侯勝藍，陳儒軍，3，4，王子輝，劉志同，劉瑨

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.中南大學 AIoT(人工智能物聯(lián)網(wǎng))與地質(zhì)地球物理創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中心，湖南 長沙 410083;3.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境檢測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083；4.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410083)

0 引言

頻譜激電法作為頻率域激電法(又叫復電阻率法，簡稱SIP)，通過研究超低頻段下觀測的視復電阻率頻譜特性與空間上的電性差異來推斷異常體位置與信息[1-2]。頻譜激電法具有抗干擾能力強、電性參數(shù)多等優(yōu)點，在勘探金屬礦物[3]、尋找地下水[4]、檢測環(huán)境污染[5]等方面有廣泛應(yīng)用。

通過測量巖礦石標本的復電阻率和相位，能夠了解礦體和圍巖的電性差異，為找礦提供物性信息，還能為正反演提供基礎(chǔ)依據(jù)[6-8]。然而現(xiàn)階段在巖礦石復電阻率測量的研究方面還存在一些問題，首先市面上針對巖礦石標本頻譜激電測量儀器較少，儀器較為笨重，操作困難，給巖礦石標本測試工作帶來了諸多不便；其次，城市物探干擾源復雜，傳統(tǒng)的頻譜激電儀面臨施工效率低、環(huán)境適應(yīng)能力差等難題；再者，現(xiàn)有儀器的測量頻帶多集中在低頻段，缺乏對高頻段的研究[9]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，地球物理學者將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與Android開發(fā)技術(shù)運用到儀器研制中，推動儀器朝著輕量化和智能化方向發(fā)展[10-11]；近年來，就有王甫康等[12]設(shè)計了基于WLAN無線通訊技術(shù)的節(jié)點地震數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，使地震儀擺脫了笨重電纜的束縛，提高了儀器的便攜性，文尚石等[13]設(shè)計了基于廣域電磁接收機的Android端采集監(jiān)控軟件，實現(xiàn)人機交互好的智能手機實時監(jiān)測電磁接收機，操作簡單、攜帶方便。

針對現(xiàn)階段巖礦石標本頻譜激電響應(yīng)測試儀器在便攜性、智能化、環(huán)境適應(yīng)能力方面的不足，本文開發(fā)出了一款用于寬頻帶巖礦石標本頻譜激電響應(yīng)測試儀的測控軟件，在近距離時采用藍牙實現(xiàn)命令下發(fā)、Wifi原始數(shù)據(jù)傳輸，在遠距離時采用NB-IoT技術(shù)通過云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)無線控制，提高儀器操作的靈活性，使儀器更加便攜。

1 巖礦石標本測試儀測量原理

常見的標本頻譜激電測量方式有：①非接觸式測量法，標本與測量裝置無物理接觸，從而避免了接觸過程中產(chǎn)生誤差或損壞樣本，該方法對儀器要求較高，使用較少。②接觸測量法，標本與測量裝置物理接觸，該方法裝置簡單，成本較低。本文選用接觸式四電極法進行測量，如圖1所示，為標本測試儀的測量裝置，AB兩極供電，MN兩極測量。

圖1 巖礦石標本頻譜激響應(yīng)(復電阻率)測量原理

標本的復電阻率的計算公式為：

，

(1)

其中：Um、Un、Ua、U1分別為M、N、A、A1處對地的電勢；R為取樣電阻；K為裝置系數(shù)。

2 測控系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1 測控系統(tǒng)需求分析

測控系統(tǒng)分為3部分：下位機的嵌入式系統(tǒng)、上位機的Android端App、云端控制系統(tǒng)，根據(jù)寬頻帶巖礦礦石標本頻譜激電響應(yīng)測量需要，整個測控系統(tǒng)需求如下：

1)基于Android系統(tǒng)的巖礦石標本SIP響應(yīng)測控App；運行在Android手機上，具有參數(shù)設(shè)置、命令下發(fā)、數(shù)據(jù)解析和文件存儲等功能。

2)下位機軟件設(shè)計；將采集端的上傳數(shù)據(jù)發(fā)送至Android端App，將Android端App下發(fā)的指令發(fā)送到采集端。

