基于GPRS 和LabVIEW 的地下水文監測系統的設計與應用*

賈秀美，趙利利

(1.太原理工大學 電力學院，山西 太原030034;2.太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，山西 太原030034)

0 引 言

地下水是水資源的重要組成部分，地下水供水一直是我國用水的主要來源，不僅是維持社會經濟發展的重要來源，而且是維持生態地質系統環境穩定的重要因素。由于我國地理環境復雜多變，水資源分配嚴重不均，導致我國水利基礎設施滯后，尤其是地下水文測量，因其具有隱蔽性、狹窄性，因此對其進行合理測量仍然存在缺陷［1］。隨著信息技術的發展，對于地下水水文測量也逐漸實現了數字化，無線化。目前由于我國水利設施陳舊、技術落后，大量需求新的地下水文測量技術來解決地下水資源管理帶來的諸多不便和困難［2］。本系統設計了一種穩定可靠，基于GPRS移動傳輸的地下水水情監測系統。該系統可以滿足水資源管理準確、實時獲取地下水水情信息的要求，這對地下水資源的合理化管理具有重要的指導意義。

1 系統的總體結構

地下水流情況無線監測系統由遠程監測單元、通信網絡單元及中心站計算機局域網系統組成。在系統中數據采集儀通過遠程監測單元自動實時的進行數據采集，然后根據中心站計算機發出的指令通過GPRS 上報所采集到的數據和相關設備參數，中心站計算機系統則負責將接收到的數據進行相應的處理和記錄［3］。以若干個現場監測單元為節點組成的網絡信息化監測系統，其目的是滿足水資源實施高效、集中管理的需求。其系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 系統的硬件設計

2.1 傳感器終端

地下水水情無線監測系統要求對現場分布不均的14 個站點的水井流量和水位進行實時監測。作為系統設計與應用的最終端元件，擔負著對被測對象的實時、準確、穩定的監測任務。超聲波傳感器選大連道盛公司生產的TM-1 型外夾式傳感器;水位傳感器選擇了廣東浩捷電子儀器公司PTJ301 壓阻式水位傳感器。

2.1.1 時差法超聲波測量原理

目前超聲波測流量方法主要有2 種，一種是時差法，另一種是多普勒效應法。由于被測對象為水井清水，最可靠的方法是選擇時差法［4］。

時間差法測量的主要原理是是安裝于流水管壁的1 對超聲波換能器在電壓源激勵下，超聲波信號用于測量順水流與逆水流兩側的時間差，以便測量出流速，最后計算出瞬時流量和累積流量。時間差法測量示意如圖2 所示。

圖2 超聲波測量原理圖Fig 2 Principle diagram of ultrasonic wave measurement

沿著流體流動方向，在第二次采集儀表控制下，上游傳感器發送超聲信號，下游傳感器接收超聲信號時，經過數學運算，測得超聲順水流傳播時間為

同理，當下游傳感器發送超聲信號，上游傳感器用來接收信號，可得到測得超聲逆水流傳播時間為

經過數學運算，得出超聲波傳播時間

由于超聲波在流體中的傳播速度為c，如果流體管道內徑為D，夾角θ，則傳播路徑L 為

兩傳感器之間的水平距離為X，通過安裝水平間距X，管道內徑D，超聲波傳播速度c，傳播時間ΔT，流體的速度v就能計算出來。

通過時間法測量和計算獲得的速度是流體的線速度，而流體流量與流體截面速度有關，并且超聲波在流體中的傳播速度與流體溫度有數學關系，需要補償和修正流體的速度，設修正系數為K，管道截面積為S，則瞬時流量q 可由下得到

根據管道流體參數和安裝間距，利用二次儀表配合器測出的傳播時間，便可以計算出流體的瞬時流量，從而計算出累積流量的數值。

2.1.2 壓阻式水位傳感器測量原理

擴散硅壓阻式水位傳感器是利用半導體材料的壓阻效應原理做成的，當硅膜片兩側存在壓力差時，膜片各處電阻率發生改變，引起硅工藝設置構成平衡電橋的4 只等值電阻器的阻值發生改變，電橋失去平衡，在通入恒流源的作用下，輸出與壓力呈正比的電壓信號。恒流源電橋如圖3 所示。

