基于NB-IoT 的雙側向測井儀遠程監測系統設計

王永濤，王書純，邵 春

（1.中國地質大學（武漢）自動化學院，湖北武漢 430074；2.中國地質大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074）

雙側向測井是地質鉆井檢測中的一種重要地球物理方法，區域內多口鉆井檢測數據網格化三維聯合反演能有效地發現油氣礦藏，實時接收到多口測井數據是區域反演解釋的關鍵[1-3]。目前，測井數據只保存在現場雙側向測井儀中，幾周后甚至幾個月后，野外作業完成后，數據才被拷貝回來反演解釋，實時性不佳。因此，雙側向測井儀遠程無線監測技術的研究具有重要的意義。

隨著無線通信技術的發展，ZigBee、藍牙、WiFi、LoRa、NB-IoT 等無線技術層出不窮，每種技術都有各自的特點，ZigBee 和藍牙常用于物聯網節點，功耗低，但帶寬低且傳輸距離短[4-7]。WiFi 雖然帶寬充足，但功耗大，適合近距離無線傳輸[8-9]。LoRa 功耗低，無線傳輸距離遠，但處于非授權頻段[10]。NB-IoT是近幾年新興起的一種廣域網通信技術，功耗低、傳輸距離遠、連接能力強、可以利用三大運營商的現有蜂窩網絡直接把數據上傳到云端服務器[11-12]。基于此，該文設計并實現了基于NB-IoT 無線通信技術的雙側向測井儀遠程監測系統，測井數據實時上傳到阿里云服務器，供專家反演解釋鉆井異常，尋找油氣等礦藏資源。

1 總體設計思路

雙側向測井儀遠程監測系統示意圖如圖1 所示，儀器由主控制器、電纜盤、地電極和探頭組成。探頭由9 個環形導電電極構成，中間用高強度的絕緣塑料隔開，具有信號聚焦功能，在鉆井中移動，采集深側向和淺側向兩種地層視電阻率數據。電纜盤一端連接探頭，另一端連接主控制器，電纜線抗拉耐磨，傳輸控制命令和數據，電纜盤還具有計算距離的功能，最小距離分辨率可達1 cm，為了現場使用方便，主控制器固定在電纜盤上。主控制器接收地層視電阻率數據，通過屏幕顯示給現場技術人員，現場人員根據數據及時調整參數，發送控制命令給探頭，主控制器內置NB-IoT 無線天線，鉆井地層視電阻率數據以及鉆井基本信息除了存儲在現場儀器存儲器中，還通過NB-IoT 傳送到阿里云服務器。由于中國移動支持眾多的云平臺，便于后續平臺移植，儀器中內置的是中國移動卡，用中國移動蜂窩網絡連接數據。總部或者全國各地的專家可以登錄阿里云平臺，實時查看測井數據，遠程操控指導現場作業，及時聯合分析項目區域內多口鉆井雙側向測井數據，網格化三維聯合反演，為整個項目作出科學分析和決策。

圖1 雙側向測井儀遠程監測系統示意圖

2 系統硬件電路設計

雙側向測井儀遠程監測系統電路設計比較復雜，由多個功能模塊組成，儀器硬件電路設計框圖如圖2所示。數據采集電路模塊負責模擬信號采集及數字轉化，探頭電極和地電極共同構成電極網絡，采集微弱信號時，信號經過濾波、放大等調理電路后，經ADC轉化成數字信號。FPGA 芯片EP4CE22E22I8LN 負責系統電路邏輯功能和電阻率數據緩存功能，邏輯功能包括濾波電路中頻率分頻和ADC 輸入時鐘產生等。MCU 芯片PIC32MZ2048EFH144 是系統電路的控制核心，用于接收數據并與NB-IoT 模塊通信，發送數據給遠程云服務器。NB-IoT 模塊電路設計是該文的重點內容，其詳細介紹如下。

