地質(zhì)勘探鉆機(jī)鉆探實(shí)時深度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁麗艷

(山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院,濟(jì)南 250200)

0 引言

目前的建筑、交通施工前期的地質(zhì)勘探技術(shù)中，利用勘探鉆機(jī)鉆孔取樣方法確定地下巖芯信息，在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)仍是不可替代的技術(shù)手段。小型鉆機(jī)的實(shí)時深度測量信息是一個重要數(shù)據(jù)，但是限于成本等問題，目前小型鉆機(jī)一直都沒有配置此項(xiàng)功能，該類鉆機(jī)基本沒有配套的信息化設(shè)備。而數(shù)據(jù)后期編錄、勘探過程記錄等都需要這一數(shù)據(jù)，真正需要的時候鉆探過程中的鉆探深度等信息完全依靠人工記錄，這樣做一方面勘探過程中的人力和物力成本較高、信息滯后，另一方面后期數(shù)據(jù)記錄、整理工作量繁雜且容易出現(xiàn)錯誤，不利于地質(zhì)勘探信息化工作的開展。

利用超聲波技術(shù)、移動互聯(lián)通信等技術(shù)，結(jié)合全球定位系統(tǒng)技術(shù)(GPS)，研制地質(zhì)勘探鉆機(jī)鉆探實(shí)時深度測量系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工程勘察智慧云系統(tǒng)，可為地質(zhì)勘探工作提供良好的技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)工程勘探工作由傳統(tǒng)方式向信息化方式轉(zhuǎn)變，可以有效降低地質(zhì)勘探過程的人力、物力成本，減輕地質(zhì)勘探工作者的勞動強(qiáng)度，提高地質(zhì)勘探工作的效率。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)面向建筑、交通施工地質(zhì)勘探鉆機(jī)信息化的需求，以STM32處理器為核心，提供了鉆機(jī)鉆孔實(shí)時深度測量與數(shù)據(jù)保存、上傳的新型解決方案。通過深度測量系統(tǒng)實(shí)時測量鉆桿在地面部分的長度，根據(jù)錄入的桿號自動計(jì)算出鉆探深度并通過現(xiàn)場LED屏幕實(shí)時顯示。設(shè)計(jì)出了友好的人機(jī)界面，通過鍵盤本地錄入或者通過客戶端遠(yuǎn)程錄入桿號及桿號對應(yīng)的長度，通過鍵盤添加鉆探所使用的鉆桿并進(jìn)行保存。鉆探深度通過GPRS實(shí)時傳輸?shù)皆品?wù)器，并設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)異常時的降檔處理措施，即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常時暫時把數(shù)據(jù)保存至本地TF卡中，等網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常時再重傳。系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于STM32處理器設(shè)計(jì)嵌入式主機(jī)，通過藍(lán)牙模塊和超聲波測距模塊通信。超聲波測距模塊的發(fā)射換能器發(fā)射一定個數(shù)的脈沖信號，超聲波接收換能器接收反射回波信號，并對其進(jìn)行放大、濾波、整形處理，處理結(jié)果通過藍(lán)牙通信的傳輸?shù)浇邮罩鳈C(jī)上，主機(jī)計(jì)算出鉆探深度并在四位LED數(shù)碼管顯示屏上實(shí)時顯示。系統(tǒng)另外配置一個12864的LCD顯示屏用來提供系統(tǒng)設(shè)置等人機(jī)交互接口，無操作時顯示當(dāng)前日期和時間(獲取實(shí)時時鐘芯片數(shù)據(jù))。測量數(shù)據(jù)通過GPRS模塊以TCP/IP協(xié)議傳送到云端服務(wù)器，并提供本地TF卡數(shù)據(jù)存儲功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)要求，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用以及技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了ST公司的STM32F103VET6作為主控芯片。它具有低功耗、低成本和高性能等特點(diǎn)，提供了時鐘、復(fù)位和電源管理等功能。該款芯片為100引腳，512 kFLASH和64 kSRAM，LQFP 封裝 以及32位Cortex內(nèi)核 ，CPU 工作頻率72 MHz，工作電壓2.0～3.6 V，這里我們采用了+3.3 V電壓供電。芯片上共有五對VSS和VDD，管腳均勻分布在芯片四周，可以為芯片提供最好的電源質(zhì)量，降低電源阻抗，保證高速數(shù)字電路可靠工作。本系統(tǒng)電路在電源引腳附近設(shè)置了去耦電容，以避免電流變化引起的電源電壓波動傳遞到其他電源引腳，起到電源濾波的作用。在實(shí)際的系統(tǒng)功能編程中，ST官方提供了大量安全有效無誤的固件庫函數(shù)，加快了開發(fā)和設(shè)計(jì)的速度，提高了開發(fā)的效率。主控模塊基本電路如圖3所示。

