基于NB-IoT 的双侧向测井仪远程监测系统设计

2022-10-11王永涛王书纯

电子设计工程 2022年19期

王永涛，王书纯，邵春

（1.中国地质大学（武汉）自动化学院，湖北武汉 430074；2.中国地质大学（武汉）资源学院，湖北武汉 430074）

双侧向测井是地质钻井检测中的一种重要地球物理方法，区域内多口钻井检测数据网格化三维联合反演能有效地发现油气矿藏，实时接收到多口测井数据是区域反演解释的关键[1-3]。目前，测井数据只保存在现场双侧向测井仪中，几周后甚至几个月后，野外作业完成后，数据才被拷贝回来反演解释，实时性不佳。因此，双侧向测井仪远程无线监测技术的研究具有重要的意义。

随着无线通信技术的发展，ZigBee、蓝牙、WiFi、LoRa、NB-IoT 等无线技术层出不穷，每种技术都有各自的特点，ZigBee 和蓝牙常用于物联网节点，功耗低，但带宽低且传输距离短[4-7]。WiFi 虽然带宽充足，但功耗大，适合近距离无线传输[8-9]。LoRa 功耗低，无线传输距离远，但处于非授权频段[10]。NB-IoT是近几年新兴起的一种广域网通信技术，功耗低、传输距离远、连接能力强、可以利用三大运营商的现有蜂窝网络直接把数据上传到云端服务器[11-12]。基于此，该文设计并实现了基于NB-IoT 无线通信技术的双侧向测井仪远程监测系统，测井数据实时上传到阿里云服务器，供专家反演解释钻井异常，寻找油气等矿藏资源。

1 总体设计思路

双侧向测井仪远程监测系统示意图如图1 所示，仪器由主控制器、电缆盘、地电极和探头组成。探头由9 个环形导电电极构成，中间用高强度的绝缘塑料隔开，具有信号聚焦功能，在钻井中移动，采集深侧向和浅侧向两种地层视电阻率数据。电缆盘一端连接探头，另一端连接主控制器，电缆线抗拉耐磨，传输控制命令和数据，电缆盘还具有计算距离的功能，最小距离分辨率可达1 cm，为了现场使用方便，主控制器固定在电缆盘上。主控制器接收地层视电阻率数据，通过屏幕显示给现场技术人员，现场人员根据数据及时调整参数，发送控制命令给探头，主控制器内置NB-IoT 无线天线，钻井地层视电阻率数据以及钻井基本信息除了存储在现场仪器存储器中，还通过NB-IoT 传送到阿里云服务器。由于中国移动支持众多的云平台，便于后续平台移植，仪器中内置的是中国移动卡，用中国移动蜂窝网络连接数据。总部或者全国各地的专家可以登录阿里云平台，实时查看测井数据，远程操控指导现场作业，及时联合分析项目区域内多口钻井双侧向测井数据，网格化三维联合反演，为整个项目作出科学分析和决策。

图1 双侧向测井仪远程监测系统示意图

2 系统硬件电路设计

双侧向测井仪远程监测系统电路设计比较复杂，由多个功能模块组成，仪器硬件电路设计框图如图2所示。数据采集电路模块负责模拟信号采集及数字转化，探头电极和地电极共同构成电极网络，采集微弱信号时，信号经过滤波、放大等调理电路后，经ADC转化成数字信号。FPGA 芯片EP4CE22E22I8LN 负责系统电路逻辑功能和电阻率数据缓存功能，逻辑功能包括滤波电路中频率分频和ADC 输入时钟产生等。MCU 芯片PIC32MZ2048EFH144 是系统电路的控制核心，用于接收数据并与NB-IoT 模块通信，发送数据给远程云服务器。NB-IoT 模块电路设计是该文的重点内容，其详细介绍如下。

图2 仪器硬件电路设计框图

NB-IoT 模块采用移远通信的BC26，它是一款低功耗、符合3GPP Rel.13 和Rel.14 协议标准的窄带物联网模块[13-14]。图3是BC26模块电路原理图，BC26通过串口和MCU 芯片PIC32MZ2048EFH144 通信，由于BC26串口是1.8 V电平，而MCU 串口电平是3.3 V，所以中间要加上电平转化芯片TXS0108E，使数据正常通信。模块中基带电源和射频电源电压最低需求可低至2.1 V，正常情况使用3.3 V 电源，为了防止射频数据发射时，电压掉落到2.1 V 以下，在BC26 模块电源端并联一个100 μF 的储能电容和多个滤波电容，并且增加一个TVS 管提高电源抗浪涌能力。当模块通电后，置低PWRKEY 引脚来开机，需要MCU初始化时把PIC_KEY 置“0”至少100 ms。BC26 模块提供5 个SIM 卡专用引脚，连接SIM 卡座，DATA、CLK、RST 引脚分别串联22 Ω电阻，用于抑制反射电流，并联33 pF 电容用于消除射频噪声，5 条SIM 卡专用走线PCB 布线时，应远离电源线和射频线路。模块射频接口连接50 Ω的射频接头和天线，达到最佳的发送数据效果。

3 系统软件设计

基于NB-IoT 的双侧向测井仪远程监测系统软件设计可分为两部分，一部分是云服务器端产品设备实例设计，另一部分是仪器端发送程序设计，即MCU 通过BC26 实现网络配置以及数据发送程序。

