2014)，比较常见的应用技术包括WiFi(嵇艳鞠等，2013)、ZigBee(吴蒋等，2008)、蓝牙、4G等，通过在采集站中加入射频模块来实现无线数据传输，其中ZigBee传输速率较低，蓝牙4.0还无法实现多设备的互联互通，4G成本高昂而未得到较广应用，而WiFi AdHoc(自组网)以较高的传输速率、低成本和实现难度小等优点使用较为普遍，然而以WiFi为传输基础的无线地震仪在实际应用中也暴露出一定不足，尤其是在施工环境复杂，电磁环境多变的情况下，容易出现无效节点，并且由于传输中断无法及时定位故障节点的具体位置而影响了施工效率和数据质量，本文从无线地震采集站可靠性出发，将WiFi模块与4G模块相结合，以WiFi作为大数据传输的媒介，以4G小数据量通信作为辅助监测手段，利用4G网络设施完善、强大的通信优势来及时发现无效采集站的当前状态信息、WiFi信号强度、传输速率和位置等信息，使在野外施工过程中能够及时发现问题并及时排除和快速定位故障节点，提高无线地震仪野外施工效率，使无线地震仪野外施工更具可行性和实用性，同时也为野外地震勘探采集设备提供强有力的技术支持.

一般意义上WiFi无线局域网是通过AP接入点互相连接各节点的，以星型结构为主，AP节点主要是报文转发，而AdHoc网络结构中不需要AP接入点，每一个接入的节点都具备报文转发能力，它具有无中心、自组织、节点间平等、可移动和多跳等特点，当某节点需要与其覆盖范围之外通信时，通过中间节点无线信道多跳共享来实现报文转发，这些特点使其更加适用于野外环境恶劣、远距离接力通信等领域.其频率范围从2401~2423 MHz，划分为14个信道.

AdHoc网络根据规模的大小一般分为平坦结构和树形结构，在平坦结构中，所有节点可呈线性排列，节点间地位平等，最远端节点可经多跳将报文转发至最近节点，其传输速率根据穿越的障碍物和当前电磁环境的干扰程度不同自适应从1 Mbs至54 Mbs之间，这一结构特点适用于无线地震仪单条测线滚动布局时的二维施工任务，其网络结构如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 AdHoc网络平坦结构 Fig. 1 AdHoc network flat structure

在树形结构中，由各节点通过选举算法计算每一级叶子节点的父节点，同时为父节点分配固定的接收和发送频率，如果分级较多，多个父节点会成为上一级的子节点，依次类推，可以组成规模较大的数传阵列，这一结构适用于三维施工多条测线排列的情况，其网络结构如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 AdHoc网络树形结构 Fig. 2 AdHoc network tree structure

4G是第四代移动通信及技术的简称，主要分为TD-LTE和FDD-LTE，中国移动通信主要使用的为TD-LTE时分双工技术，采用统一频率不同时隙来保证发射和接收数据，其上行速率为100 Mbps，下行速率为50 Mbps，频率范围主要是1880~1900 MHz、2320~2370 MHz、2575~2635 MHz，中国电信和联通采用FDD-LTE频分双工技术，采用两个对称频率信道分别发射和接收数据，信道间存在一定保护间隔，其上行速率为150 Mbps，下行速率为40 Mbps，其频率范围分布在2370~2390 MHz、2635~2655 MHz、2300~2320 MHz、2555~2575 MHz.4G网络结构一般分为物理层、中间层和应用层，物理层提供终端接入和路由选择，中间层负责网络地址转换、区域性基站协调和管理等，应用层主要集成多模终端接口及自动接入物理层等.4G网络作为一种无线接入网成为Internet的一部分，具有开放、灵活的结构、易于扩展、覆盖范围广、信号稳定等特点，即使在高速移动中的终端也可以随时接入系统并在不同区域间无缝切换实现数据传输.但由于其前期建设投入成本巨大，使用成本相对较高，目前还无法满足无线地震仪海量数据实时传输的需求，在无线采集站中加入4G通信模块主要用于监测系统各项参数，弥补由于WiFi网络失效中断传输时即时定位问题节点，尽快排除问题，保证野外施工效率.

