基于NB-IoT的宽频带岩矿石标本频谱激电响应测试仪测控软件研发

doi:10.11720/wtyht.2022.1542

基于NB-IoT的宽频带岩矿石标本频谱激电响应测试仪测控软件研发

侯胜蓝^,¹^,², 陈儒军^,¹^,²^,³^,⁴, 王子辉¹^,², 刘志同¹^,², 刘瑨¹^,²

1.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙 410083

2.中南大学 AIoT(人工智能物联网)与地质地球物理创新创业教育中心,湖南长沙 410083

3.有色金属成矿预测与地质环境检测教育部重点实验室,湖南长沙 410083

4.有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室,湖南长沙 410083

Development of the NB-IoT-based measurement and control software for broadband SIP response testers for rock and ore specimens

HOU Sheng-Lan^,¹^,², CHEN Ru-Jun^,¹^,²^,³^,⁴, WANG Zi-Hui¹^,², LIU Zhi-Tong¹^,², LIU Jin¹^,²

1. School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083,China

2. AIoT Innovation and Entrepreneurship Education Center for Geology and Geophysics, Central South University, Changsha 410083,China

3. The Key Laboratory of Nonferrous Metal Mineralization Prediction and Geological Environment Detection of Ministry of Education, Changsha 410083,China

4. Hunan Key Laboratory of Non-ferrous Resources and Geological Disaster Exploration, Changsha 410083,China

通讯作者: 陈儒军(1973-),男,博士,副教授,主要从事地球物理仪器及信号处理研究工作。Email:chen.rujun@foxmail.com

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2021-09-27 修回日期: 2022-06-13

基金资助:

国家自然科学基金基础科学中心项目(72088101)

Received: 2021-09-27 Revised: 2022-06-13

作者简介 About authors

侯胜蓝(1998-),女,中南大学硕士研究生,主要从事电法、瞬变电磁法仪器的研制工作。Email:1875565461@qq.com

摘要

岩矿石标本频谱激电响应测试仪通过测量岩矿石标本的频谱激电特性,了解矿体与围岩的频谱激电响应差异,为找矿提供基础依据,在地球物理勘探中应用广泛。然而现有的岩矿石标本频谱激电响应测试仪在带宽、智能化、便携性、低功耗等方面存在不足,为解决这些问题,本文结合NB-IoT、蓝牙、Wifi等物联网技术设计出一款宽频带岩矿石标本频谱激电响应测控软件,实现了近程通讯、云端通讯、数据可视化、数据处理等功能。经过测试,该软件操作简单、运行稳定、人机交互友好、达到预期效果。

关键词： 频谱激电; 岩矿石; 标本; 测控软件; NB-IoT

Abstract

Spectral induced polarization (SIP) response testers for rock and ore specimens determine the SIP response differences between ore bodies and host rocks by measuring the SIP characteristics of rock and ore specimens, thus providing a basis for ore prospecting. They are widely used in geophysical exploration. However, the existing SIP response testers have shortcomings in terms of bandwidth, intelligence, portability, and power consumption. Given this, this study developed a piece of measurement and control software for SIP response testers based on the Internet of Things (IoT) techniques including NB-IoT, Bluetooth, and Wifi, realizing the functions such as near-field communication, cloud communication, data visualization, and data processing. The test results verify that the software can achieve the desired effect owing to its easy operation, stable running, and friendly man-machine interaction.

Keywords： spectral induced polarization; rock and ore; specimen; measurement and control software; NB-IoT

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本文引用格式

侯胜蓝, 陈儒军, 王子辉, 刘志同, 刘瑨. 基于NB-IoT的宽频带岩矿石标本频谱激电响应测试仪测控软件研发[J]. 物探与化探, 2022, 46(6): 1463-1469 doi:10.11720/wtyht.2022.1542

HOU Sheng-Lan, CHEN Ru-Jun, WANG Zi-Hui, LIU Zhi-Tong, LIU Jin. Development of the NB-IoT-based measurement and control software for broadband SIP response testers for rock and ore specimens[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(6): 1463-1469 doi:10.11720/wtyht.2022.1542

0 引言

频谱激电法作为频率域激电法(又叫复电阻率法,简称SIP),通过研究超低频段下观测的视复电阻率频谱特性与空间上的电性差异来推断异常体位置与信息^[1-2]。频谱激电法具有抗干扰能力强、电性参数多等优点,在勘探金属矿物^[3]、寻找地下水^[4]、检测环境污染^[5]等方面有广泛应用。

