劉志同，陳儒軍，3，4，崔益安，3，4，王小杰，王子輝，劉瑨

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 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(zhǎng)沙 410083；3.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；4.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

地球本身會(huì)產(chǎn)生各種天然電場(chǎng)，這些電場(chǎng)疊加在一起形成的電場(chǎng)稱作地電場(chǎng)。在某個(gè)區(qū)域內(nèi)，存在著一些天然的變化電場(chǎng)，一般稱這些電場(chǎng)為大地電場(chǎng)，又稱之為自然電場(chǎng)[1]。根據(jù)引起自然電位方式的不同，可分為過(guò)濾電位、氧化還原電位和擴(kuò)散電位[2-3]。大多數(shù)情況下，觀測(cè)到的自然電位一般是由各種物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的疊加電場(chǎng)組成[4]。所以在自然條件下，即使不施加人工電場(chǎng)，利用電位監(jiān)測(cè)儀器也可以在兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間觀測(cè)到電位差，這種方法的成本較低[5]。

隨著智能手機(jī)的日益普及，開(kāi)發(fā)基于智能手持終端的地球物理儀器采集控制軟件可以充分利用移動(dòng)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，降低地球物理工作者的勞動(dòng)強(qiáng)度[6]。將新興計(jì)算機(jī)電子技術(shù)應(yīng)用到地球物理儀器中去，在很大程度上可以推動(dòng)地球物理儀器的發(fā)展[7]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線傳感物聯(lián)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的應(yīng)用，地學(xué)測(cè)量?jī)x器也將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇[8]。如已有的基于Android平臺(tái)的物探測(cè)量采集輔助系統(tǒng)[9]和基于Android平臺(tái)的地震設(shè)備維修管理系統(tǒng)[10]以及基于Android平臺(tái)的重力垂直梯度求解軟件的開(kāi)發(fā)[11]。同時(shí)，利用各種無(wú)線技術(shù)發(fā)展更易于攜帶的儀器已經(jīng)成為了趨勢(shì)[12]，并且已經(jīng)有基于Android智能設(shè)備的地球物理儀器采集控制軟件。如馮生強(qiáng)[13]開(kāi)發(fā)的Android平臺(tái)的折射/反射兼容地震儀器控制系統(tǒng)，文尚石等[14]研發(fā)的Android平臺(tái)廣域電磁接收機(jī)采集監(jiān)控軟件。

由于本設(shè)計(jì)應(yīng)用于地質(zhì)微生物自然電位監(jiān)測(cè)，根據(jù)地質(zhì)微生物自然電位變化緩慢、信號(hào)強(qiáng)度較高(可達(dá)到幾十毫伏)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款基于Android平臺(tái)的多通道自然電位監(jiān)測(cè)軟件，可以對(duì)大量自然電位測(cè)量點(diǎn)(最多192點(diǎn))按照一定時(shí)間間隔進(jìn)行重復(fù)多次觀測(cè)，具有充電方便、操作簡(jiǎn)單、人機(jī)交互性友好的特點(diǎn)。

1 自然電位監(jiān)測(cè)儀無(wú)線通信方案選擇

自然電位監(jiān)測(cè)儀嵌入式系統(tǒng)集成了藍(lán)牙模塊與Wifi模塊，其中藍(lán)牙模塊是由秉火科技生產(chǎn)的BH-HC05藍(lán)牙串口模塊。由于Android端軟件人機(jī)交互性好，顯示方便，故192道三維自然電位監(jiān)測(cè)儀器采用Android設(shè)備藍(lán)牙作為主設(shè)備發(fā)起搜索，儀器藍(lán)牙作為從設(shè)備建立通信。本設(shè)計(jì)選取的Wifi模塊為Anylinkin公司生產(chǎn)的ALK8266 Wifi模塊，192道三維自然電位監(jiān)測(cè)儀器采用Wifi模塊AP模式與Android手機(jī)客戶端構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)建立通信通道實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議通信。

2 自然電位監(jiān)測(cè)儀測(cè)控軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)框架

