周文全，孫彩堂，周逢道，劉長勝

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長春130026)

可控源音頻大地電磁測深CSAMT[1](Controlled Source Audio Magnetotellurics)法通過同步發(fā)射接收一組不同頻率的信號，測量大地的復(fù)電阻頻譜，從而得到地下不同深度介質(zhì)電阻率的變化規(guī)律。

在CSAMT法勘探過程中，需要根據(jù)探測目標(biāo)布置發(fā)射源。在接收端，要將儀器放置到各采集點，在大部分情況下，工作人員只能通過步行的方式將設(shè)備送到采集點。這些特點決定了對數(shù)據(jù)進(jìn)行補測要浪費大量的人力和物力，因此，迫切需要能夠在工作現(xiàn)場或遠(yuǎn)程實時監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量，以便工作人員及時發(fā)現(xiàn)采集過程中發(fā)生的問題并分析原因，盡早采取相應(yīng)措施。

目前，加拿大鳳凰公司的V8采用TDMA進(jìn)行各站之間的數(shù)據(jù)傳輸；吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣學(xué)院自主研發(fā)的JLEMI[2]分布式采集系統(tǒng)采用了GPRS，可以在遠(yuǎn)程工作站實時監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)。這些方法依賴于移動網(wǎng)絡(luò)，在信號質(zhì)量不好的情況下工作會受到影響，甚至無法監(jiān)測。

除了移動網(wǎng)絡(luò)之外，現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的無線傳輸技術(shù)[3]有ZigBee、紅外線數(shù)據(jù)傳輸、WiFi等。但當(dāng)前的手機中很少直接支持ZigBee，紅外線數(shù)據(jù)傳輸方式要求進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備之間必須對準(zhǔn)，而且中間不能有阻擋。藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般10 m內(nèi))的無線電技術(shù)，采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，其數(shù)據(jù)速率為1 Mb/s，采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸，現(xiàn)在手機、平板電腦等基本都配置了藍(lán)牙設(shè)備。

基于上述分析，本文采用藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)[4]，實現(xiàn)了采集站與Android手機間的數(shù)據(jù)傳輸。通過在采集站中嵌入藍(lán)牙模塊，在采集數(shù)據(jù)的同時，將數(shù)據(jù)以特定格式發(fā)送到手機中，在手機端對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并實時顯示。將該系統(tǒng)應(yīng)用到JLEMI工作過程中，為工作人員帶來了很多便利。

1 系統(tǒng)組成

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2 采集站

本系統(tǒng)中采集站[6]主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單預(yù)處理，將原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理結(jié)果保存到本地磁盤中。除此以外，還可以通過嵌入的藍(lán)牙模塊將預(yù)處理結(jié)果傳輸?shù)绞謾C端。

采集站啟動后，首先開啟藍(lán)牙設(shè)備并監(jiān)聽手機端接入請求。當(dāng)有手機接入后，開啟新的線程并監(jiān)聽處理手機端發(fā)來的命令。如果手機端需要監(jiān)測數(shù)據(jù)，則必須首先向采集站發(fā)送相應(yīng)指令。當(dāng)采集站收到指令后，讀取采集到的數(shù)據(jù)，按照自定義的協(xié)議進(jìn)行封裝，并向手機端傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸期間，手機可以通過向采集站發(fā)送命令，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅和Ｅc退出。

采集站端采用了開源庫bluecove[7]實現(xiàn)對藍(lán)牙模塊編程，并引入jdom.jar包實現(xiàn)對xml文件的讀取與解析[8]。

3 手機端

當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的手機操作系統(tǒng)包括Android、iOS、BlackBerry和Windows Phone等。市場研究公司Strategy Analytics在2013年11月1日發(fā)表報告稱，2013年第3季度全球智能手機出貨量在2012年同期的1.728億部基礎(chǔ)上增長45%，達(dá)到2.514億部，其中Android市場份額為81.3%，成為現(xiàn)在的主流手機操作系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)的手機端基于Android操作系統(tǒng)開發(fā)。

目前，市面上已經(jīng)存在許多基于Android操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，如基于藍(lán)牙的健康服務(wù)終端應(yīng)用軟件、基于GPRS通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用軟件以及基于各種通信協(xié)議的應(yīng)用軟件等，這些應(yīng)用軟件給現(xiàn)代生活帶來了極大便利。

3.1 工作流程

本系統(tǒng)的手機端應(yīng)用程序包含1個Service和2個Activity。其中Service在后臺運行，其作用是監(jiān)聽本手機端的狀態(tài)，當(dāng)有事件產(chǎn)生時，與2個Activity產(chǎn)生交互，控制程序的運行。主Activity控制程序初始化、數(shù)據(jù)接收、預(yù)處理和曲線繪制；Activity2的作用是搜索周圍的藍(lán)牙設(shè)備，顯示搜索結(jié)果，接受用戶選擇，并將選擇結(jié)果傳遞給主Activity。手機端程序流程圖如圖2所示。

式(1)中H0為塌落前洞體最大高度，m；k為巖石松散(漲余)系數(shù)，灰?guī)rk取1.2，黏土k取1.05本公式使用范圍：適用于頂板為中厚層、薄層，裂隙發(fā)育，易風(fēng)化的巖層，頂板有塌陷可能的溶洞，或僅知洞體高度時。公式如下：

(1)啟動藍(lán)牙

首先檢查手機是否支持藍(lán)牙，如果支持，則獲取藍(lán)牙適配器對象，并在AndroidManifest中申明藍(lán)牙使用權(quán)限，開啟藍(lán)牙。

