基于物联网的电火花震源电力参数实时记录系统设计

王中原，罗明璋 (长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

王军民 (长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100)

罗充 (长江大学管理学院，湖北 荆州 434023)

谭来军 (中国石油集团测井有限公司技术中心，陕西 西安 710077)

目前，电火花震源已经逐步在石油勘探领域取代炸药震源，这主要是由于炸药本身极其危险，监管上需保证炸药的安全运输和存放，使用时需要专业的爆破人员，监管成本和使用成本都非常高；而且在实际使用时炸药的地域局限性较高，激发效果难以控制，不能使各次激发达到一致性，无法控制地震脉冲的频率。而电火花震源却弥补了炸药震源的这些缺点，电火花震源是一种绿色环保的人工可控震源，其激发能量可控，激发效果具有很好的一致性和精确的同步触发时间，可广泛应用于施工环境恶劣的地方。电火花震源最早由西方国家研制设计，1957年阿尔卑斯地球物理公司研制了世界第一台电火花震源系统；20世纪60～70年代，美国开始研制陆地和海洋电火花震源，1966年Miller取得了陆地电火花震源的专利，Wayna等取得了海洋电火花震源的专利，1973年Barbier发表海洋勘探用的编码电火花震源[1]。国内电火花震源起步较晚，20世纪80～90年代中国科学院电工所与中国石油天然气总公司大港油田物探处合作，成功研制了陆地油气勘探用车载电火花震源；2004年国家海洋局第一海洋研究所成功设计了一种智能控制复合相干电火花震源装置[2]。近10年来，长大物探科技有限公司研发团队经过不懈努力，成功研制出CD-2便携式电火花震源，该震源携带方便，工作稳定，获取的地震资料效果好。目前，国内电火花震源厂商都在谋求电火花震源设备的稳定运行，同时对电火花震源的控制也仅仅是开环控制。长大物探科技有限公司在自身设备稳定运行的基础上首次提出将电火花震源与物联网技术结合，形成能够闭环控制和接入互联网的电火花震源产品，将电火花震源工作的状态数据实时记录并上传到云端，这些数据可为技术人员远程分析电火花震源设备状态的好坏提供依据，对可能出现的故障提前做出判断，对设备及时进行保养，可进一步提高电火花震源设备的稳定与安全运行，实现对电火花震源进行远程监控与控制。电火花震源的工作状态数据有多种，其中比较重要的就是相关的电力参数数据。下面，笔者针对电火花震源电力参数设计了一种实时记录系统。

1 电火花震源的基本原理

电火花震源是利用放电电极在液体中放电而将储存在高压电容器中的电能转换成脉冲压力波的能量

图1 电火花震源原理示意图

转换装置，图1是电火花震源的基本原理示意图。其中，Us是震源充电系统，充电时开关S1闭合，开关S2断开，充电系统对电容C充电；充电完成后，开关S1断开，开关S2闭合，电容C通过放电电极瞬间放电，将电极周围的水电离气化，电能转换成地震波能量、部分热能和光能。CD-2电火花震源采用变频变压的工作方式，通过改变变频器的工作频率来控制输出电压的大小，进而改变电容器两端的电压值，实现充电的过程。

2 电火花震源电力参数的实时记录需求分析

长江大学研制的CD-2电火花震源的原理如图2所示，系统针对其参数记录需求设计，CD-2电火花震源采用变频变压的工作方式来完成充电过程，充电时间一般在30s左右。因此，设计所要考虑的第1个参数便是充电过程中充电电流大小的变化。通过动态实时监控充电电流大小的变化来判断充电过程是否正常，一旦有异常出现，如充电电流突然增大，则保护电路中保险丝将会熔断，使整套系统停止工作，避免过大的电流烧坏其他模块。系统会实时记录电流变化的过程，同时也会给出充电电流过大的提示。在对电容充电过程中，电容两端的电压不断增加，通过实时监测电容两端的电压值变化来观察充电过程中电压的变化情况，防止对电容过度充电。同时变频器输出电压的频率不断增加，为了动态了解变频器工作频率的变化情况，需要实时监测变频器的工作频率。以上所有的数据都会保存到本地的SD卡中，同时会通过WiFi将数据传输到远程监控终端。