192道自然電位監(jiān)測(cè)儀采集控制軟件采用手機(jī)藍(lán)牙與儀器嵌入式藍(lán)牙模塊連接從而發(fā)送各種控制命令，采用Wifi無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸接收來(lái)自儀器采集的數(shù)據(jù)。自然電位監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集采用基于CPLD的分布式多通道數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)[15]，采集系統(tǒng)將采集到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)主控芯片選用了基于低功耗、高性能的Cortex-M4內(nèi)核的STM32F429IGT6， 192道自然電位監(jiān)測(cè)儀采集控制軟件利用Android Studio開(kāi)發(fā)，完成了在Android智能手機(jī)上的頁(yè)面開(kāi)發(fā)、命令下發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容，軟件框架如圖1所示。

圖1 192道自然電位監(jiān)測(cè)儀Android端軟件框架

2.2 軟件主程序流程設(shè)計(jì)

為了滿足儀器無(wú)線通信和長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，軟件主程序流程設(shè)計(jì)如圖2所示，首先通過(guò)Android端軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器藍(lán)牙和熱點(diǎn)的搜索與連接，然后發(fā)送配置和采集命令，軟件就進(jìn)入自動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，每接收到需要的數(shù)據(jù)量就自動(dòng)處理、保存、可視化。然后自動(dòng)接收下一波數(shù)據(jù)，不斷循環(huán)直到用戶發(fā)送停止采集命令才會(huì)停止工作。

圖2 軟件主程序流程

3 自然電位監(jiān)測(cè)儀測(cè)控軟件開(kāi)發(fā)及軟件功能

3.1 Android 開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

本自然電位監(jiān)測(cè)儀采集軟件采用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Android studio 3.4+Android SDK + JDK1.8.0_181。測(cè)試手機(jī)為榮耀30， Android 10，內(nèi)核4.14.116版本。

3.2 Android端軟件功能開(kāi)發(fā)

3.2.1 長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)

由于地質(zhì)微生物單個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的自然電位一般隨時(shí)間變化并不劇烈，信號(hào)強(qiáng)度也不低，觀測(cè)記錄比較容易，但由于是長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，對(duì)儀器的穩(wěn)定性要求比較高，為保證程序能夠長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)，需要對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)格把控，否則一旦發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、丟失等問(wèn)題，就容易在數(shù)據(jù)處理與可視化過(guò)程中出現(xiàn)不可預(yù)知的問(wèn)題，導(dǎo)致程序停止運(yùn)行。所以為了能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，在儀器采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)時(shí)鐘在每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)前加上4位的通道序號(hào)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，在Android端軟件對(duì)數(shù)據(jù)通道號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)比判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤就自動(dòng)舍棄當(dāng)前的數(shù)據(jù)，避免錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)繼續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致程序崩潰，同時(shí)也避免了保存壞數(shù)據(jù)結(jié)果從而影響對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的二次處理。

流程圖如圖3 所示，主要有兩種情況會(huì)影響儀器穩(wěn)定性，第一種是Wifi數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸，這時(shí)會(huì)進(jìn)行超時(shí)等待判斷，如果傳輸通道建立后8 s內(nèi)軟件無(wú)法收到數(shù)據(jù)，就可以認(rèn)為是Wifi模塊或采集模塊異常，發(fā)送儀器復(fù)位命令重置儀器，保證監(jiān)測(cè)能夠順利進(jìn)行；第二種是數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)，通過(guò)通道號(hào)校驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并舍棄本組數(shù)據(jù)，以防止儀器系統(tǒng)崩潰。

圖3 長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)監(jiān)測(cè)流程

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)于自然電位監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，主要的干擾來(lái)自50 Hz工頻干擾，192道三維自然電位監(jiān)測(cè)儀器采樣率最低250 Hz，最高可達(dá)1 000 Hz，原始時(shí)間序列包括整數(shù)個(gè)50 Hz干擾周期(如1 s)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，可以增強(qiáng)自然電位信號(hào)，壓制50 Hz干擾。通過(guò)對(duì)每個(gè)自然電位點(diǎn)1 s測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值運(yùn)算，將50 Hz干擾過(guò)濾掉，從而得到自然電位信號(hào)。

3.2.3 數(shù)據(jù)持久化存儲(chǔ)

192道三維自然電位監(jiān)測(cè)儀器Android端采集控制軟件有兩種文件需要持久化存儲(chǔ)，一個(gè)是原始數(shù)據(jù)文件，一個(gè)是結(jié)果數(shù)據(jù)文件。如圖4c所示，原始數(shù)據(jù)文件(.dat文件)是循環(huán)自動(dòng)生成的，采集完192道數(shù)據(jù)后，以系統(tǒng)時(shí)間+采樣率+文件生成序號(hào)為原始數(shù)據(jù)文件名，其中文件生成序號(hào)是本次采集中自動(dòng)生成的文件編號(hào)，為了方便后期對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