(2)搜索采集站藍(lán)牙設(shè)備

在手機端搜索采集站藍(lán)牙設(shè)備前，先要設(shè)置采集站端藍(lán)牙設(shè)備可見，以便手機端發(fā)現(xiàn)采集站藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對。手機端通過使用BluetoothAdapter的startDiscovery()方法來搜索藍(lán)牙設(shè)備，在這個過程中，系統(tǒng)會發(fā)送以下3個廣播：

圖2 手機端整體流程圖

手機端可以注冊相應(yīng)的BroadcastReceiver對象來接收相應(yīng)的廣播，以便做出響應(yīng)。

(3)請求建立連接

手機端搜索到采集站藍(lán)牙設(shè)備后，可以獲取其BluetoothService，然后利用listenUsingRfcomm_WithServiceRecord(String,UUID)方法獲取對應(yīng)的BluetoothSocket，最后調(diào)用BluetoothSocket的connect()方法請求連接。如果手機端的UUID同采集站藍(lán)牙設(shè)備的UUID匹配，并且連接被采集站端藍(lán)牙設(shè)備接受，則連接成功。

(4)接收指令和數(shù)據(jù)

請求連接成功后，手機端和采集站的藍(lán)牙設(shè)備分別監(jiān)聽端口。當(dāng)手機端向采集站發(fā)送一個讀取數(shù)據(jù)指令，采集站收到該指令后，首先根據(jù)自定義的協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后利用藍(lán)牙協(xié)議傳輸?shù)绞謾C端。手機端的主Activity監(jiān)聽數(shù)據(jù)端口，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行解析，得到發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，為后期的數(shù)據(jù)預(yù)處理和曲線繪制做準(zhǔn)備。

(5)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖顯示，其中可以通過選項來控制是否需要在顯示之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑。

3.2 曲線繪制

本系統(tǒng)選擇開源類庫Achartengine[9]作為繪圖工具。該類庫針對Android系統(tǒng)開發(fā)，易于二次開發(fā)，能夠繪制折線圖、餅狀圖、柱狀圖等多種曲線。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以折線圖的形式顯示。

對于CSAMT數(shù)據(jù)曲線，由于發(fā)射頻率和幅值都相差多個數(shù)量級，因此，需要以對數(shù)坐標(biāo)的形式顯示。而Achartengine不直接支持對數(shù)坐標(biāo)，本文通過對坐標(biāo)軸的改進(jìn)，實現(xiàn)了自定義坐標(biāo)軸，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的對數(shù)顯示。主要步驟如下：

(1)將x軸改造為對數(shù)坐標(biāo)

利用addXTextLabel函數(shù)實現(xiàn)x軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，該函數(shù)的基本格式為：addXTextLabel(double x，String text)，其中x為x軸坐標(biāo)點，text為轉(zhuǎn)換后顯示在x點的坐標(biāo)值，如果不顯示，則可以設(shè)為空。x和text之間的關(guān)系為x=log10(text)。利用該方法，可以添加一系列的x軸對數(shù)坐標(biāo)點。

(2)將y軸改造為對數(shù)坐標(biāo)

原理和x軸相同，利用addYTextLabel(double y，String text)函數(shù)實現(xiàn)y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

(3)數(shù)據(jù)顯示

將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對數(shù)，并利用series.add()添加到繪圖中顯示。圖3顯示了手機中基于Achartengine繪制的數(shù)據(jù)曲線圖。因為本系統(tǒng)所應(yīng)用的采集站有4個通道，所以共有8條曲線，包括4條幅頻特性曲線(上半部分)與4條相頻特性曲線(下半部分)。

圖3 采集數(shù)據(jù)的曲線圖

Achartengine為靜態(tài)繪圖，為達(dá)到實時更新的動態(tài)效果，需要對其進(jìn)行動態(tài)刷新，即每當(dāng)有新數(shù)據(jù)到來時，便進(jìn)行一次點集的更新和繪圖的刷新。點觸曲線中某點，可以顯示該點對應(yīng)的值，方便現(xiàn)場分析和判斷。

3.3 曲線平滑濾波

CSAMT法測量過程中，容易受到噪聲的干擾，在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)“飛點”現(xiàn)象，會對后期的數(shù)據(jù)處理造成極大的干擾，甚至導(dǎo)致假結(jié)果。本文使用基于各向異性擴散的濾波方法[10]對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，算法模型為：

該方法以梯度的降函數(shù)做擴散速度，在梯度大的點擴散量較小，在梯度小的點擴散量較大，其優(yōu)點是在濾除噪聲的同時能保護(hù)曲線的局部特征。梯度的降函數(shù)相當(dāng)于邊界保護(hù)函數(shù)的作用，如式(2)所示：

其中，k為閾值參數(shù)。

利用該算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑的效果如圖4所示。

圖4 基于各向異性擴散算法的數(shù)據(jù)平滑效果圖

本文根據(jù)CSAMT法工作環(huán)境的特點，將藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)引入CSAMT法的數(shù)據(jù)采集過程中，手機端在接收到采集數(shù)據(jù)后可以進(jìn)行平滑處理，并通過對Achartengine類庫中坐標(biāo)軸的改進(jìn)，實現(xiàn)對數(shù)坐標(biāo)顯示，在實際應(yīng)用中得到了較好的效果。本系統(tǒng)既有利于進(jìn)行CSAMT數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測，也可以為現(xiàn)場工作人員觀察數(shù)據(jù)采集質(zhì)量、判斷故障點提供參考和支持，提高其工作效率。本系統(tǒng)的應(yīng)用可以使采集設(shè)備不再配備顯示屏，有助于進(jìn)一步減小體積，降低功耗。

藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸距離有限，不能達(dá)到遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)監(jiān)測的目的，下一步工作是基于GPRS或WiFi無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)手機中的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)監(jiān)測。

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