通过测量岩矿石标本的复电阻率和相位,能够了解矿体和围岩的电性差异,为找矿提供物性信息,还能为正反演提供基础依据^[6⇓-8]。然而现阶段在岩矿石复电阻率测量的研究方面还存在一些问题,首先市面上针对岩矿石标本频谱激电测量仪器较少,仪器较为笨重,操作困难,给岩矿石标本测试工作带来了诸多不便;其次,城市物探干扰源复杂,传统的频谱激电仪面临施工效率低、环境适应能力差等难题;再者,现有仪器的测量频带多集中在低频段,缺乏对高频段的研究^[9]。随着电子技术的发展,地球物理学者将物联网技术与Android开发技术运用到仪器研制中,推动仪器朝着轻量化和智能化方向发展^[10-11];近年来,就有王甫康等^[12]设计了基于WLAN无线通讯技术的节点地震数据传输系统,使地震仪摆脱了笨重电缆的束缚,提高了仪器的便携性,文尚石等^[13]设计了基于广域电磁接收机的Android端采集监控软件,实现人机交互好的智能手机实时监测电磁接收机,操作简单、携带方便。

针对现阶段岩矿石标本频谱激电响应测试仪器在便携性、智能化、环境适应能力方面的不足,本文开发出了一款用于宽频带岩矿石标本频谱激电响应测试仪的测控软件,在近距离时采用蓝牙实现命令下发、Wifi原始数据传输,在远距离时采用NB-IoT技术通过云平台实现数据流转,从而实现无线控制,提高仪器操作的灵活性,使仪器更加便携。

1 岩矿石标本测试仪测量原理

常见的标本频谱激电测量方式有:①非接触式测量法,标本与测量装置无物理接触,从而避免了接触过程中产生误差或损坏样本,该方法对仪器要求较高,使用较少。②接触测量法,标本与测量装置物理接触,该方法装置简单,成本较低。本文选用接触式四电极法进行测量,如图1所示,为标本测试仪的测量装置,AB两极供电,MN两极测量。

图1

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图1 岩矿石标本频谱激响应(复电阻率)测量原理

Fig.1 Schematic diagram of complex resistivity measurement for rock and ore specimen

标本的复电阻率的计算公式为:

(1)

ρ = \frac{U_{m} - U_{n}}{U_{a} - U_{1}} \times \frac{R}{K}

其中:U_m、U_n、U_a、U₁分别为M、N、A、A₁处对地的电势;R为取样电阻;K为装置系数。

2 测控系统总体设计方案

2.1 测控系统需求分析

测控系统分为3部分:下位机的嵌入式系统、上位机的Android端App、云端控制系统,根据宽频带岩矿矿石标本频谱激电响应测量需要,整个测控系统需求如下:

1)基于Android系统的岩矿石标本SIP响应测控App;运行在Android手机上,具有参数设置、命令下发、数据解析和文件存储等功能。

2)下位机软件设计;将采集端的上传数据发送至Android端App,将Android端App下发的指令发送到采集端。

3) 云端通信;嵌入式系统将数据上传到云平台,也能解析云平台下发的命令,Android端软件能够获取云平台数据,也能通过云平台下发控制指令。

4)近距离无线数据传输;使用蓝牙Wifi进行控制指令的发送与原始数据的传输,让仪器更加便携,减少野外工作者负担。

5)数据计算;采用傅里叶变换计算标本在不同频率下的复电阻率和相位。

6)数据可视化;实现实时成图,保证用户及时获取数据信息。

2.2 测控系统总体设计方案

基于NB-IoT的宽频带岩矿石标本频谱激电测试仪的采集控制系统总体设计如图2所示,主要以STM32F429处理器为控制核心,通过单片机上的无线通信模块与Android端完成信息交互。远距离通讯时,采集端通过单片机上的NB-IoT模块与华为物联网云平台取得连接,手机端与云平台通过5G/4G网络连接,从而实现远程发送控制指令与云端获取数据;近距离通讯时,手机端采用蓝牙发送控制指令到仪器,通过Wifi接收仪器采集的数据,完成近程信息交互^[14-15]。

图2

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图2 测控系统总体结构

Fig.2 Overall structure diagram of measurement and control system

3 下位机软件设计

下位机软件采用C语言开发,开发软件为Keil 5。下位机的软件设计主要包括对接云平台、命令解析、数据存储与上传3部分组成。

对接云平台任务:下位机采用NB-IoT模组与云平台进行交互,NB-IoT模组入网后,采用“AT+NMGS=<length>,<data>”指令发送数据,其中length为数据长度,data为字符串形式待发数据。

命令解析任务:命令解析程序负责解析Android端通过蓝牙或云平台发送到NB-IoT模组的控制指令并下发至采集端。Android端与下位机的解析协议如图3所示,采用64bit二进制码流表示。解析函数根据‘/’分割字符串,并将数据转换为对应格式后通过SPI发送到采集系统。

