CN107015269A - 一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统及监测方法，主要由服务器、无线微震数据采集站、现场手持巡检终端和无线AP构成，系统间通过WIFI互联，采用UDP和FTP协议进行通信。采集站采用STM32F207处理器做主控单元，32位的ADS1282做数据采集单元，既提高了数据的采集精度，又降低了采集站的功耗和成本；网络结构采用主、从AP拓扑的方式，且与服务器和各采集站构成一个完整的压裂监测系统，有效地解决了无线传输距离短、数据下载速度慢的问题。手持终端与采集站之间采用低功耗蓝牙的通讯方式进行数据交互，实现了以数据流形式的数据传输。系统综合各部分的优点，既能保证严格的数据同步采集、又能实时可靠的监测压裂状态，同时还具有较高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于地球物理勘探中的微地震压裂监测技术领域，特别涉及一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统及监测方法。
背景技术
微地震压裂监测技术是近年来在低渗透油气藏压裂改造领域中一项重要的新技术。该项技术通过在井口附近方圆几公里范围内地面上布置检波器来检测压裂井在压裂过程中诱发的微地震波，并以其描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布。它能实时提供压裂施工产生裂隙的高度、长度和方位角，利用这些信息可以优化压裂设计、优化井网或其他油田开发措施，从而提高采收率。
近几年，随着无线通信技术和微电子技术的日益发展，32位的STM32系列微控制器结合ARM公司提供的Cortex-M内核，可用于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。ARM Cortex-M系列处理器适用于微控制器、工业控制系统以及无线网络和传感器等诸多应用场合。其在很多环境恶劣、地况复杂的野外工程中得到了广泛的应用，如：防洪体系及水土质量监测、地震监测网、水源和空气污染监测。
中国专利CN204405855U公开了《一种微地震压裂监测系统》，其包括地震传感器、地震记录仪和数据反演处理器。其采用地震传感器向地震记录仪传送微地震信号，并将其转换为数字信号后传到数据反演处理器，从而实时描述压裂微地震活动及压裂裂缝的高度、长度和方位角。
中国CN105809924A公开了《一种微地震压裂监测实时传输系统》，基于WLAN的负载均衡算法能够充分利用AP的带宽，均衡每个AP的负载量，提高了AP的整体带载能力，采用基于最大吞吐量的轮询机制，能够对压裂监测现场的采集站在最大吞吐量的前提下采用轮询的方法来减少信道的拥塞状态，避免了现场所有的采集站同时进行数据传输而产生信道拥塞导致不能在有效时间内完成数据的实时传输。
2014年黄建宇在《高精度低功耗分布式地震采集站的研制》中采用高精度模数转换技术、FPGA嵌入式技术及微功耗电源技术，研制了适用于大规模有线数字遥测地震仪的高精度低功耗分布式地震采集站。2015年王肃静等在《一种低成本无缆地震仪采集站的研制》中设计了基于多项分解的软件滤波器提高24位Σ-ΔADC的动态范围,其低成本、小体积、低功耗的特点使其非常适用于复杂区域下的资源勘探。
现有技术中，虽在微地震实时压裂监测技术领域中已取得一定的成果，但由于系统中采集站的处理器性能差、采集精度低、功耗和成本高，且因单个采集站的无线通信距离短等原因造成压裂监测系统的整体性能较差，无法满足压裂现场的高精度性和时效性。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统及监测方法，该系统采用主、从AP的网络拓扑结构来扩大压裂现场的WIFI覆盖范围，主控站与采集站之间采用UDP和FTP协议进行实时通信，采集站采用新一代32位的STM32F207处理器做主控单元，32位的ADS1282做数据采集单元。该发明在降低成本的同时，有效地解决了无线传输距离短、数据下载速度慢的问题，还提高了采集精度和系统的稳定性，且在系统不通信的状态下，采集站的总功耗降低至1.2W。同时，采用现场手持巡检终端与采集站进行短距离通信，来及时对现场工作中的采集站进行实时状态查询及简易故障诊断。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统，主要由主控站、无线微震数据采集站、手持终端和无线AP构成，其中主控站与主AP有线连接，主AP与各从AP无线连接，各侧线上的无线微震数据采集站优先选择离自己较近的从AP进行无线连接，手持终端和采集站采用蓝牙互连进行数据交互；