圖3 主控模塊電路圖

對于單片機(jī)來說，復(fù)位電路是系統(tǒng)中不可缺少的一部分，復(fù)位操作就是把單片機(jī)正在運(yùn)行的狀態(tài)恢復(fù)到起始狀態(tài)。STM32的F1系列的單片機(jī)，支持系統(tǒng)復(fù)位，上電復(fù)位和備份區(qū)域復(fù)位3種方式。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了按鍵復(fù)位電路，當(dāng)按鍵被按下時，NRST引腳與地連接，產(chǎn)生一個低電平信號，NRST引腳被拉低，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位。此電路采用10 kΩ電阻和0.1 μF電容，復(fù)位脈沖時間為：

t=1.1*RC=1.1×10 kΩ×0.1 μF=1 100 μs

(1)

計(jì)算結(jié)果表明，該復(fù)位電路滿足STM32F103VET6的復(fù)位要求。

STM32系列單片機(jī)工作時需要接入一個主頻和一個時鐘頻率，其中主頻4～16 MHz居多，本系統(tǒng)采用常用的8 MHz晶振，提供時鐘頻率的是32.768 kHz晶振。

本系統(tǒng)的超聲測距模塊為獨(dú)立收發(fā)一體式模塊HC-SR04，基于ATMEL公司的AVR Mega16單片機(jī)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和藍(lán)牙通信電路，采集并處理數(shù)據(jù)，處理的結(jié)果通過藍(lán)牙傳輸?shù)街鳈C(jī)，有主機(jī)完成GPRS傳輸和TF卡存儲。

3.2 深度測量模塊

測量方案的正確選擇是本系統(tǒng)正常工作的前提。本系統(tǒng)采用測量鉆機(jī)頭離地面的高度間接測量鉆探深度。在測量出高度之后，通過讀取主機(jī)上設(shè)置好的安裝鉆桿的長度數(shù)值，兩者相加即可得到鉆探深度。因此，本系統(tǒng)深度測量方法轉(zhuǎn)變成為距離測量方法。目前常用的測距方案有紅外測距、激光測距、超聲測距等。紅外測距精度較高，但本裝置使用場景為野外，太陽光對紅外測距的影響非常大，陽光強(qiáng)烈時能使紅外測距徹底失靈。激光測距測量距離遠(yuǎn)、測距速度快、性能可靠、精度高，在礦山開采、港口等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，但是價格較高，從裝置產(chǎn)品化經(jīng)濟(jì)性方面考慮也不宜采用。超聲波測距測量精度不及紅外和激光，但能滿足本系統(tǒng)要求(鉆孔深度測距誤差在±5 cm即可)；測量距離也較短，但其不受光線影響，而且成本較低，安全性高，從綜合因素考慮，超聲波傳感器最適合本系統(tǒng)的要求。

本系統(tǒng)距離測量采用發(fā)送和接收在同一端的方式，可以選用市場上成熟的發(fā)射超聲頭和接收超聲頭做在一起的集成模塊。超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波后，單片機(jī)開始開始計(jì)時，遇到地面后反射回來，超聲波接收頭收到反射回來的聲波后就立即停止計(jì)時，然后根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，即可計(jì)算得出聲波傳輸?shù)木嚯x。因?yàn)槌暡ㄊ切凶吡送祪蓚€路程，所以實(shí)際距離為超聲波總傳輸距離的二分之一。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的超聲波測距模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 超聲波測距模塊原理圖