圖2 儀器硬件電路設計框圖

NB-IoT 模塊采用移遠通信的BC26，它是一款低功耗、符合3GPP Rel.13 和Rel.14 協議標準的窄帶物聯網模塊[13-14]。圖3是BC26模塊電路原理圖，BC26通過串口和MCU 芯片PIC32MZ2048EFH144 通信，由于BC26串口是1.8 V電平，而MCU 串口電平是3.3 V，所以中間要加上電平轉化芯片TXS0108E，使數據正常通信。模塊中基帶電源和射頻電源電壓最低需求可低至2.1 V，正常情況使用3.3 V 電源，為了防止射頻數據發射時，電壓掉落到2.1 V 以下，在BC26 模塊電源端并聯一個100 μF 的儲能電容和多個濾波電容，并且增加一個TVS 管提高電源抗浪涌能力。當模塊通電后，置低PWRKEY 引腳來開機，需要MCU初始化時把PIC_KEY 置“0”至少100 ms。BC26 模塊提供5 個SIM 卡專用引腳，連接SIM 卡座，DATA、CLK、RST 引腳分別串聯22 Ω電阻，用于抑制反射電流，并聯33 pF 電容用于消除射頻噪聲，5 條SIM 卡專用走線PCB 布線時，應遠離電源線和射頻線路。模塊射頻接口連接50 Ω的射頻接頭和天線，達到最佳的發送數據效果。

3 系統軟件設計

基于NB-IoT 的雙側向測井儀遠程監測系統軟件設計可分為兩部分，一部分是云服務器端產品設備實例設計，另一部分是儀器端發送程序設計，即MCU 通過BC26 實現網絡配置以及數據發送程序。

3.1 云服務器端實例設計

雙側向測井儀端點與阿里云服務器之間通信遵循Alink 協議，該協議是一種針對物聯網開發領域設計的數據交換規范，保障了儀器上線和數據發送接收都能夠順暢完成[15]。數據交互采用JSON（JavaScript Object Notation）格式，是一種易于編寫、解析容易、結構清晰的文本數據格式，下面這段代碼是系統中使用的JSON 格式程序代碼，參數意義參看代碼后語句注釋。

云服務器物聯網平臺是用“產品”和“設備”概念來管理的。首先創建產品，如雙側向測井儀，一個產品下面可以添加很多設備，工程項目中有很多鉆井，一個鉆井即對應云服務器中一個設備。創建雙側向測井儀產品時，節點類型選擇“直連設備”，聯網方式選擇“蜂窩（2G/3G/4G/5G）”,數據格式選擇“Alink JSON”，認證方式選擇“設備密鑰”，確認創建成功后，在產品“功能定義”選項中增加需要存儲的數據名稱以及該數據的屬性，例如深側向電阻率，標識符為“DRes”，取值范圍“0.0～50 000.0”，單位“Ω·m”等。每個鉆井都會繼承產品的屬性，并且擁有唯一的三元素信息。

3.2 儀器端軟件設計

雙側向測井儀端點中MCU 通過BC26 實現網絡配置以及數據發送。文中用實例來詳細說明雙側向測井儀端點與MQTT 服務器建立通信的過程[16]，以及數據上傳發布的實例代碼，步驟可分為五步。

第一步：查詢雙側向測井儀所在位置的中國移動信號強度。NB-IoT 無線網絡比相同頻段的其他網絡信號更強，儀器開機初始化后，首先檢查無線信號強度，AT 命令代碼為“AT+CSQ”，若返回字符串為“+CSQ: 25,0”，表示儀器注冊網絡成功。返回字符串中第一個值“25”表示信號強度，信號強度范圍為0～31，值越大表明儀器所處位置信號越好，一般值小于15 表明信號低，無法正常聯網通信。返回字符串中第二個值“0”表示誤碼率，其數值越小越好，如果數值過大，則需要檢查SIM 卡是否接觸不良或者震動錯位。這兩個值在儀器初始化后，會在雙側向測井儀LCD 屏幕上顯示出來。