所述无线微震数据采集站由主控板、模拟板、无线模块以及外部锂电池构成，其中主控板由STM32F207处理器模块、CPLD模块、GPS授时模块、以太网模块、蓝牙模块以及TF数据存储模块构成；模拟板由充电模块、供电模块以及32位ADS1282组成的3通道数据采集模块构成；无线模块由WIFI控制模块和WIFI通信模块构成；所述无线微震数据采集站的无线模块与主控板的以太网口相连，模拟板的3通道的数据采集模块与主控板的CPLD模块相连，外部锂电池与充电模块和供电模块相连。
所述主AP和从AP均为无线WIFI模块，模块通信频段为5.8G，最远通信距离为1000m，最大发射功率为26dBm，通信协议为802.11a/n。
上述基于无线网络的微地震压裂实时监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将主AP接上天线，并将天线升至1～3m,，主控站与主AP有线连接后将主AP上电，启动主控站；
B、选择合适的测线布设从AP，且主AP通过无线与各从AP相连；
C、各侧线上的无线微震数据采集站优先选择离自己较近的从AP进行无线连接；
D、将检波器与无线微震数据采集站相连，并将检波器埋入地下，采集站上电后依次进行板级初始化、文件系统初始化、读取配置系统参数、TCP/IP协议栈初始化、启动GPS授时子任务、启动时标管理子任务、启动FTP服务器、启动主机交互子任务和启动蓝牙交互子任务；
E、无线微震数据采集站GSP定位成功后，GPS模块会自动进入睡眠状态来降低功耗，当再次需要该功能时，GPS会自动唤醒，采集站依次进行启动采集、初始化A/D、启动A/D、等待同步时标、解析同步时标并创建文件夹及文件和读取A/D数据，检测是否有同步时标，若有，则开始写文件，写完后关闭，若无，则存入文件缓存区；检测缓存区是否已满，若否，则再次读取A/D数据，若是，则写文件；检测是否文件为1分钟，若否，则继续读取A/D数据，若是，则创建文件伪时标后关闭文件；
F、主控站通过UDP协议发送叫站、状态信息查询、参数设置和采集站自检命令，待主控站接收到所有采集站后，即可进行各站的状态信息查询和参数设置；
G、主控站与各采集站的FTP连接，并以文件传输的形式下载采集站中的数据；
H、主控站查看压裂过程中的实时数据波形以及进行数据处理操作；
I、压裂现场，可用手持终端查看压裂现场采集站的状态信息、设置参数以及数据交互。
步骤I具体为：首先通过蓝牙互联，然后终端发送命令，采集站解析并验证无误后返回应答帧。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)、所述无线微震数据采集站采用了新一代32位STM32F207处理器做主控单元，32位ADS1282做数据采集单元，在降低成本的同时，还有效提高了采集精度和系统的稳定性，且在系统不通信的状态下，采集站的总功耗降低至1.2W。
(2)、所述采用主、从AP来拓扑网络结构来扩大压裂现场的WIFI覆盖范围，有效的解决了无线传输距离短、速度慢的问题。
(3)、所述现场手持终端可通过低功耗蓝牙与采集站进行数据交互，实现了采集站与手持终端在低功耗的情况下进行数据流传输。
(4)、所述微地震压裂实时监测系统，既能严格的同步采集、又能可靠的实时监测压裂状态，同时还具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1微地震压裂实时监测系统框图；
图2无线微震数据采集站内部结构示意图；
图3现场手持巡检终端界面图；
图4无线微震数据采集站工作流程图；
图5数据采集工作流程图。
具体实施方式
本发明提供一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统及监测方法。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，微地震压裂实时监测系统包括主控站(服务器)、无线微震数据采集站、现场手持巡检终端以及无线AP四部分。主控站首先通过有线与主AP相连，其次主AP通过无线与各从AP相连，然后让各侧线上的无线微震数据采集站优先选择离自己较近的从AP进行无线连接，最后构成一个完整的数据采集和回收系统。其中，主控站是基于VisualStudio2017软件环境搭建的微地震压裂监测实时数据回收和处理平台，主要负责监控各采集站的状态、实时回收微地震数据、且实时显示数据波形及处理结果。采集站、主AP以及从AP的具体数量根据压裂现场的实际情况决定。