3) 云端通信；嵌入式系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，也能解析云平臺下發(fā)的命令，Android端軟件能夠獲取云平臺數(shù)據(jù)，也能通過云平臺下發(fā)控制指令。

4)近距離無線數(shù)據(jù)傳輸；使用藍牙Wifi進行控制指令的發(fā)送與原始數(shù)據(jù)的傳輸，讓儀器更加便攜，減少野外工作者負擔。

5)數(shù)據(jù)計算；采用傅里葉變換計算標本在不同頻率下的復電阻率和相位。

6)數(shù)據(jù)可視化；實現(xiàn)實時成圖，保證用戶及時獲取數(shù)據(jù)信息。

2.2 測控系統(tǒng)總體設(shè)計方案

基于NB-IoT的寬頻帶巖礦石標本頻譜激電測試儀的采集控制系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2所示，主要以STM32F429處理器為控制核心，通過單片機上的無線通信模塊與Android端完成信息交互。遠距離通訊時，采集端通過單片機上的NB-IoT模塊與華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺取得連接，手機端與云平臺通過5G/4G網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)遠程發(fā)送控制指令與云端獲取數(shù)據(jù)；近距離通訊時，手機端采用藍牙發(fā)送控制指令到儀器，通過Wifi接收儀器采集的數(shù)據(jù)，完成近程信息交互[14-15]。

圖2 測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件采用C語言開發(fā)，開發(fā)軟件為Keil 5。下位機的軟件設(shè)計主要包括對接云平臺、命令解析、數(shù)據(jù)存儲與上傳3部分組成。

對接云平臺任務(wù)：下位機采用NB-IoT模組與云平臺進行交互，NB-IoT模組入網(wǎng)后，采用“AT+NMGS=,”指令發(fā)送數(shù)據(jù),其中l(wèi)ength為數(shù)據(jù)長度，data為字符串形式待發(fā)數(shù)據(jù)。

命令解析任務(wù)：命令解析程序負責解析Android端通過藍牙或云平臺發(fā)送到NB-IoT模組的控制指令并下發(fā)至采集端。Android端與下位機的解析協(xié)議如圖3所示，采用64bit二進制碼流表示。解析函數(shù)根據(jù)‘/’分割字符串，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)格式后通過SPI發(fā)送到采集系統(tǒng)。

圖3 指令協(xié)議解析格式

數(shù)據(jù)存儲與上傳任務(wù)：為實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的實時性，采用邊存儲邊發(fā)送的方法不斷寫入和讀取SD卡中的數(shù)據(jù)，引入鎖機制保證操作唯一性，從而解決數(shù)據(jù)寫入和讀取時可能發(fā)生的資源競爭問題。使用DMA雙緩沖模式，實現(xiàn)不間斷緩存，提高了數(shù)據(jù)的存儲效率。數(shù)據(jù)上傳即通過Wifi模塊將數(shù)據(jù)傳輸至Android端，調(diào)用Wifi模塊提供的接口函數(shù)完成。

4 云平臺開發(fā)

本文選用的云平臺為華為物聯(lián)網(wǎng)云平臺，相較于阿里云、電信云等其他物聯(lián)網(wǎng)平臺,華為云提供更豐富的接口和更強大的設(shè)備管理能力。云平臺開發(fā)包括Profile開發(fā)和編解碼插件開發(fā)[16]。

Profile開發(fā)：Profile開發(fā)描述了設(shè)備的基本信息與服務(wù)能力。設(shè)備基本信息即定義產(chǎn)品名稱、數(shù)據(jù)格式等信息。服務(wù)能力主要定義了儀器上報的數(shù)據(jù)(屬性)和客戶端下發(fā)的指令的消息格式，如表1所示為本文所定義的服務(wù)能力。

表1 產(chǎn)品屬性和命令

編解碼插件開發(fā)：NB-IoT模組具有低功耗特點，對省電有一定要求，所以設(shè)備側(cè)數(shù)據(jù)以二進制格式傳入云平臺，而云平臺和應(yīng)用測開發(fā)則是采用JSON格式數(shù)據(jù)進行通信，故而在云平臺進行編解碼插件開發(fā)，完成二進制數(shù)據(jù)與JSON格式數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換[17]。