无线采集站的数据监控及回传主要是通过连接的WiFi模块完成的，采集站实现接入无线网络并完成传输需要严格遵循IEEE802.11协议通用标准，WiFi标准工作频率为2.4 GHz，与蓝牙等设备共享同一频段，经过十几年的发展至今，WiFi已经推出了802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等标准.WiFi模块通常由射频处理单元(RF)、基带处理单元(BBP)、网络接口控制器(NIC)和天线等模块组成，发送数据时，首先由主控程序将数据发送给NIC，然后又基带处理单元进行调制扩频并进行发达滤波，最后将信号送出RF发射出去，其接收过程与上述相反.在嵌入式系统中，WiFi模块以USB接口和SDIO接口接入比较常见，WiFi模块选择主要以稳定可靠、低成本、低功耗为主要依据，同时WiFi模块应易于MCU控制、易于嵌入式系统驱动移植和支持AdHoc网络模式.这里使用雷凌公司RT73无线模块，该模块具有以下特点：

(a)采用RT2571作为基带的核心处理芯片，支持IEEE802.11a/b/g，通讯距离50~300 m；

(b)采用USBHOST PORT作为与主控芯片的通信接口，支持USB1.1、USB2.0；

(c)自适应6，9，12，18，24，36，48，54 Mbps传输速率；

(d)支持TCP、UDP、SNMP等软件协议；

(e)支持AP接入、WiFi AdHoc.

4G模块是指能够自动寻找并连接4G网络在主控芯片的控制下收发数据的功能模块，在本系统中其主要功能是辅助采集站通讯和监控采集站的工作状态，在采集站由于环境因素成为无效节点时，仍然可以通过4G通讯模块与中央主机取得联系，并汇报当前采集站的各项参数和采集状态，使中央主机能够及时根据采集站状态、位置和WiFi信号强度来查找采集站传输失效原因并进行相应调整，由于并不承担大数据传输的任务，因此本系统选用比较常用的中兴ME3860模块，图 3为其连接示意图，其性能参数如下：

(a)支持网络：TD~LTE/FDD-LTE/UMTS/GSM；

(b)频段：1880~2660 MHz；

(c)工作温度：-10~60 ℃；

(d)工作电压：3.8 V；

(e)接口：mini-PCIE；

(f)数据接口：UART/USB2.0；

(g)驱动支持：Windows、Linux2.6.20 Later.

图 3

Fig. 3

图 3 ME3860连接示意图 Fig. 3 Schematic diagram of ME3860 connection

本系统Cirrus Logic公司EP9312(ARM920T)作为主控处理器，此款处理器具备丰富的外围接口，包括3端口USB2.0 HOST POST和多个UART及SPI，能够满足同时接入WiFi模块和4G模块的需要，通过外接64MB NAND Flash存放Bootloader、启动参数、内核和系统文件组成系统运行核心，通过SDIO接口加入16 G外部TF存储器用于存储采集 数据，将ME3860模块的mini-PCIE接口转换为USB端口并接入主控芯片，通过安装PPP拨号驱动和使用AT Comm and 来与中央主机进行通讯.RT73模块也通过USB接口完成与主控芯片相的连接，由主控程序向RT73发送符合802.11的MAC数据帧，同时定时轮询RT73有无数据到来并做相应处理，GPS模块负责野外定位和为采集站提供1PPS驯服时钟源实现分布式同步采集数据，由电源管理模块提供整个系统正常运行及过压保护，本系统硬件框图如图 4所示 ：

图 4

Fig. 4

图 4 无线地震采集站硬件结构 Fig. 4 The hardware structure of wireless seismic acquisition station

4G模块和WiFi模块的驱动程序都是建立在USB驱动之上的驱动模块，USB驱动实现了不同设备与主控芯片的数据传输细节.USB通信模型主要由功能层、设备层、总线接口层组成，功能层主要实现设备的通用访问功能，设备层主要提供系统访问特定设备的抽象接口并由驱动程序来具体实现这些接口，总线接口层提供了主控MCU与设备的物理连接，应用层控制程序必须通过系统软件接口调用来与USB总线通信并实现特定设备的访问，在本系统中使用Libusb开源库来实现操作系统与USB设备的通信，Libusb的安装比较简单，直接使用make install命令编译安装并通过export PKG_CONFIG_PATH设置好环境变量即可.如果使用Linux2.6.18版本之后的系统内核，则不需要另外安装驱动，只在编译内核过程中选择USB support，然后选择USB Serial Converter support，最后选择USB Generic Serial并设置Usb驱动的PID和VID即可.

