大型地震传感器网络仿真平台的实现-微电子学与固体电子学专业论文.docx

摘 摘 要 摘 要 石油是重要的战略物资，与国家的经济发展、政治安全和军事安全息息相 关，是制约国家发展的重要战略要素。因此，为了保障国家的石油安全，需要 减少我国对国外石油资源的依存度，需要建立自己的石油勘探产业链。而石油 勘探仪器是这个产业链中的重要一环。 目前地震勘探仪器为了满足高分辨率勘探的需求，普遍具有大道数、小道 间距、单站单道的特点，其数据传输系统本质上就是一种特殊的分布式传感器 网络。 传感器网络的系统架构、运行的操作系统、使用的网络协议，以及网络内 的分布式数据处理方式都与实际应用紧密相关。而且传感器网络负责感知的实 际物理世界也将一定的不确定性引入运行的网络。所以对于传感器网络，需要 对实际的应用进行全面的研究，包括使用的操作系统以及协议栈。通常单纯模 拟算法或协议是不够的。因为算法往往在网络仿真平台中实现，使用的都是特 定的网络仿真平台提供的特性，并没有考虑到运行节点的实际硬件特性和节点 上运行的操作系统的特性。由于忽略了这些与应用紧密相关的因素，在网络仿 真平台中很难模拟与操作系统或硬件紧密相关的特性，尤其是中断处理、任务 调度、内存管理这些基本的底层功能，而这些基本功能极大地影响了节点的行 为与效率。所以，有时候网络平台上行得通的算法或协议，在实际节点中的运 行效果并不理想，不利于整个系统仿真的完整性与逼真度。而且由于网络仿真 平台本身和实际系统的差异性，导致了算法或协议在仿真研究过程结束之后， 必须结合实际的应用重新实现，不利于代码的重用，加长了开发周期与代码维 护的工作量。研究人员不得不在对算法或协议进行改动之后，在不同的平台上 都实施一次同样的改动。受到实际节点的软硬件平台的限制，同样的目的往往 需要使用不同的方法。尤其对于传感器网络协议跨层设计的应用，要求可以直 接操作底层硬件，以便高效率地完成数据的传输。这使得与硬件平台紧密相关 的部分除了算法思想，具体实现几乎与网络仿真器中的实现完全不同，不利于 代码的复用。 基于以上考虑，本文使用多线程模拟多任务，信号模拟硬件中断的方法实 现了 FreeRTOS 模拟器，并将 FreeRTOS 模拟器与网络仿真器集成，构成了网络 仿真平台。在兼顾网络仿真器本身具有的扩展性的基础上，弥补了单纯使用网 络仿真器的不足，对传统网络仿真平台的完整性、逼真度以及代码的复用性方 面进行了增强。 本论文以大型地震传感器网络仿真平台的研究和实现为核心，总体分为六 I 大部分：绪论、高分辨率地震勘探、地震传感器网络、多任务嵌入式 OS 模拟 器的实现、FreeRTOS 模拟器与网络仿真平台的集成、总结与展望。 第 1 章作为绪论，介绍了油气勘探的方法，地震勘探仪器的发展历史，以 及当前地震勘探仪器用于数据传输的几种拓扑结构。结合当前第五代和第六代 地震勘探仪器使用的网络结构，给出了地震传感器网络的概念，并简要讨论了 网络的研究方法，以及采用仿真方法研究网络时，网络仿真器应该满足的特性。 为了克服当前网络仿真的不足，提出了论文的研究内容。 第 2 章从理论的角度讨论了地震分辨率的概念，不同的分辨率标准，分辨 率的定量计算方法，以及各种影响分辨率和地震传感器网络规模的因素。本章 也简要介绍了一些高分辨率地震勘探的方法，并定量计算了这些方法对道间距 的需求。最后，讨论了这些地震勘探方法对地震勘探仪器的影响，以及地震勘 探仪器的平均道数和数据传输方式的发展趋势。 第 3 章讨论了地震传感器网络的特点和设计时需要注意的问题，并简要介 绍了当前已经存在的很多用于传感器网络的路由算法和协议的跨层设计方法。 本章还讨论了目前第五代和第六代地震仪器系统采用的数据传输方式，并给出 了使用这些数据传输方式的代表仪器实例。在现有无线技术的基础上，结合全 无线地震勘探系统需要满足的特性，讨论了一种可能的全无线地震勘探仪器， 即全无线地震传感器网络的结构和使用的技术路线。最后指出，适用于地震传 感器网络的算法或协议的研究，以及地震传感器网络新结构的研究，都需要结 合网络仿真的方法。 第 4 章主要研究用于大型地震传感器网络仿真平台的嵌入式操作系统模拟 器的设计与实现。本章在讨论了适用于仿真平台的嵌入式操作系统的特点及需 求的基础上，介绍了适用于仿真平台的 FreeRTOS 系统，及 FreeRTOS 模拟器在 系统中所处的层次。在比较了不同的嵌入式操作系统模拟的实现方式之后，选 择了使用进程模拟的方式。采用线程模拟任务，信号模拟中断实现了 FreeRTOS 核心的模拟。采用异步 I/O 和层次化的设计实现了硬件外设的模拟。这种设计 方法还适用于其它轻量级多任务嵌入式操作系统的模拟。最终实现的 FreeRTOS 模拟器基本系统只消耗了 120KB 的内存，平均每个测试任务消耗了 10KB 左右 的内