5 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件設(shè)計采用Java語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為Android Studio + JDK1.8.0，采用的測試機為華為暢享20。上位機的軟件集近、遠程控制、參數(shù)設(shè)置與結(jié)果存儲于一體，實現(xiàn)了近遠程通訊、下發(fā)指令、實時接收數(shù)據(jù)、快速成圖等功能。

5.1 軟件主流程設(shè)計

如圖4所示，為安卓端軟件的主流程圖，為使用戶不錯過云平臺數(shù)據(jù)，本研究采用開啟前臺服務(wù)來監(jiān)聽云平臺推送，在系統(tǒng)內(nèi)存不足時仍保持運行，從而保證用戶切出軟件也能接收云平臺數(shù)據(jù)。儀器有近程控制和遠程控制兩種控制模式，分別位于兩個界面中，不同界面開始采集時開啟不同工作線程，從而根據(jù)需求創(chuàng)建相對應(yīng)的無線通訊連接，實現(xiàn)兩種采集方式。在近程控制時，先進行藍牙配對和Wifi配置，通過藍牙發(fā)送配置信息與開始采集命令，客戶端通過Wifi接收單頻點數(shù)據(jù)，解析處理后進行可視化成圖，采用循環(huán)配置采集的方法不斷向下發(fā)送配置指令和接收上傳數(shù)據(jù)，直到采集到最后一個頻點后結(jié)束。在遠程控制時，客戶端向云平臺發(fā)送連接請求，用開啟的前臺服務(wù)實時監(jiān)聽云平臺推送數(shù)據(jù)，同樣使用單頻點循環(huán)采集配置的方法采集數(shù)據(jù)。

圖4 安卓端App主流程

5.2 無線通信模塊設(shè)計

5.2.1 近程通訊

近程通信主要使用藍牙和Wifi與儀器進行信息交互，采用藍牙進行指令的快速下發(fā)，采用Wifi將采集的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C。兩者的結(jié)合使用充分利用了Android手機的優(yōu)勢，提高了傳輸效率，降低了開發(fā)難度。

Wifi通訊使用廣播實時監(jiān)控Wifi狀態(tài)，建立網(wǎng)絡(luò)連接后利用套接字獲取輸入流，進而循環(huán)讀取輸入流數(shù)據(jù)，為后續(xù)存儲成圖做準備。Wifi通訊采用TCP/IP通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)的可靠性，另外為數(shù)據(jù)添加了校驗位，保證數(shù)據(jù)傳輸過程中不出現(xiàn)丟包問題，提高傳輸質(zhì)量。

該軟件與儀器的控制指令交互都是采用藍牙來收發(fā)的，交互過程與Wifi傳輸并行，獲取采集數(shù)據(jù)的同時能夠接收藍牙從儀器端傳來的反饋信息，從而實時監(jiān)控采集過程。

5.2.2 云端通訊

遠程通訊采用HTTPS協(xié)議與云平臺通信，使用OkHttp開源框架進行網(wǎng)絡(luò)請求，減少請求次數(shù)，提高請求效率。OkHttp進行網(wǎng)絡(luò)請求主要分為4步：①構(gòu)建OkHttpClient對象；②構(gòu)建Request對象，構(gòu)造請求URI后發(fā)起Post請求將配置信息提交給云平臺；③使用OkHttpClient 創(chuàng)建newCall并執(zhí)行，從而獲取Response對象；④分析Response對象，查看是否提交成功。

云平臺選用AMQP訂閱推送，在控制臺創(chuàng)建訂閱任務(wù)，云平臺根據(jù)用戶訂閱的數(shù)據(jù)類型將消息發(fā)送到指定AMQP消息隊列，客戶端在遠程控制界面初始化時創(chuàng)建一個服務(wù)(Service)啟動AMQP客戶端，用于監(jiān)聽云平臺推送數(shù)據(jù)，循環(huán)獲取AMQP隊列中的消息。從云平臺獲取的數(shù)據(jù)為JSON格式，解析后采用廣播接收并處理數(shù)據(jù)。

