基于物聯網的電火花震源電力參數實時記錄系統設計

王中原，羅明璋 (長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

王軍民 (長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 武漢 430100)

羅充 (長江大學管理學院，湖北 荊州 434023)

譚來軍 (中國石油集團測井有限公司技術中心，陜西 西安 710077)

目前，電火花震源已經逐步在石油勘探領域取代炸藥震源，這主要是由于炸藥本身極其危險，監管上需保證炸藥的安全運輸和存放，使用時需要專業的爆破人員，監管成本和使用成本都非常高；而且在實際使用時炸藥的地域局限性較高，激發效果難以控制，不能使各次激發達到一致性，無法控制地震脈沖的頻率。而電火花震源卻彌補了炸藥震源的這些缺點，電火花震源是一種綠色環保的人工可控震源，其激發能量可控，激發效果具有很好的一致性和精確的同步觸發時間，可廣泛應用于施工環境惡劣的地方。電火花震源最早由西方國家研制設計，1957年阿爾卑斯地球物理公司研制了世界第一臺電火花震源系統；20世紀60～70年代，美國開始研制陸地和海洋電火花震源，1966年Miller取得了陸地電火花震源的專利，Wayna等取得了海洋電火花震源的專利，1973年Barbier發表海洋勘探用的編碼電火花震源[1]。國內電火花震源起步較晚，20世紀80～90年代中國科學院電工所與中國石油天然氣總公司大港油田物探處合作，成功研制了陸地油氣勘探用車載電火花震源；2004年國家海洋局第一海洋研究所成功設計了一種智能控制復合相干電火花震源裝置[2]。近10年來，長大物探科技有限公司研發團隊經過不懈努力，成功研制出CD-2便攜式電火花震源，該震源攜帶方便，工作穩定，獲取的地震資料效果好。目前，國內電火花震源廠商都在謀求電火花震源設備的穩定運行，同時對電火花震源的控制也僅僅是開環控制。長大物探科技有限公司在自身設備穩定運行的基礎上首次提出將電火花震源與物聯網技術結合，形成能夠閉環控制和接入互聯網的電火花震源產品，將電火花震源工作的狀態數據實時記錄并上傳到云端，這些數據可為技術人員遠程分析電火花震源設備狀態的好壞提供依據，對可能出現的故障提前做出判斷，對設備及時進行保養，可進一步提高電火花震源設備的穩定與安全運行，實現對電火花震源進行遠程監控與控制。電火花震源的工作狀態數據有多種，其中比較重要的就是相關的電力參數數據。下面，筆者針對電火花震源電力參數設計了一種實時記錄系統。

1 電火花震源的基本原理

電火花震源是利用放電電極在液體中放電而將儲存在高壓電容器中的電能轉換成脈沖壓力波的能量

圖1 電火花震源原理示意圖

轉換裝置，圖1是電火花震源的基本原理示意圖。其中，Us是震源充電系統，充電時開關S1閉合，開關S2斷開，充電系統對電容C充電；充電完成后，開關S1斷開，開關S2閉合，電容C通過放電電極瞬間放電，將電極周圍的水電離氣化，電能轉換成地震波能量、部分熱能和光能。CD-2電火花震源采用變頻變壓的工作方式，通過改變變頻器的工作頻率來控制輸出電壓的大小，進而改變電容器兩端的電壓值，實現充電的過程。

2 電火花震源電力參數的實時記錄需求分析

長江大學研制的CD-2電火花震源的原理如圖2所示，系統針對其參數記錄需求設計，CD-2電火花震源采用變頻變壓的工作方式來完成充電過程，充電時間一般在30s左右。因此，設計所要考慮的第1個參數便是充電過程中充電電流大小的變化。通過動態實時監控充電電流大小的變化來判斷充電過程是否正常，一旦有異常出現，如充電電流突然增大，則保護電路中保險絲將會熔斷，使整套系統停止工作，避免過大的電流燒壞其他模塊。系統會實時記錄電流變化的過程，同時也會給出充電電流過大的提示。在對電容充電過程中，電容兩端的電壓不斷增加，通過實時監測電容兩端的電壓值變化來觀察充電過程中電壓的變化情況，防止對電容過度充電。同時變頻器輸出電壓的頻率不斷增加，為了動態了解變頻器工作頻率的變化情況，需要實時監測變頻器的工作頻率。以上所有的數據都會保存到本地的SD卡中，同時會通過WiFi將數據傳輸到遠程監控終端。