模塊具有單獨(dú)的處理器(STC11單片機(jī))，完成超聲波的增強(qiáng)發(fā)射、接收放大等工作。測距時，單片機(jī)發(fā)送一段40 kHz波形給MAX232芯片，MAX232對40 kHz的信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以放大超聲波功率，達(dá)到較遠(yuǎn)的測量距離。接收電路以TL074為四路低噪聲輸入運(yùn)算放大器為主，對接收到的超聲波電壓信號進(jìn)行信號放大、濾波、電壓比較等。主機(jī)通過藍(lán)牙發(fā)送開始測距命令給測距模塊，超聲波測距模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40 kHz周期的電平并檢測回波信號，如若有回波信號被檢測出則輸出回響信號，回響信號的脈沖寬度與所測的距離成比例。

3.3 GPRS通信電路設(shè)計(jì)

GPRS通信電路負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議上傳到云端服務(wù)器，本系統(tǒng)選用SIM900A作為通信模塊。SIM900A是一個雙頻(EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz)的GSM/GPRS模塊。SIM900A模塊提供UART通信接口，制作電路板時將其TXD、RXD兩個引腳與單片機(jī)的UART的TXD、RXD兩個引腳交叉連，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和SIM900A之間的數(shù)據(jù)雙向傳遞。SIM900A 模塊另一端與SIM卡通信，其中的5個引腳連接SIM卡的5個對應(yīng)針腳(電源、地、復(fù)位、時鐘、輸入輸出信號)。SIM900A GPRS通信電路如圖5所示。

圖5 SIM900A GPRS通信電路

在電路中，SIM900A模塊的TXD、RXD 兩個引腳連接到單片機(jī)的PA9、PA10這兩個引腳，該兩個引腳可以工作在UART串行通信模式。

3.4 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)鉆機(jī)進(jìn)行工作時，深度測量模塊需要將測量結(jié)果實(shí)時反饋到主機(jī)上，雖然有線傳輸速度快，穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)，但由于鉆機(jī)結(jié)構(gòu)雜亂，工作時鉆頭鉆桿位置不固定，不方便使用有線通信，因此本系統(tǒng)選用了藍(lán)牙通信作為深度測量模塊和主機(jī)之間的無線通信方式。基于HC-05的藍(lán)牙模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙模塊

該模塊可以直接連接各種單片機(jī)，它的供電電壓為3.3～3.6 V，跟本設(shè)計(jì)的供電電壓吻合，而且它可以通過AT指令集配置模塊，采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。配對以后當(dāng)全雙工串口使用，無需了解任何藍(lán)牙協(xié)議，方便使用。

3.5 存儲模塊

本系統(tǒng)TF SD卡作為本地存儲器。TF SD卡具有容量大、讀寫速度快和使用方便等特點(diǎn)，同時它的體積很小，便于電路板小型化設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的存儲模塊電路如圖7所示。

圖7 存儲模塊電路

TF SD卡通過SDIO口與單片機(jī)芯片連接。SDIO是安全數(shù)字輸入/輸出接口，完全兼容多媒體卡系統(tǒng)規(guī)范版本4.2，完全支持CE-ATA功能，數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)48 MHz。SD數(shù)據(jù)傳輸支持單塊和多塊讀寫，它們分別對應(yīng)不同的操作命令，多塊寫入還需要使用命令來停止整個寫入操作。數(shù)據(jù)寫入前需要檢測SD卡忙狀態(tài)，因?yàn)镾D卡在接收到數(shù)據(jù)后編程到存儲區(qū)過程需要一定操作時間。SD卡忙狀態(tài)通過把D0線拉低表示。數(shù)據(jù)塊讀操作與之類似，只是無需忙狀態(tài)檢測。但是單塊寫傳輸速度較慢，對于大量存儲數(shù)據(jù)，無法滿足要求，所以文章采用了傳輸速度更快的多塊寫操作。多塊寫操作可以看成是對單塊寫操作的程序優(yōu)化，通過節(jié)省主函數(shù)循環(huán)調(diào)用子函數(shù)及單塊寫操作每次初始應(yīng)答的時間，提高了數(shù)據(jù)寫入速度。使用4數(shù)據(jù)線傳輸時，每次傳輸4 bit數(shù)據(jù)，每根數(shù)據(jù)線都必須有起始位、終止位以及CRC位，CRC位每根數(shù)據(jù)線都要分別檢查，并把檢查結(jié)果匯總?cè)缓笤跀?shù)據(jù)傳輸完后通過D0線反饋給主機(jī)。SD卡數(shù)據(jù)存儲的工作流程如圖8所示。