5.3 數(shù)據(jù)處理與智能掃頻算法設(shè)計

本軟件采用傅立葉變換計算電阻率和相位。App獲取到標本各頻點的測量數(shù)據(jù)后進行傅立葉變換，從而得到標本在該頻點下的頻率響應(yīng)。本軟件使用傅立葉變換庫為JTransforms，是一個用Java語言編寫的多線程傅里葉變換庫。通過傅里葉變換計算出Um,Un,Ua和U1，根據(jù)式(1)得到的振幅和相位即為當前頻點下的標本復電阻率值和相位值。通過多次傅里葉后變換的均方差判斷誤差是否符合用戶要求，滿足要求則完成該頻點測量，否則重新采集該頻點。然后使用HelloCharts圖表框架對數(shù)據(jù)進行成圖可視化。

采用智能掃頻算法進行自動測量控制，采集開始后，開啟一個采集線程用于接收上傳的數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)量能做一次傅里葉變換時，通過Handler將消息傳到主線程中，主線程再新建計算線程用于傅里葉變換，計算并存儲電阻率和相位后發(fā)送更新UI消息。根據(jù)奈奎斯特采樣定律設(shè)計信號頻率與采樣率的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2 采樣頻率、采樣點數(shù)與信號頻率關(guān)系

5.4 界面設(shè)計

安卓端軟件的UI設(shè)計基于Android的開發(fā)框架，結(jié)合Activity和Fragment繪制而成，通過滑動、點擊等事件完成交互式響應(yīng)，如圖5所示。

圖5 巖礦石標本SIP響應(yīng)測試儀(a)近程控制、(b)參數(shù)設(shè)置和(c)遠程控制安卓端軟件界面

近程控制界面由圖表顯示、頻點信息、打印信息和控制按鈕4部分組成，每完成一個頻點測量，更新一次圖表和頻點信息，實時更新打印信息。遠程控制界面與近程控制界面相似，由于遠程控制傳輸數(shù)據(jù)速度慢，傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)有限，故而只顯示頻譜激電響應(yīng)圖。參數(shù)設(shè)置界面主要用于設(shè)置儀器的各種參數(shù)，主要分為標本參數(shù)、測量控制和標本信息3大模塊。

6 軟件測試

測試標本與其測量結(jié)果頻譜激電響應(yīng)SIP如圖6、7所示。左y軸為電阻率，右y軸為相位，x軸為頻率關(guān)于基數(shù)10的對數(shù)值，采用對數(shù)坐標軸，構(gòu)圖美觀。

圖6采用近程控制方法測量黃銅礦標本，得出如下結(jié)論：①振幅曲線都隨著頻率增加而下降；②相位為負值，曲線隨著頻率增加先上升后下降，且下降顯著；綜上，所得結(jié)果符合黃銅礦標本響應(yīng)特性。

圖6 黃銅礦標本相片(a)及其SIP響應(yīng)(b)

圖7為通過云平臺測量片巖標本的結(jié)果，得出如下結(jié)論：①本軟件測量相位在-π/2～π/2，超過范圍后要進行相位反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后相位與原相位相差π，片巖不含礦，阻抗高，超過了-π/2，故而在高頻出現(xiàn)了相位反轉(zhuǎn)；②在50 Hz處存在工頻干擾，數(shù)據(jù)受到了影響；③相位和振幅都隨頻率的增加而降低；綜上，所得結(jié)果符合片巖標本響應(yīng)特征。

圖7 片巖標本照片(a)及其SIP響應(yīng)(b)

測試表明，該測控系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)遠近程采集控制，將測量的巖礦石標本數(shù)據(jù)完整地顯示在Android端App界面中，且能夠取得較好的測量效果，反映巖礦石的頻譜特性，驗證了數(shù)據(jù)的準確性，Android端App人機交互好，界面切換流暢，達到預(yù)期效果。

7 結(jié)論

本文主要研究了基于NB-IoT技術(shù)的寬頻帶巖礦石標本頻譜激電儀的測控軟件開發(fā)，將窄帶物聯(lián)網(wǎng)、藍牙、Wifi等網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)運用到儀器的測控系統(tǒng)研制中，并結(jié)合Android技術(shù)，實現(xiàn)了遠近程接收數(shù)據(jù)、下發(fā)指令、成果顯示、存儲數(shù)據(jù)等功能，滿足了儀器低功耗、便攜式、實時成圖要求。

致謝：感謝課題組成員姚紅春、陳興生、王小杰、李生杰對本研究的大力支持。