如图2所示，无线微震数据采集站包括主控板、模拟板、无线模块及外部锂电池。其中主控板由STM32F207处理器模块、可编程CPLD模块、GPS同步模块、以太网模块、蓝牙模块以及TF数据存储模块构成；模拟板由供电模块、充电模块、电源转换模块以及32位ADS1282组成的3通道数据采集模块构成。无线模块由WIFI控制模块和WIFI通信模块构成。
无线微震数据采集站不仅可以通过无线网络与服务器相连，而且也可以通过蓝牙与手持巡检终端相连。其主要负责微地震数据采集及存储，采集同步管理(GPS结合TCXO)，且以无线的方式与服务器和现场手持巡检终端进行状态及采集数据交互。
如图3所示，现场手持终端的主要功能包括：状态查询、参数设置、波形查看、阻抗值。现场手持巡检终端可通过蓝牙与无线微震数据采集站进行数据交互，是微地震压裂实时监测系统中不可缺少的一部分，可用于施工现场对无线微震数据采集站的状态查询及简易故障诊断。
本发明中所述状态查询主要是用于压裂现场查看仪器的工作情况，主要是查询采集站的相关属性参数，其包括采集站编号、GPS同步状态、采集状态、剩余存储空间、仪器可用电量、前放增益、检波器阻抗值、经度、纬度、文件记录长度、内核程序版本号等。
本发明中所述参数设置可改变采集站的工作状态，该命令会导致采集站进程重启，其主要包括采样间隔、前放增益、文件记录长度的相关设置。
本发明中所述主AP和从AP都是无线WIFI模块，该模块为通信频段5.8GHz，最远通信距离为1000m左右，最大发射功率26dBm(可调)，通信协议为802.11a/n。
所述主控站与采集站之间是通过WIFI互联，采用UDP和FTP协议进行通信，实现了采集站与主控站之间的远距离数据传输，UDP通信协议如表一、表二所示。首先，服务器通过UDP协议向采集站发送命令帧，然后采集站接受到命令并校验无误后返回应答帧。命令可实现叫站，状态信息查询等功能。
表一命令帧格式
表二应答帧格式
所述微地震数据实时回收是在UDP叫站成功的前提下，然后再进行FTP协议连接，且以文件的方式进行下载数据。最后进行数据波形显示和处理。
所述手持终端与采集站数据交互是基于蓝牙，通过蓝牙串口发送命令，采集站接收到命令并校验命令无误后返回应答帧，自定义交互协议如表三、表四所示。
表三命令帧格式
表四应答帧格式
微地震压裂实时监测旨在实现方圆几公里范围内的微地震数据采集和回收处理，可现场实时查看微地震数据波形及处理结果。
以野外实际压裂流程为例，基于无线网络的微地震压裂实时监测系统的监测方法，包括以下步骤：
A、首先，将主AP接上天线，并将天线升到1～3m的高度，将有线将服务器与主AP相连，再将主AP上电，启动主控站，打开软件界面；
B、选择合适的测线布设从AP，且主AP通过无线与各从AP相连；
C、各侧线上的无线微震数据采集站优先选择离自己较近的从AP进行无线连接；
D、将检波器与无线微震数据采集站相连，并将检波器埋入地下一定的深度，采集站上电后进入正常工作状态，如图4所示，依次为板级初始化、文件系统初始化、读取配置系统参数、TCP/IP协议栈初始化、启动GPS授时子任务、启动时标管理子任务、启动FTP服务器、启动主机交互子任务、启动蓝牙交互子任务；
E、无线微震数据采集站GSP定位成功后，GPS模块会自动进入睡眠状态来降低功耗，当再次需要该功能时，GPS会自动唤醒。如图5所示，定位成功后采集站依次会启动采集、初始化A/D、启动A/D、等待同步时标、解析同步时标并创建文件夹及文件、读取A/D数据，检测是否有同步时标，若有，则开始写文件，写完后关闭，若无，则存入文件缓存区；检测缓存区是否已满，若否，则再次读取A/D数据，若是，则写文件；检测是否文件为1分钟，若否，则继续读取A/D数据，若是，则创建文件伪时标，然后关闭文件；
F、开启采集站后，服务器通过UDP协议进行发送命令，包括叫站、状态信息查询、参数设置、采集站自检，其中叫站主要是为检测各采集站是否在线，测试网络的连通性；当所有站都被服务器接收到后，服务器就可以进行各站的状态信息查询，参数设置等；
G、以上步骤结束后，服务器就可以连接各采集站的FTP，当连接成功后，服务器就可以开始以文件传输的形式下载采集站中的数据；