图3

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图3 指令协议解析格式

Fig.3 Instruction protocol parsing format diagram

数据存储与上传任务:为实现数据上传的实时性,采用边存储边发送的方法不断写入和读取SD卡中的数据,引入锁机制保证操作唯一性,从而解决数据写入和读取时可能发生的资源竞争问题。使用DMA双缓冲模式,实现不间断缓存,提高了数据的存储效率。数据上传即通过Wifi模块将数据传输至Android端,调用Wifi模块提供的接口函数完成。

4 云平台开发

本文选用的云平台为华为物联网云平台,相较于阿里云、电信云等其他物联网平台,华为云提供更丰富的接口和更强大的设备管理能力。云平台开发包括Profile开发和编解码插件开发^[16]。

Profile开发:Profile开发描述了设备的基本信息与服务能力。设备基本信息即定义产品名称、数据格式等信息。服务能力主要定义了仪器上报的数据(属性)和客户端下发的指令的消息格式,如表1所示为本文所定义的服务能力。

表1 产品属性和命令

Table 1 Product attributes and commands

	类型	描述
	Object	String	标本名
属性	Resistivity	String	电阻率
	Phase	String	相位
	Frequency	String	频率
命令	Status	String	仪器状态
	Config	String	配置指令

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编解码插件开发:NB-IoT模组具有低功耗特点,对省电有一定要求,所以设备侧数据以二进制格式传入云平台,而云平台和应用测开发则是采用JSON格式数据进行通信,故而在云平台进行编解码插件开发,完成二进制数据与JSON格式数据之间的相互转换^[17]。

5 上位机软件设计

上位机软件设计采用Java语言开发,开发环境为Android Studio + JDK1.8.0,采用的测试机为华为畅享20。上位机的软件集近、远程控制、参数设置与结果存储于一体,实现了近远程通讯、下发指令、实时接收数据、快速成图等功能。

5.1 软件主流程设计

如图4所示,为安卓端软件的主流程图,为使用户不错过云平台数据,本研究采用开启前台服务来监听云平台推送,在系统内存不足时仍保持运行,从而保证用户切出软件也能接收云平台数据。仪器有近程控制和远程控制两种控制模式,分别位于两个界面中,不同界面开始采集时开启不同工作线程,从而根据需求创建相对应的无线通讯连接,实现两种采集方式。在近程控制时,先进行蓝牙配对和Wifi配置,通过蓝牙发送配置信息与开始采集命令,客户端通过Wifi接收单频点数据,解析处理后进行可视化成图,采用循环配置采集的方法不断向下发送配置指令和接收上传数据,直到采集到最后一个频点后结束。在远程控制时,客户端向云平台发送连接请求,用开启的前台服务实时监听云平台推送数据,同样使用单频点循环采集配置的方法采集数据。

图4

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图4 安卓端App主流程

Fig.4 The main flow chart of the Android App

5.2 无线通信模块设计

5.2.1 近程通讯

近程通信主要使用蓝牙和Wifi与仪器进行信息交互,采用蓝牙进行指令的快速下发,采用Wifi将采集的大量数据传输到手机。两者的结合使用充分利用了Android手机的优势,提高了传输效率,降低了开发难度。

Wifi通讯使用广播实时监控Wifi状态,建立网络连接后利用套接字获取输入流,进而循环读取输入流数据,为后续存储成图做准备。Wifi通讯采用TCP/IP通讯协议进行数据传输,保证数据的可靠性,另外为数据添加了校验位,保证数据传输过程中不出现丢包问题,提高传输质量。

该软件与仪器的控制指令交互都是采用蓝牙来收发的,交互过程与Wifi传输并行,获取采集数据的同时能够接收蓝牙从仪器端传来的反馈信息,从而实时监控采集过程。

5.2.2 云端通讯

远程通讯采用HTTPS协议与云平台通信,使用OkHttp开源框架进行网络请求,减少请求次数,提高请求效率。OkHttp进行网络请求主要分为4步:①构建OkHttpClient对象;②构建Request对象,构造请求URI后发起Post请求将配置信息提交给云平台;③使用OkHttpClient 创建newCall并执行,从而获取Response对象;④分析Response对象,查看是否提交成功。

云平台选用AMQP订阅推送,在控制台创建订阅任务,云平台根据用户订阅的数据类型将消息发送到指定AMQP消息队列,客户端在远程控制界面初始化时创建一个服务(Service)启动AMQP客户端,用于监听云平台推送数据,循环获取AMQP队列中的消息。从云平台获取的数据为JSON格式,解析后采用广播接收并处理数据。