圖2 CD-2電火花震源原理圖

3 系統設計

圖3 電火花震源電力參數實時記錄系統框圖

圖3是電火花震源電力參數實時記錄系統框圖，系統由電壓/電流采集模塊、SD卡存儲模塊、變頻器工作頻率測量模塊、儲能電壓測量模塊、WiFi傳輸模塊和遠程監控終端組成。整個底層系統以STM32F407作為主控制器。電火花震源所測的電流和電壓均為大電流、高電壓，為了保證整個系統可以安全穩定的運行，故該部分采用工業級的電流電壓測量模塊[3]，通過串口與MCU進行數據的交換；頻率測量部分則直接采用變頻器預留的頻率輸出口，其頻率輸出口輸出的是電壓，該電壓值與頻率呈現線性關系，通過AD采集和相關的數學運算獲得頻率值[4]；儲能電壓測量模塊實時測量電容器兩端的電壓；由于MCU自帶的存儲空間有限，選用SD卡存儲電流、電壓和頻率數據。

所有的數據均通過WiFi傳輸到遠程監控終端上。WiFi是實現電火花震源與其他智能終端互聯的重要媒介。在眾多的無線連接技術中，WiFi是最適合物聯網連接的技術，可以作為物聯網的粘合劑連接更多設備。物聯網技術實現了物物相連，物品和物品之間可以進行信息交換和通信。電火花震源借助WiFi實現了與遠程監控終端如智能手機進行連接和數據交換，手機通過APP客戶端可以控制電火花震源的充放電過程，并查看電火花震源的狀態信息。

4 各模塊功能實現

4.1 儲能電壓測量模塊

儲能電壓是高壓電容器兩端的電壓，高壓電容器的最高耐壓可達10000V。該模塊的功能是實現充電電壓的測量，并實時上傳給主控模塊(STM32F407)。高壓的測量選用OWON系列的高壓測量模塊，采用電阻分壓的方式使測量的電壓范圍在0～10V。為測量的安全性考慮，高壓測量模塊與主控模塊(STM32F407)采用藍牙方式，實現了高壓測量與通信傳輸的有效隔離。

4.2 電壓/電流采集模塊

電火花震源在正常工作時的輸入電壓為220V，輸入電流為2～3A。鑒于這種高電壓、大電流的情況，設計直接采用工業級的電壓/電流采集模塊。該模塊自帶串口通信接口，可直接與單片機相連。在硬件上連接完成后，單片機直接發送命令，便可獲得對應的數據。該模塊命令的種類有6種，即可以獲得6種參數，設計只需要獲得其中的電壓和電流數據即可。

4.3 變頻器工作頻率測量模塊

頻率信號源由變頻器提供，變頻器的控制回路端子提供頻率輸出的接口，該輸出接口輸出的是模擬電壓，與頻率呈線性關系，通過AD采集和相關的數學運算，可獲得對應的頻率值。AD采集使用MCU內部自帶的AD模塊[5]，12位的分辨率，參考電壓Vref=3.3V。變頻器輸出的模擬電壓其幅值可調，默認增益為100%，輸出電壓為0～10V，對應頻率為0～400Hz。根據AD模塊的參考電壓，增益設為33%，則輸出電壓為0～3.3V，AD模塊可采集到的頻率范圍為0～400Hz。最終可得頻率f與輸出電壓V的數量關系為：

f=132V

變頻器模擬電壓輸出端子的輸出阻抗為100kΩ，根據STM32F407單片機的數據手冊可知，AD模塊的最大外部輸入阻抗為500kΩ，為了準確的檢測到模擬電壓值，在變頻器和AD模塊之間加一個電壓跟隨器。同時，電壓跟隨器也起到了阻抗匹配作用，同時也增加了整個系統的抗干擾能力。