第二步：配置雙側向測井儀在阿里云服務器的設備三元素信息。AT 命令代碼為AT+QMTCFG=“aliauth”,0,“gb71jJk2d2y”“,DBS2-23”“,cb03049f03 8bce988357f2386 3c3e9”，返回“ok”表示成功。每個雙側向測井儀都有唯一的三元素信息，分別為產品標識符、設備名稱、設備密鑰。與阿里云服務器中設備實例一一對應，相當于通信過程中的用戶名和密碼，只有三元素信息正確，雙側向測井儀發送的數據包才能存儲到云服務器相應的實例中。

第三步：登錄打開阿里云MQTT 服務器，AT 命令代碼為“AT+QMTOPEN=0“,139.196.135.135”,1883”，返回“+QMTOPEN: 0,0”表示登錄成功，其他參數表示不成功。BC26 模塊除了上面AT 代碼中用IP 地址的方式登錄云服務器外，還可以用域名的方式登錄，例如：“iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyu ncs.com”,但域名解析有時會很慢，所以常用IP 方式登錄。參數中“1883”是阿里云MQTT 服務器端口號。

第四步：連接阿里云MQTT 服務器，AT 代碼為AT+QMTCONN=0,“ Duallaterolog ”，返回“+QMT CONN: 0,0,0”表示連接成功。代碼中字符串參數可以為任意值，不受約束，前面設備三元素已經進行唯一標示。此處注意的是登錄和連接兩步之間的時間間隔不能超過10 s，否則會被服務器強行關閉，所以要求MCU 發送第三步AT 命令給BC26 模塊，接到正確返回信息后，立即發送第四步AT 命令，中間不要有秒級別延時，同時把除了串口2 的其他中斷都關閉，防止程序跳轉。

第五步：發布雙側向測井儀數據給MQTT 服務器。AT代碼為：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”表示數據上傳發布成功。該步采用的是設備屬性上報物模型通信Topic，其中上報內容標識符Borehole、Depth、DRes、SRes 分別表示鉆井號、鉆井深度、深側向電阻率、淺側向電阻率，與阿里云MQTT 服務器上的設備實例標識符一一對應，服務器收到數據包后，根據JSON格式解析，分別把數據存儲到各個設備實例標識符中，有“圖表”和“表格”兩種方式顯示多個數據供專家分析使用。

4 系統測試

系統儀器組裝完成后，經過了多次室內調試和現場測試。圖4 是雙側向測井儀主控制器實物圖，為了便于運輸和現場使用方便，主控制器固定在電纜盤上，圖中有兩根無線天線，右邊是WiFi天線，用于發送數據給現場技術工程師，在嘈雜的野外現場，無線連接有利于技術人員操作儀器，左邊是NB-IoT 天線，用于同步上傳數據到云服務器，供遠程專家分析和決策。

圖4 雙側向測井儀主控制器實物圖

現場測試數據通過NB-IoT 網絡發送到云服務器中顯示并存儲，圖5 是阿里云服務器數據界面截圖，從圖中可以清晰看到鉆井號、鉆井深度、深側向電阻率、淺側向電阻率各個參數數據，并且數據是實時更新的。遠程專家可以隨時查看存儲的歷史數據，通過表格或曲線的方式分析參數數據，圖6 為云服務器歷史數據曲線圖表截圖。

圖5 阿里云服務器數據界面截圖

圖6 云服務器歷史數據曲線圖表截圖

5 結論

該文對雙側向測井儀遠程監測系統進行了研究，設計并實現了基于窄帶物聯網模塊的硬件數據發送裝置和云服務器端軟件實例。實驗結果表明，雙側向測井儀野外現場數據能實時顯示并存儲在云服務器中，供區域內多口鉆井聯合反演使用，系統實用性高、性能穩定，具有良好的市場應用前景。