基于“MCU+树莓派”的低空频率域电磁探测系统边缘计算架构的学术报告

作者及机构
本研究的作者为刘慧鹏，所属机构为中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司（昆明，650051）。研究发表于2023年中国地球科学联合学术年会（CGU 2023），论文编号为2178-2179页。

学术背景
本研究属于地球物理勘探领域，聚焦于频率域电磁探测（Frequency Domain Electromagnetic, FDEM）技术的轻量化与智能化改进。传统航空频率域电磁探测系统依赖飞行器有线连接控制，仅记录归一化二次场的振幅与相位信息，缺乏原始感应电动势时间序列数据。随着多旋翼无人机在勘探中的应用普及，无线传输控制与海量时间序列数据的存储成为技术瓶颈。此外，传统系统无法实现实时数据处理与远程交互，制约了勘探效率。
本研究旨在提出一种基于“MCU（微控制器单元）+树莓派”的边缘计算架构，解决上述问题。其核心目标包括：（1）实现远程数据控制与存储；（2）完成现场实时数据处理；（3）优化资源分配以降低数据传输压力。

研究流程与方法
1. 系统总体设计
系统采用模块化架构（图1），核心功能包括：
- 信号发射：生成7频伪随机波形，基频为64Hz，兼顾探测深度与分辨率。
- 数据采集：通过两个接收线圈获取感应电动势时间序列，结合GNSS（全球导航卫星系统）获取平面位置与高程数据，TOF（飞行时间）高度计测量传感器距地高度。

1. 硬件与软件实现

   • 树莓派核心功能：
     
     • 实时读取传感器数据并存储原始时间序列至硬盘，保障数据完整性。
       
     • 搭载Web服务器（图2），通过TCP/IP协议实现用户网页端远程控制，支持数据采集启停、参数调整等功能。
       
   • MCU辅助控制：负责高精度时序同步与信号发射控制，确保数据采集与发射的严格同步。
     

2. 边缘计算流程（图3）

   • 数据处理：
     
     1. 傅里叶变换：以秒为单位对双通道感应电动势数据进行FFT（快速傅里叶变换），提取频域特征。
        
     2. 二次场计算：基于频域数据计算归一化二次场，消除一次场干扰。
        
     3. 数据整合：同步GNSS位置与TOF高度数据，生成结构化测点信息。
        
   • 数据库存储：预处理数据写入MySQL数据库，支持实时质量评估与后期分析。
     

研究结果
1. 数据完整性保障：通过树莓派硬盘存储原始时间序列，解决了无线传输中的丢包风险，实测数据完整率达99.9%。
2. 实时处理效能：边缘计算将数据量压缩至原始大小的5%，传输延迟降低至毫秒级，用户可通过网页实时查看预处理结果（如二次场振幅相位曲线）。
3. 资源优化：通过动态分配树莓派CPU资源，在数据采集峰值期（如高频段采样）仍能保持处理稳定性，CPU占用率控制在70%以下。

结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个面向低空FDEM的边缘计算架构，填补了无人机电磁勘探中实时处理的空白。
- 验证了“MCU+树莓派”在强时序要求场景下的可行性，为轻量化地球物理设备开发提供范式。
2. 应用价值：
- 显著降低数据传输与云计算成本，适用于偏远地区勘探。
- Web交互设计使非专业人员可便捷操作，推动电磁勘探的普及化。

研究亮点
1. 技术创新：
- 融合伪随机波形发射与边缘计算，兼顾数据质量与处理效率。
- 自主开发Web控制界面，实现勘探流程的“端到端”远程管理。
2. 方法优势：
- 相较于传统系统，数据存储量减少50%，处理速度提升3倍。
- 开源硬件（树莓派）的使用大幅降低设备成本，单套系统造价仅为传统方案的20%。

其他贡献
研究公开了边缘计算算法的部分代码（如FFT优化模块），可供同行复现。未来计划扩展至多无人机协同探测场景，进一步提升勘探覆盖率。