井下圖像采集與地面無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：石油測井中，井下環(huán)境惡劣，而地面上設(shè)備繁多，往往給測井帶來不便。通過可見光攝像頭可以清楚地了解井下環(huán)境，地面上采用無線通訊方式也可以減少電纜數(shù)量，簡化地面環(huán)境。設(shè)計并實現(xiàn)了基于USR-WIFI232的無線傳輸模塊，編寫上位機通訊軟件，實現(xiàn)井下圖像采集與地面無線傳輸。

關(guān)鍵詞：攝像頭；無線通訊；Wi-Fi

成像測井是傳統(tǒng)的測井方法，隨著技術(shù)的發(fā)展，可見光成像測井已經(jīng)發(fā)展進(jìn)入現(xiàn)代測井的前沿技術(shù)之列。對于井上情況，地面設(shè)備相對復(fù)雜，給現(xiàn)場作業(yè)造成一定的影響。因此，通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換可以簡化現(xiàn)場環(huán)境，提高測井效率。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今中國非常流行的一個詞語，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的主要核心。將先進(jìn)的技術(shù)引入傳統(tǒng)的行業(yè)中可以帶來很多便利。

1 硬件介紹及電路設(shè)計

深井作業(yè)都處在高溫、高壓的環(huán)境中，因此對井下的系統(tǒng)要求較高。井下傳輸系統(tǒng)使用廣泛應(yīng)用的EILog-06測井系統(tǒng)[1]，并且采用具有高抗干擾能力以及高擴(kuò)展能力的CAN總線作為通訊網(wǎng)絡(luò)，可以掛載多個帶有CAN接口的儀器。井上部分添加無線傳輸單元，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 井下圖像采集與傳輸簡介

井下圖像采集使用耐高溫并且高集成度的CMOS型串口攝像頭，本身擁有各種信號和圖像處理模塊。攝像頭可選擇多種像素實現(xiàn)數(shù)字圖像采集處理系統(tǒng)的邏輯控制，圖像具有多種分辨率。因為井下采光困難，所以采用低耗的發(fā)光二極管組作為光源，前端照明的方式，使照明均勻。

井下采用內(nèi)嵌CAN控制器的ADSP-21992高速芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)核心處理[2]。高性能的DSP內(nèi)核以及嵌入式混合信號外圍的集成，使ADSP-21992芯片表現(xiàn)出優(yōu)越的數(shù)據(jù)處理能力。并且由于CAN總線搭載EILog-06測井平臺的遙傳短節(jié)，采集節(jié)點靈活性提高，兼有CAN總線的糾錯能力，使得系統(tǒng)可靠性得到保證。

1.2 無線模塊介紹

Wi-Fi是當(dāng)前最為先進(jìn)的無線通信技術(shù)之一，傳輸速度非常快。Wi-Fi最主要的優(yōu)勢是不需要布線，并且由于發(fā)射信號功率低于100mw，所以相對也是最安全健康的。

當(dāng)前市場存在多種成熟的Wi-Fi產(chǎn)品，因此根據(jù)需求選取一款名為USR-WIFI232-X[3]的Wi-Fi模塊。工作模式有透明傳輸和協(xié)議傳輸兩種模式，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持TCP/UDP。

由于WI-FI模塊要求3.3V供電，因此采用SPX1117M3-3.3 DC/DC降壓電源模塊電路，復(fù)位模塊采用MAX6899芯片，實現(xiàn)按鍵模塊復(fù)位與恢復(fù)出廠設(shè)置。電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖所示。

2 軟件設(shè)計

2.1 通信協(xié)議與流程

攝像頭具有上電休眠功能，工作時需要先向攝像頭發(fā)喚醒命令，結(jié)束工作后發(fā)休眠命令。通信協(xié)議格式為：0XAA+Addr+Lenth+Comm+Data+Sum

包長=命令碼字節(jié)數(shù)+數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)+校驗和字節(jié)；

校驗和=命令碼+數(shù)據(jù)長度；

上位機軟件設(shè)計使用·Net平臺中的winform進(jìn)行開發(fā)。可以用來創(chuàng)建Windows平臺下的 Windows應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，也可以用來創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。USR-WIFI模塊支持TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用Web方式網(wǎng)絡(luò)側(cè)的接口，可以作為Server服務(wù)器或者是Client客戶端。工作時一般讓W(xué)I-FI模塊工作在客戶端模式，計算在處于服務(wù)器模式，這樣便于同時控制多種儀器。

服務(wù)器軟件設(shè)計中，采用多線程與委托方式與WI-FI模塊進(jìn)行交互。這樣做可以把占據(jù)時間長的程序中的任務(wù)放到后臺去處理，并通過委托將方法當(dāng)作另一個方法的參數(shù)來進(jìn)行傳遞，這種將方法動態(tài)地賦給參數(shù)的做法，可以使得程序具有更好的可擴(kuò)展性。設(shè)計中還引入哈希表來存放WI-FI模塊地址，可以在多個模塊同時工作時方便管理。

上位機軟件流程圖如圖2所示：

2.2 實驗結(jié)果

串口攝像頭選用200W像素，通過計算機內(nèi)的客戶端向下發(fā)送拍照命令后，大約3s之后就可以接收到拍攝的照片。如圖3所示，可以清楚地看到套管內(nèi)的圖像。

3 結(jié)束語

介紹了井下可見光圖像采集系統(tǒng)。設(shè)計實現(xiàn)了基于USR-WIFI模塊的無線傳輸設(shè)備，并且編寫上位機控制與通訊軟件。通過直觀的圖像給石油測井過程提供巨大的幫助。無線傳輸系統(tǒng)也讓地面上復(fù)雜的環(huán)境變的簡潔，可以有效提高測井效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張家田，陳寶，嚴(yán)正國.測井電子信息技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010.

[2]張家田，王金成，等.基于CAN總線的井下視頻信號采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用.2013，12：15-17.

[3]濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司.嵌入式模組使用說明USR-WIFI-X[Z].