3.1 云服务器端实例设计

双侧向测井仪端点与阿里云服务器之间通信遵循Alink 协议，该协议是一种针对物联网开发领域设计的数据交换规范，保障了仪器上线和数据发送接收都能够顺畅完成[15]。数据交互采用JSON（JavaScript Object Notation）格式，是一种易于编写、解析容易、结构清晰的文本数据格式，下面这段代码是系统中使用的JSON 格式程序代码，参数意义参看代码后语句注释。

云服务器物联网平台是用“产品”和“设备”概念来管理的。首先创建产品，如双侧向测井仪，一个产品下面可以添加很多设备，工程项目中有很多钻井，一个钻井即对应云服务器中一个设备。创建双侧向测井仪产品时，节点类型选择“直连设备”，联网方式选择“蜂窝（2G/3G/4G/5G）”,数据格式选择“Alink JSON”，认证方式选择“设备密钥”，确认创建成功后，在产品“功能定义”选项中增加需要存储的数据名称以及该数据的属性，例如深侧向电阻率，标识符为“DRes”，取值范围“0.0～50 000.0”，单位“Ω·m”等。每个钻井都会继承产品的属性，并且拥有唯一的三元素信息。

3.2 仪器端软件设计

双侧向测井仪端点中MCU 通过BC26 实现网络配置以及数据发送。文中用实例来详细说明双侧向测井仪端点与MQTT 服务器建立通信的过程[16]，以及数据上传发布的实例代码，步骤可分为五步。

第一步：查询双侧向测井仪所在位置的中国移动信号强度。NB-IoT 无线网络比相同频段的其他网络信号更强，仪器开机初始化后，首先检查无线信号强度，AT 命令代码为“AT+CSQ”，若返回字符串为“+CSQ: 25,0”，表示仪器注册网络成功。返回字符串中第一个值“25”表示信号强度，信号强度范围为0～31，值越大表明仪器所处位置信号越好，一般值小于15 表明信号低，无法正常联网通信。返回字符串中第二个值“0”表示误码率，其数值越小越好，如果数值过大，则需要检查SIM 卡是否接触不良或者震动错位。这两个值在仪器初始化后，会在双侧向测井仪LCD 屏幕上显示出来。

第二步：配置双侧向测井仪在阿里云服务器的设备三元素信息。AT 命令代码为AT+QMTCFG=“aliauth”,0,“gb71jJk2d2y”“,DBS2-23”“,cb03049f03 8bce988357f2386 3c3e9”，返回“ok”表示成功。每个双侧向测井仪都有唯一的三元素信息，分别为产品标识符、设备名称、设备密钥。与阿里云服务器中设备实例一一对应，相当于通信过程中的用户名和密码，只有三元素信息正确，双侧向测井仪发送的数据包才能存储到云服务器相应的实例中。

第三步：登录打开阿里云MQTT 服务器，AT 命令代码为“AT+QMTOPEN=0“,139.196.135.135”,1883”，返回“+QMTOPEN: 0,0”表示登录成功，其他参数表示不成功。BC26 模块除了上面AT 代码中用IP 地址的方式登录云服务器外，还可以用域名的方式登录，例如：“iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyu ncs.com”,但域名解析有时会很慢，所以常用IP 方式登录。参数中“1883”是阿里云MQTT 服务器端口号。

第四步：连接阿里云MQTT 服务器，AT 代码为AT+QMTCONN=0,“ Duallaterolog ”，返回“+QMT CONN: 0,0,0”表示连接成功。代码中字符串参数可以为任意值，不受约束，前面设备三元素已经进行唯一标示。此处注意的是登录和连接两步之间的时间间隔不能超过10 s，否则会被服务器强行关闭，所以要求MCU 发送第三步AT 命令给BC26 模块，接到正确返回信息后，立即发送第四步AT 命令，中间不要有秒级别延时，同时把除了串口2 的其他中断都关闭，防止程序跳转。

第五步：发布双侧向测井仪数据给MQTT 服务器。AT代码为：AT+QMTPUB=0,0,0,0,“/sys/gb71jJk 2d2y/DBS2-23/thing/event/property/post”“,“{id”“:7”,“version”:“2.3”,“params”:“{Borehole”:“DBS2-23”,“Depth”:“{value”:175.38},“DRes”:“{value”:62.9},“SRes”:“{value”:35.2}},“method”:“thing.event.property.post”}”，返回“+QMTPUB: 0,0,0”表示数据上传发布成功。该步采用的是设备属性上报物模型通信Topic，其中上报内容标识符Borehole、Depth、DRes、SRes 分别表示钻井号、钻井深度、深侧向电阻率、浅侧向电阻率，与阿里云MQTT 服务器上的设备实例标识符一一对应，服务器收到数据包后，根据JSON格式解析，分别把数据存储到各个设备实例标识符中，有“图表”和“表格”两种方式显示多个数据供专家分析使用。

4 系统测试

系统仪器组装完成后，经过了多次室内调试和现场测试。图4 是双侧向测井仪主控制器实物图，为了便于运输和现场使用方便，主控制器固定在电缆盘上，图中有两根无线天线，右边是WiFi天线，用于发送数据给现场技术工程师，在嘈杂的野外现场，无线连接有利于技术人员操作仪器，左边是NB-IoT 天线，用于同步上传数据到云服务器，供远程专家分析和决策。

图4 双侧向测井仪主控制器实物图

现场测试数据通过NB-IoT 网络发送到云服务器中显示并存储，图5 是阿里云服务器数据界面截图，从图中可以清晰看到钻井号、钻井深度、深侧向电阻率、浅侧向电阻率各个参数数据，并且数据是实时更新的。远程专家可以随时查看存储的历史数据，通过表格或曲线的方式分析参数数据，图6 为云服务器历史数据曲线图表截图。