图2 CD-2电火花震源原理图

3 系统设计

图3 电火花震源电力参数实时记录系统框图

图3是电火花震源电力参数实时记录系统框图，系统由电压/电流采集模块、SD卡存储模块、变频器工作频率测量模块、储能电压测量模块、WiFi传输模块和远程监控终端组成。整个底层系统以STM32F407作为主控制器。电火花震源所测的电流和电压均为大电流、高电压，为了保证整个系统可以安全稳定的运行，故该部分采用工业级的电流电压测量模块[3]，通过串口与MCU进行数据的交换；频率测量部分则直接采用变频器预留的频率输出口，其频率输出口输出的是电压，该电压值与频率呈现线性关系，通过AD采集和相关的数学运算获得频率值[4]；储能电压测量模块实时测量电容器两端的电压；由于MCU自带的存储空间有限，选用SD卡存储电流、电压和频率数据。

所有的数据均通过WiFi传输到远程监控终端上。WiFi是实现电火花震源与其他智能终端互联的重要媒介。在众多的无线连接技术中，WiFi是最适合物联网连接的技术，可以作为物联网的粘合剂连接更多设备。物联网技术实现了物物相连，物品和物品之间可以进行信息交换和通信。电火花震源借助WiFi实现了与远程监控终端如智能手机进行连接和数据交换，手机通过APP客户端可以控制电火花震源的充放电过程，并查看电火花震源的状态信息。

4 各模块功能实现

4.1 储能电压测量模块

储能电压是高压电容器两端的电压，高压电容器的最高耐压可达10000V。该模块的功能是实现充电电压的测量，并实时上传给主控模块(STM32F407)。高压的测量选用OWON系列的高压测量模块，采用电阻分压的方式使测量的电压范围在0～10V。为测量的安全性考虑，高压测量模块与主控模块(STM32F407)采用蓝牙方式，实现了高压测量与通信传输的有效隔离。

4.2 电压/电流采集模块

电火花震源在正常工作时的输入电压为220V，输入电流为2～3A。鉴于这种高电压、大电流的情况，设计直接采用工业级的电压/电流采集模块。该模块自带串口通信接口，可直接与单片机相连。在硬件上连接完成后，单片机直接发送命令，便可获得对应的数据。该模块命令的种类有6种，即可以获得6种参数，设计只需要获得其中的电压和电流数据即可。

4.3 变频器工作频率测量模块

频率信号源由变频器提供，变频器的控制回路端子提供频率输出的接口，该输出接口输出的是模拟电压，与频率呈线性关系，通过AD采集和相关的数学运算，可获得对应的频率值。AD采集使用MCU内部自带的AD模块[5]，12位的分辨率，参考电压Vref=3.3V。变频器输出的模拟电压其幅值可调，默认增益为100%，输出电压为0～10V，对应频率为0～400Hz。根据AD模块的参考电压，增益设为33%，则输出电压为0～3.3V，AD模块可采集到的频率范围为0～400Hz。最终可得频率f与输出电压V的数量关系为：

f=132V

变频器模拟电压输出端子的输出阻抗为100kΩ，根据STM32F407单片机的数据手册可知，AD模块的最大外部输入阻抗为500kΩ，为了准确的检测到模拟电压值，在变频器和AD模块之间加一个电压跟随器。同时，电压跟随器也起到了阻抗匹配作用，同时也增加了整个系统的抗干扰能力。