圖8 SD卡存儲工作流程圖

4 信息管理軟件設(shè)計(jì)

地質(zhì)勘探鉆機(jī)鉆探數(shù)據(jù)管理與在線監(jiān)測系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，在Maven工程項(xiàng)目中采用Spring、MyBatis、Shiro框架下的開發(fā)平臺Renren-security開發(fā)了服務(wù)器后臺程序。采用Token令牌的單線程通信方式，和MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，搭配Vue框架設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的Web瀏覽器操作界面。系統(tǒng)通過HTTP協(xié)議、TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息交互，使用IDEA開發(fā)工具、Node.js模型以及Vue.js框架完成了開發(fā)，采用了接口和類的編寫方式，實(shí)行Java封裝，極大地優(yōu)化了編譯過程，減少了工作量，同時實(shí)現(xiàn)了豐富的功能。系統(tǒng)具有良好可擴(kuò)展性，可復(fù)用性強(qiáng)，功能完善、界面簡約大方、便于用戶前臺查詢和管理員后臺管理維護(hù)。鉆探數(shù)據(jù)管理與在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖如圖9所示。

圖9 鉆探數(shù)據(jù)管理與在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向示意圖

使用JavaWebb技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的B/S架構(gòu)，Web服務(wù)器布置Servlet，完成HTTP協(xié)議信息交互。基于JavaBean實(shí)習(xí)部分服務(wù)器后臺程序，基于JSP實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器前臺動態(tài)交互。應(yīng)用服務(wù)器程序采用C++語言編寫了TCP通信程序，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動接口將數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于驗(yàn)證系統(tǒng)深度測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度。

根據(jù)前文介紹的測量原理，實(shí)際深度測量的直接測量數(shù)據(jù)時測量儀安裝位置距離地面的高度。為驗(yàn)證測量準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)環(huán)境布設(shè)為鉆孔周邊為平整地面。鉆機(jī)作業(yè)過程中，鉆機(jī)旁邊放置一個高2.5米的梯子，驗(yàn)證人員在梯子上用長卷尺測量測量儀離地面高度，與測量主機(jī)讀數(shù)進(jìn)行比較。共進(jìn)行了200次實(shí)驗(yàn)對比，隨機(jī)選取20次測量結(jié)果列于表2中。

為減少人工測量因測量人員讀數(shù)嚴(yán)謹(jǐn)性造成的不準(zhǔn)確，這200次實(shí)驗(yàn)對比是由20個測量人員完成，每個測量人員測量10次。表2中的20組數(shù)據(jù)為每個測量人員選取了一組數(shù)據(jù)列出來，由測量對比結(jié)果可以看到，系統(tǒng)測量誤差小于等于1.4 cm，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表2 選取20組測距結(jié)果對比 cm

另外，為了測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確程度，在測量深度準(zhǔn)確度的同時，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)平臺也記錄了實(shí)時測量結(jié)果，與本地結(jié)果進(jìn)行對比。選取與表1同樣的本地系統(tǒng)數(shù)據(jù)，與遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)對比列于表3中。

表3 選取20組傳輸結(jié)果對比 cm

由表3可見，傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率為100%，優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，有力的保障了測量數(shù)據(jù)的可靠傳遞和存儲。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種具有GPRS通信功能的地質(zhì)勘探鉆機(jī)實(shí)時孔深測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用了STM32系列微處理器芯片STM32F103VET6作為主控單元，數(shù)據(jù)存儲選用了金士頓64Gclass10高速SDHC卡，通過USB接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，通過TCP/IP協(xié)議完成了與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，并開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的地質(zhì)勘探鉆機(jī)鉆探數(shù)據(jù)管理與在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對地質(zhì)勘探鉆機(jī)工作信息的數(shù)據(jù)采集、存儲與管理。系統(tǒng)在建筑工地進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)正確率高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，但工作現(xiàn)場泥水較多，如何做好系統(tǒng)樣機(jī)的防護(hù)設(shè)計(jì)，達(dá)到真正實(shí)用的程度，尚需進(jìn)一步研究[1-11]。