圖3 恒流源電路Fig 3 Circuit of constant current source

2.2 數據采集儀電路原理

現場數據采集儀器是由MSP430 單片機組成的一個嵌入式系統，控制各個傳感器對信號進行采集，后經由系統處理信號，最后通過 RS-485 串口形式發送給GPRS 發送模塊。串口的通信格式選擇MODBUS TTU 協議。圖4 為現場數據采集儀的硬件結構。

系統由于采用了超聲波流量傳感器，所以，添加了超聲波收/發驅動電路等。在數據采集儀中，采用了復雜可編程邏輯器件(CPLD)用于高精度計時。超聲波傳感器發射信號時，由MSP430 單片機時鐘脈沖控制，經過電壓轉換電路處理，驅動電路/使開關打開發射信號。當超聲波傳感器接收信號時，經過一系列信號處理，包括比較、放大等，轉換成數字信號送入CPLD，最后傳給MSP430 做最終數據采集信號處理。其硬件原理圖如圖5 所示。

圖4 現場數據采集儀的硬件結構Fig 4 Handware structure of site data acquisition instrument

圖5 超聲波處理模塊硬件圖Fig 5 Hardware diagrams of ultrasonic wave processing module

3 數據通信方式的設計

當現場數據采集儀對傳感器采集的信息經過處理后，保存在MSP430 的存儲單元，最后傳送到上位機的labVIEW中，必須采用準確可靠的數據通信鏈路和方式。

3.1 數據采集儀與GPRS 傳輸模塊的通信

在本部分中通信采用串口相連的MODBUS 協議格式數據，當GPRS 模塊給數據采集儀發數據傳輸命令時，符合相應地址的從機設備就會接收命令，經過CRC 驗證后，讀取相應寄存器地址里的數據，經過數據格式轉換，進行數據傳送［5］。其傳輸周期如圖6 所示。

圖6 傳送周期Fig 6 Cycle of transmission

3.2 GPRS 網絡的建立

作為系統遠距離傳輸的中心環節，必須保證信息及時準確地傳送給網絡。上位機計算機通過labVIEW 根據采集儀的傳輸協議格式MODBUS，通過GPRS 網絡向采集儀發送指令，采集儀收到命令后，對信息做出相應處理和判斷，將要讀取的信息以十六進制形式，通過建立數據鏈路，將數據發送到廣域網上，經過路由傳輸到labVIEW 的上位機進行最終數據的處理、保存和顯示。

4 系統軟件設計

系統軟件設計包括數據采集儀的程序設計和上位機軟件設計。

4.1 數據采集儀的程序設計

數據采集儀中的主要程序是對超聲波流量傳感器進行計算和控制的程序，由超聲波流量傳感器測流量的原理可知，設計出其主要流程圖為圖7 所示。

圖7 數據采集儀采集流程Fig 7 Acquisition flow chart of data acquisition instrument

4.2 上位機程序設計

上位機采用LabVIEW 圖形化編程語言實現對監測系統的編程［6，7］。LabVIEW 為用戶提供直觀簡潔的編程環境，使設計者可以在短時間內構造一個美觀友好的操作界面，提高了系統開發效率，簡化了程序設計步驟，非常適合于測控平臺。上位機在通過串口程序獲取信息后，先進行數據格式的轉換才能被軟件利用，串口字符轉換程序框圖如圖8 所示。

圖8 串口字符轉換程序框圖Fig 8 Block diagram of serial port character transformation

當系統獲取了數據采集儀采集來的準確信號后，對信號進行整體分析，然后實現其整體功能，包括顯示、報警、監控、打印、查詢等。其主要框圖如圖9 所示。

圖9 LabVIEW 程序架構Fig 9 Architecture diagram of labVIEW program

5 實驗結果

遠程水文地下監測系統監測數據的準確性與現場安裝條件有直接的關系，包括直管段、傳感器與管道的緊密程度以及管道水平度等。經過對多次多地方實驗，測得數據瞬時流量數據對照表和水位誤差對照表如1 和表2 所示。

表1 瞬時流量數據表Tab 1 Table of instantaneous flow data

表2 水位誤差對照表Tab 2 Comparison sheet of water level error

6 結 論

本文研制了一種基于GPRS 模式的傳輸系統，上位機采用LabVIEW 的無線多路地下水文監測系統。經初步試驗，這種方案有很強的實用性，數據采集端能快速、準確地采集信號，通信網絡穩定可靠，上位機運行穩定，可以采集完整的數據信息，并能完成系統設計好的各種功能。界面友好易操作，使監測人員能實時監控系統的運行情況。

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