4.4 数据存储与传输(SD卡存储)模块

数据存储介质采用SD卡，SD卡工作在2.7～3.6V电压下，其工作模式有SPI模式和SD模式[6]，主机可以选择任意一种模式同SD卡通信。SD模式允许4线的高速数据传输，SPI模式允许简单的通过SPI接口与SD卡进行通信。这种模式同SD模式相比，速度较慢[7]。STM32F407单片机具备SPI接口和SD接口，2种模式均可以使用，设计采用速度较快的SD模式。传输模块负责将获取的数据传输到远程监控终端，以便终端可以将数据实时显示出来，远程终端通过WiFi与底层系统建立联系，并通过WiFi进行数据的交互，实现数据传输的功能。设计所使用的WiFi模块是较为常见的串口转WiFi模块，可通过串口与单片机进行连接，硬件实现上比较简单和方便。模块型号为HLK-RM04，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口、以太网和WiFi 3个接口之间的转换。串口转WiFi的传输速率最高可达到500kbps。模块可通过WiFi网页配置或串口AT指令对模块的参数进行修改和配置。模块工作在AP模式(接入点模式)，WiFi设备连接到模块，成为WiFi局域网下的设备。远程监控终端连接到WiFi模块后，便可以与电火花震源进行通信和数据上的交换，实现控制电火花震源的功能和实时监控电火花震源的工作状态。

5 试验与调试

图4 终端显示界面

为了避免受到干扰，将实时记录系统装上金属屏蔽罩接入现有的电火花震源系统中，具体来说是安装在电火花震源控制箱中，图4是终端显示界面。左侧曲线分别表示电火花震源供电电压、单次充电电流、单次充电频率和单次充电电压的变化趋势。正常情况下供电电压稳定在220V左右，设备以恒流的方式充电，充电频率与充电电压的变化趋势基本一致。为此需要对这3个参数做定量分析，结果如表1所示。表1中设定值是指设备正常工作时预先设定的参数大小，平均值是指实际工作时获得的各项参数的大小，标准差反映了数据偏离真实值的程度。

表1参数变化趋势反映了电火花震源正常工作时的情况，供电电压正常，充电电流在合理的范围内波动。随着频率的增加，充

表1 参数指标

注：充电电压/充电频率代表同一时刻两者的比值。

电电压稳步上升。当电火花震源出现异常时，如充电过程出现掉相的故障时，充电电压的增长会很快，反映在终端上就是充电电压曲线的斜率会很大，从而实现快速定位故障的功能。界面右侧是对电火花震源进行充放电的控制按钮和相关状态的显示，控制按钮包括充电、放电和暂停，状态显示包括电火花震源与远程控制终端的连接状态，以及电火花震源当前所处的状态(正在充电状态、已暂停状态和放电结束状态)和充电电压值的实时显示。

6 结语

针对电火花震源设计了一种基于物联网的电火花震源电力参数记录系统，可对电火花震源充放电过程的电力参数进行实时监控和记录。该系统的设计有2个创新点，一是采用物联网的思想，让传统的电火花震源设备具备互联互通的功能，可以与当前的智能终端进行联网通信；二是对电火花震源的工作状态进行实时监控和记录，有利于系统的故障诊断，实现故障的快速定位。因此，该系统具有较大的应用价值和推广价值。

[1]裴彦良，王揆洋，刘晨光，等.电火花震源系统充电技术研究[J].海洋技术，2007，26(3):73～76.

[2]吴漩流，王军民.大功率电火花震源的研究与设计 [D].荆州：长江大学，2016.

[3]杨志远，徐振林.电力参数的数字化测量和无线数据传送[J].电测与仪表，2005,42(472):34～37.

[4]郭颖娜，傅周兴.交流采样的频率测量及跟踪锁相方法的实现[J].自动化与仪器仪表，2002，(3):17～19.

[5]叶佳卓，银翔.电力负荷参数记录与监控系统的开发与应用[J].计算机工程，2006,32(5)：247～248.

[6]张弛，张成俊，吴晓光.单片机访问SD卡精简方法的设计与实现[J]. 机电工程，2011,28(4):479～481，499.

[7]李世奇，董浩斌，李荣生.基于FatFs文件系统的SD卡存储器设计[J].测控技术，2011,30(12):79～81.