H、当采集站中的实时数据下载成功后，服务器就可以查看压裂过程中的实时数据波形以及进行数据处理等操作；
I、压裂现场可用手持终端查看采集站的工作状态，首先通过蓝牙互联，然后终端发送命令，集站解析并验证无误后返回应答帧，该过程可以查看采集站的状态信息、设置参数以及数据交互。数据交互是为实时查看采集站中数据的波形，该数据交互方式是以数据流的形式进行。
本发明所述无线微震数据采集站采用了新一代32位ARM Cortex-M处理器做主控单元，32位ADS1282做数据采集单元，不仅提高了采集精度和系统的稳定性，而且降低了采集站的功耗和成本。所述现场手持终端可通过低功耗蓝牙与采集站进行数据交互，实现了在低功耗下进行数据流传输。
本发明采用主、从AP网络拓扑的结构，且与服务器和各采集站构成一个完整的压裂监测系统，有效地解决了无线传输距离短、数据下载速度慢的问题。
本发明提供的一种基于无线网络技术的微地震压裂实时监测系统，综合了系统中各部分的优点，既能保证严格的数据同步采集、又能实时可靠的监测压裂状态，同时还具有较高的工程应用价值。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统，其特征在于：主要由主控站、无线微震数据采集站、手持终端和无线AP构成，其中主控站与主AP有线连接，主AP与各从AP无线连接，各侧线上的无线微震数据采集站优先选择离自己较近的从AP进行无线连接，主控站与采集站采用UDP和FTP协议进行实时通信，手持终端和采集站采用蓝牙互连进行数据交互；
所述无线微震数据采集站由主控板、模拟板、无线模块以及外部锂电池构成，其中主控板由STM32F207处理器模块、CPLD模块、GPS授时模块、以太网模块、蓝牙模块以及TF数据存储模块构成；模拟板由充电模块、供电模块以及32位ADS1282组成的3通道数据采集模块构成；无线模块由WIFI控制模块和WIFI通信模块构成；所述无线微震数据采集站的无线模块与主控板的以太网口相连，模拟板的3通道的数据采集模块与主控板的CPLD模块相连，外部锂电池与充电模块和供电模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统，其特征在于：所述主AP和从AP均为无线WIFI模块，模块通信频段为5.8G，最远通信距离为1000m，最大发射功率为26dBm，通信协议为802.11a/n。
3.如权利要求1所述的一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将主AP接上天线，并将天线升至1～3m,，主控站与主AP有线连接后将主AP上电，启动主控站；
B、选择合适的测线布设从AP，且主AP通过无线与各从AP相连；
C、各侧线上的无线微震数据采集站优先选择离自己较近的从AP进行无线连接；
D、将检波器与无线微震数据采集站相连，并将检波器埋入地下，采集站上电后依次进行板级初始化、文件系统初始化、读取配置系统参数、TCP/IP协议栈初始化、启动GPS授时子任务、启动时标管理子任务、启动FTP服务器、启动主机交互子任务和启动蓝牙交互子任务；
E、无线微震数据采集站GSP定位成功后，GPS模块会自动进入睡眠状态来降低功耗，当再次需要该功能时，GPS会自动唤醒，采集站依次进行启动采集、初始化A/D、启动A/D、等待同步时标、解析同步时标并创建文件夹及文件和读取A/D数据，检测是否有同步时标，若有，则开始写文件，写完后关闭，若无，则存入文件缓存区；检测缓存区是否已满，若否，则再次读取A/D数据，若是，则写文件；检测是否文件为1分钟，若否，则继续读取A/D数据，若是，则创建文件伪时标后关闭文件；
F、主控站通过UDP协议发送叫站、状态信息查询、参数设置和采集站自检命令，待主控站接收到所有采集站后，即可进行各站的状态信息查询和参数设置；
G、主控站与各采集站的FTP连接，并以文件传输的形式下载采集站中的数据；
H、主控站查看压裂过程中的实时数据波形以及进行数据处理操作；
I、以手持终端查看压裂现场采集站的状态信息、设置参数以及数据交互。
4.根据权利要求3所述的一种基于无线网络的微地震压裂实时监测系统的监测方法，其特征在于，步骤I为：首先通过蓝牙互联，然后终端发送命令，采集站解析并验证无误后返回应答帧。
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