結(jié)果數(shù)據(jù)文件(.txt文件)是在原始數(shù)據(jù)文件生成后，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、運(yùn)算、處理，每次循環(huán)得到192個(gè)自然電位數(shù)據(jù)，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)將得到多組192道數(shù)據(jù)，將這些自然電位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到.txt文件中，然后導(dǎo)出到其他軟件中進(jìn)行專門分析。

3.2.4 數(shù)據(jù)可視化

Android軟件數(shù)據(jù)可視化采用的是MPAndroidChart圖表框架。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多曲線圖的數(shù)據(jù)自動(dòng)刷新，由于采集系統(tǒng)有六個(gè)內(nèi)部通道，每一秒切換一次繼電器，單曲線圖顯示的是每個(gè)外部通道1s采集的數(shù)據(jù)的平均值，每接收到新的原始數(shù)據(jù)文件兩個(gè)圖表就會(huì)自動(dòng)刷新。

3.3 軟件功能與測(cè)試

3.3.1 Android端軟件頁(yè)面和主程序主體流程

該應(yīng)用程序可以安裝在Android 8.0及以上版本的智能手機(jī)中，軟件頁(yè)面如圖4所示，在參數(shù)設(shè)置頁(yè)面進(jìn)行采樣率和增益的設(shè)置之后，對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，然后就可以進(jìn)入采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，采集控制頁(yè)面分為5部分：時(shí)序多曲線圖、外部通道號(hào)單曲線圖、數(shù)值顯示區(qū)、日志信息區(qū)、按鈕控制區(qū)。生成的結(jié)果可以在測(cè)量結(jié)果頁(yè)面查看，結(jié)果文件主要有兩種類型，一種是 .dat原始數(shù)據(jù)文件，另一種是 .txt結(jié)果數(shù)據(jù)文件。

(a)采集控制頁(yè)面 (b)參數(shù)設(shè)置頁(yè)面 (c)測(cè)量結(jié)果頁(yè)面

3.3.2 測(cè)試結(jié)果

192道自然電位監(jiān)測(cè)儀在地質(zhì)微生物自然電場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用中，表現(xiàn)穩(wěn)定，可以不間斷監(jiān)測(cè)超過(guò)36 h，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度高，有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)測(cè)試，192道三維自然電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)、無(wú)線(藍(lán)牙、Wifi)通信、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化等預(yù)期功能(見(jiàn)圖5)。

圖5 軟件實(shí)測(cè)

本次測(cè)試設(shè)置采樣率為250 Hz，采集完成一組192道自然電位數(shù)據(jù)時(shí)間約為32 s，每一組數(shù)據(jù)會(huì)生成一個(gè)原始數(shù)據(jù)文件，從日志信息可以看到已經(jīng)接收了4 365個(gè)文件，儀器已經(jīng)連續(xù)采集工作了97 h，穩(wěn)定性良好。

從原始數(shù)據(jù)曲線看，可以發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)的50 Hz工頻干擾，通過(guò)數(shù)據(jù)求平均值處理后，工頻干擾受到壓制，獲得了真實(shí)的自然電位信號(hào)(如單曲線圖所示)，通過(guò)與萬(wàn)用表直流檔測(cè)量結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本軟件處理后的自然電位測(cè)量結(jié)果與萬(wàn)用表測(cè)量結(jié)果一致，證明采集軟件功能正常，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)論

192道三維自然電位監(jiān)測(cè)儀器對(duì)同一個(gè)自然電位電極采樣間隔為32 s，可以滿足地質(zhì)微生物自然電場(chǎng)監(jiān)測(cè)短時(shí)變化需求；通過(guò)測(cè)試可以看出儀器穩(wěn)定性良好，可以長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行自然電位監(jiān)測(cè)，電然電位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全部保存在文本文件中，可以通過(guò)其他軟件對(duì)長(zhǎng)時(shí)變化進(jìn)行專門分析。

192道三維自然電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件具有人機(jī)交互效果好、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，具有無(wú)線傳輸、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化的優(yōu)勢(shì)，可直接安裝在Android手機(jī)上，大大提高地球物理儀器工作的靈活性和可操作性。