5.3 数据处理与智能扫频算法设计

本软件采用傅立叶变换计算电阻率和相位。App获取到标本各频点的测量数据后进行傅立叶变换,从而得到标本在该频点下的频率响应。本软件使用傅立叶变换库为JTransforms,是一个用Java语言编写的多线程傅里叶变换库。通过傅里叶变换计算出U_m,U_n,U_a和U₁,根据式(1)得到的振幅和相位即为当前频点下的标本复电阻率值和相位值。通过多次傅里叶后变换的均方差判断误差是否符合用户要求,满足要求则完成该频点测量,否则重新采集该频点。然后使用HelloCharts图表框架对数据进行成图可视化。

采用智能扫频算法进行自动测量控制,采集开始后,开启一个采集线程用于接收上传的数据,当数据量能做一次傅里叶变换时,通过Handler将消息传到主线程中,主线程再新建计算线程用于傅里叶变换,计算并存储电阻率和相位后发送更新UI消息。根据奈奎斯特采样定律设计信号频率与采样率的对应关系,如表2所示。

表2 采样频率、采样点数与信号频率关系

Table 2 Relationship among sampling frequency, sampling points and signal frequency

信号频率 f₁/Hz	采样频率 f₂/Hz	采样时间 t/s	采样点数 (N=f₂×t)	频率分辨率 (r=f₂/N)
f₁>50000	1250000	0.0032	4000	312.500
50000≥f₁>5000	625000	0.0064	4000	156.250
5000≥f₁>1000	312500	0.0128	4000	78.125
1000≥f₁>100	156250	0.5000	78125	2.000
100≥f₁≥1	78125	1.0000	78125	1.000

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5.4 界面设计

安卓端软件的UI设计基于Android的开发框架,结合Activity和Fragment绘制而成,通过滑动、点击等事件完成交互式响应,如图5所示。

图5

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图5 岩矿石标本SIP响应测试仪(a)近程控制、(b)参数设置和(c)远程控制安卓端软件界面

Fig.5 User interface of short-rang control(a),parameter setling(b) and remote control(c) in Android App for SIP tester for rock and ore specimens

近程控制界面由图表显示、频点信息、打印信息和控制按钮4部分组成,每完成一个频点测量,更新一次图表和频点信息,实时更新打印信息。远程控制界面与近程控制界面相似,由于远程控制传输数据速度慢,传输的原始数据有限,故而只显示频谱激电响应图。参数设置界面主要用于设置仪器的各种参数,主要分为标本参数、测量控制和标本信息3大模块。

6 软件测试

测试标本与其测量结果频谱激电响应SIP如图6、7所示。左y轴为电阻率,右y轴为相位,x轴为频率关于基数10的对数值,采用对数坐标轴,构图美观。

图6

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图6 黄铜矿标本相片(a)及其SIP响应(b)

Fig.6 SIP response of chalcopyrite specimen and its photo

图7

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图7 片岩标本照片(a)及其SIP响应(b)

Fig.7 Photo of schist(a) and its SIP response(b)

图6采用近程控制方法测量黄铜矿标本,得出如下结论:①振幅曲线都随着频率增加而下降;②相位为负值,曲线随着频率增加先上升后下降,且下降显著;综上,所得结果符合黄铜矿标本响应特性。

图7为通过云平台测量片岩标本的结果,得出如下结论:①本软件测量相位在-π/2~π/2,超过范围后要进行相位反转,反转后相位与原相位相差π,片岩不含矿,阻抗高,超过了-π/2,故而在高频出现了相位反转;②在50 Hz处存在工频干扰,数据受到了影响;③相位和振幅都随频率的增加而降低;综上,所得结果符合片岩标本响应特征。

测试表明,该测控系统软件能够实现远近程采集控制,将测量的岩矿石标本数据完整地显示在Android端App界面中,且能够取得较好的测量效果,反映岩矿石的频谱特性,验证了数据的准确性,Android端App人机交互好,界面切换流畅,达到预期效果。

7 结论

本文主要研究了基于NB-IoT技术的宽频带岩矿石标本频谱激电仪的测控软件开发,将窄带物联网、蓝牙、Wifi等网络通讯技术运用到仪器的测控系统研制中,并结合Android技术,实现了远近程接收数据、下发指令、成果显示、存储数据等功能,满足了仪器低功耗、便携式、实时成图要求。

致谢

感谢课题组成员姚红春、陈兴生、王小杰、李生杰对本研究的大力支持。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

曹中林, 昌彦君, 何展翔.

基于演化算法的复电阻率频谱参数反演

[J]. 工程地球物理学报, 2005, 2(1):33-38.