(1)在嵌入式系统中，WiFi模块的控制和管理主要由模块中的MAC芯片固件来完成，同时也由固件向驱动程序提供了功能API，Linux内核层对所有的网络设备驱动程序进行了接口抽象定义，统一使用net_device结构来表示，整个接口的工作机制由探测设备、注册设备、打开设备、接收和发送数据、关闭设备和注销设备来完成，每一个操作都对应到net_device结构体固定的函数地址上，在安装设备驱动时，由驱动程序完成与这些函数地址的映射，然后通过内核的发现与回调机制来完成数据的收发.

(2)设置无线网卡AdHoc功能，首先修改RT73STA目录下的预编译脚本，将NetworkType设置为AdHoc模式，将ESSID设置为相同的SSID，然后通过交叉编译重新编译rt73.ko文件，并使用insmod安装新编译后的模块，此时无线采集站已经具备AdHoc功能，当多个无线采集站处于信号覆盖范围内时即可以平等的方式建立路由表并实现互联互通.

(3)也可以通过移植Wireless Tools for Linux工具来对无线网卡进行配置，使各采集站终端同处于一个AdHoc网络中.

(1)通过编译驱动并使用insmod命令将4G模块驱动程序加入系统内核.

(2)为Linux内核安装PPP拨号支持，当4G模块安装完成后，需要通过PPP拨号的方式实现连接4G网和互联网，PPP有早期的SLIP发展而来，主要由链路控制协议(LCP)，网络控制协议(NCP)和扩展协议组成，其中LCP用于链路两端协商配置信息，保证复杂网络环境下的远程通信，NCP提供网络层的数据交换，扩展协议主要用于网路通讯安全保障.为实现PPP通信，需要在内核编辑阶段选中PPP协议模块的相关驱动选项，使用make menuconfig命令选中Network device support下的所有与PPP相关的选项并重新编译内核.

目前地震仪野外施工主要包括二维和三维两种方式，二维施工主要指所有采集站以线性方式由远及近排列部署至中央主机，三维施工一般是在二维施工排列的基础上平行部署多条测线进行采集，此类排列方式决定了所有中间采集站除了发送自己的采集数据外同时也作为远端采集站的报文转发设备，测线上最大传输速率取决于无线信号不好区域的最高传输速率，并且在测线较长的情况下还需要采集站滚动接收，因此测线上区域性WiFi信号强度监测及提高是保证施工高效运行的有力手段，本系统通过4G通信来辅助这一功能实现，在WiFi信号中断的情况下仍然能够监测测线传输问题并准确定位，避免了盲目排查传输系统问题造成效率低下的影响.

无线地震采集站集成了4G模块和WiFi模块后的组网如图 5所示，由于采用了WiFi AdHoc模式快速自组网实现了多采集站至中央主机的接力通信，在野外部署时只需根据施工桩号部署采集设备而不用考虑数据传输压力、多径等问题，同时通过在无线采集站中配置4G通讯模块可以随时监控系统的电源信息、WiFi连接信息和信号强度、GPS坐标信息、仪器采集状态信息等，而这一功能的实现完全不依赖于原有的WiFi通信模式，并且在没有GPS信号的状态下也可以通过4G模块的A-GPS功能随时监测采集站并进行辅助定位，以随时获知采集站的具体方位，这对于无线设备的野外施工安全也起到了一定的作用，另外在不具备4G通讯的区域，也可通过3G、2G、SMS短信息的方式将无线站状态信息传至中央主机来达到同样的监测目的，当无线采集站中出现无效节点时，可根据4G网络传回的状态信息及时定位到采集站位置，通过故障分析，及时采取换站、架设外接天线、转换WiFi频率等手段解决问题，使无线采集站在野外施工中具有更高的可靠性和可恢复性.

图 5

Fig. 5

图 5 集成4G模块和WiFi模块后的无线采集站组网 Fig. 5 The wireless acquisition station network after integrated 4G module and WiFi module

地震勘探的快速发展对地震仪的技术装备提出了越来越高的要求，面对越来越复杂的施工环境和越来越大的施工领域及工程量，无线地震仪的发展越来越受到业内的重视，其中无线地震仪的数据传输与监控的可靠性是一项技术难题，通过组合利用Wi-Fi模块与4G通信模块相结合的无线监测传输方案以及4G网络定位监测技术，使不同的通信方式优势互补，为无线地震仪在复杂施工环境中 稳定可靠的实施采集任务设计出新的监测手段和方法，使WiFi无线地震仪施工组网方式更直观和快捷，提高了无线地震仪野外施工效率，使无线地震仪野外施工更具可行性和实用性，同时也为野外地震勘探采集设备提供强有力的技术 支持.

致 谢 感谢审稿专家提出的宝贵修改意见和编辑部的大力支持！