4.4 數據存儲與傳輸(SD卡存儲)模塊

數據存儲介質采用SD卡，SD卡工作在2.7～3.6V電壓下，其工作模式有SPI模式和SD模式[6]，主機可以選擇任意一種模式同SD卡通信。SD模式允許4線的高速數據傳輸，SPI模式允許簡單的通過SPI接口與SD卡進行通信。這種模式同SD模式相比，速度較慢[7]。STM32F407單片機具備SPI接口和SD接口，2種模式均可以使用，設計采用速度較快的SD模式。傳輸模塊負責將獲取的數據傳輸到遠程監控終端，以便終端可以將數據實時顯示出來，遠程終端通過WiFi與底層系統建立聯系，并通過WiFi進行數據的交互，實現數據傳輸的功能。設計所使用的WiFi模塊是較為常見的串口轉WiFi模塊，可通過串口與單片機進行連接，硬件實現上比較簡單和方便。模塊型號為HLK-RM04，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串口、以太網和WiFi 3個接口之間的轉換。串口轉WiFi的傳輸速率最高可達到500kbps。模塊可通過WiFi網頁配置或串口AT指令對模塊的參數進行修改和配置。模塊工作在AP模式(接入點模式)，WiFi設備連接到模塊，成為WiFi局域網下的設備。遠程監控終端連接到WiFi模塊后，便可以與電火花震源進行通信和數據上的交換，實現控制電火花震源的功能和實時監控電火花震源的工作狀態。

5 試驗與調試

圖4 終端顯示界面

為了避免受到干擾，將實時記錄系統裝上金屬屏蔽罩接入現有的電火花震源系統中，具體來說是安裝在電火花震源控制箱中，圖4是終端顯示界面。左側曲線分別表示電火花震源供電電壓、單次充電電流、單次充電頻率和單次充電電壓的變化趨勢。正常情況下供電電壓穩定在220V左右，設備以恒流的方式充電，充電頻率與充電電壓的變化趨勢基本一致。為此需要對這3個參數做定量分析，結果如表1所示。表1中設定值是指設備正常工作時預先設定的參數大小，平均值是指實際工作時獲得的各項參數的大小，標準差反映了數據偏離真實值的程度。

表1參數變化趨勢反映了電火花震源正常工作時的情況，供電電壓正常，充電電流在合理的范圍內波動。隨著頻率的增加，充

表1 參數指標

注：充電電壓/充電頻率代表同一時刻兩者的比值。

電電壓穩步上升。當電火花震源出現異常時，如充電過程出現掉相的故障時，充電電壓的增長會很快，反映在終端上就是充電電壓曲線的斜率會很大，從而實現快速定位故障的功能。界面右側是對電火花震源進行充放電的控制按鈕和相關狀態的顯示，控制按鈕包括充電、放電和暫停，狀態顯示包括電火花震源與遠程控制終端的連接狀態，以及電火花震源當前所處的狀態(正在充電狀態、已暫停狀態和放電結束狀態)和充電電壓值的實時顯示。

6 結語

針對電火花震源設計了一種基于物聯網的電火花震源電力參數記錄系統，可對電火花震源充放電過程的電力參數進行實時監控和記錄。該系統的設計有2個創新點，一是采用物聯網的思想，讓傳統的電火花震源設備具備互聯互通的功能，可以與當前的智能終端進行聯網通信；二是對電火花震源的工作狀態進行實時監控和記錄，有利于系統的故障診斷，實現故障的快速定位。因此，該系統具有較大的應用價值和推廣價值。

[1]裴彥良，王揆洋，劉晨光，等.電火花震源系統充電技術研究[J].海洋技術，2007，26(3):73～76.

[2]吳漩流，王軍民.大功率電火花震源的研究與設計 [D].荊州：長江大學，2016.

[3]楊志遠，徐振林.電力參數的數字化測量和無線數據傳送[J].電測與儀表，2005,42(472):34～37.

[4]郭穎娜，傅周興.交流采樣的頻率測量及跟蹤鎖相方法的實現[J].自動化與儀器儀表，2002，(3):17～19.

[5]葉佳卓，銀翔.電力負荷參數記錄與監控系統的開發與應用[J].計算機工程，2006,32(5)：247～248.

[6]張弛，張成俊，吳曉光.單片機訪問SD卡精簡方法的設計與實現[J]. 機電工程，2011,28(4):479～481，499.

[7]李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統的SD卡存儲器設計[J].測控技術，2011,30(12):79～81.