基于GPRS 和LabVIEW 的地下水文监测系统的设计与应用*

贾秀美，赵利利

(1.太原理工大学 电力学院，山西 太原030034;2.太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原030034)

0 引 言

地下水是水资源的重要组成部分，地下水供水一直是我国用水的主要来源，不仅是维持社会经济发展的重要来源，而且是维持生态地质系统环境稳定的重要因素。由于我国地理环境复杂多变，水资源分配严重不均，导致我国水利基础设施滞后，尤其是地下水文测量，因其具有隐蔽性、狭窄性，因此对其进行合理测量仍然存在缺陷［1］。随着信息技术的发展，对于地下水水文测量也逐渐实现了数字化，无线化。目前由于我国水利设施陈旧、技术落后，大量需求新的地下水文测量技术来解决地下水资源管理带来的诸多不便和困难［2］。本系统设计了一种稳定可靠，基于GPRS移动传输的地下水水情监测系统。该系统可以满足水资源管理准确、实时获取地下水水情信息的要求，这对地下水资源的合理化管理具有重要的指导意义。

1 系统的总体结构

地下水流情况无线监测系统由远程监测单元、通信网络单元及中心站计算机局域网系统组成。在系统中数据采集仪通过远程监测单元自动实时的进行数据采集，然后根据中心站计算机发出的指令通过GPRS 上报所采集到的数据和相关设备参数，中心站计算机系统则负责将接收到的数据进行相应的处理和记录［3］。以若干个现场监测单元为节点组成的网络信息化监测系统，其目的是满足水资源实施高效、集中管理的需求。其系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig 1 Overall block diagram of system

2 系统的硬件设计

2.1 传感器终端

地下水水情无线监测系统要求对现场分布不均的14 个站点的水井流量和水位进行实时监测。作为系统设计与应用的最终端元件，担负着对被测对象的实时、准确、稳定的监测任务。超声波传感器选大连道盛公司生产的TM-1 型外夹式传感器;水位传感器选择了广东浩捷电子仪器公司PTJ301 压阻式水位传感器。

2.1.1 时差法超声波测量原理

目前超声波测流量方法主要有2 种，一种是时差法，另一种是多普勒效应法。由于被测对象为水井清水，最可靠的方法是选择时差法［4］。

时间差法测量的主要原理是是安装于流水管壁的1 对超声波换能器在电压源激励下，超声波信号用于测量顺水流与逆水流两侧的时间差，以便测量出流速，最后计算出瞬时流量和累积流量。时间差法测量示意如图2 所示。

图2 超声波测量原理图Fig 2 Principle diagram of ultrasonic wave measurement

沿着流体流动方向，在第二次采集仪表控制下，上游传感器发送超声信号，下游传感器接收超声信号时，经过数学运算，测得超声顺水流传播时间为

同理，当下游传感器发送超声信号，上游传感器用来接收信号，可得到测得超声逆水流传播时间为

经过数学运算，得出超声波传播时间

由于超声波在流体中的传播速度为c，如果流体管道内径为D，夹角θ，则传播路径L 为

两传感器之间的水平距离为X，通过安装水平间距X，管道内径D，超声波传播速度c，传播时间ΔT，流体的速度v就能计算出来。

通过时间法测量和计算获得的速度是流体的线速度，而流体流量与流体截面速度有关，并且超声波在流体中的传播速度与流体温度有数学关系，需要补偿和修正流体的速度，设修正系数为K，管道截面积为S，则瞬时流量q 可由下得到

根据管道流体参数和安装间距，利用二次仪表配合器测出的传播时间，便可以计算出流体的瞬时流量，从而计算出累积流量的数值。

2.1.2 压阻式水位传感器测量原理

扩散硅压阻式水位传感器是利用半导体材料的压阻效应原理做成的，当硅膜片两侧存在压力差时，膜片各处电阻率发生改变，引起硅工艺设置构成平衡电桥的4 只等值电阻器的阻值发生改变，电桥失去平衡，在通入恒流源的作用下，输出与压力呈正比的电压信号。恒流源电桥如图3 所示。

图3 恒流源电路Fig 3 Circuit of constant current source

2.2 数据采集仪电路原理

现场数据采集仪器是由MSP430 单片机组成的一个嵌入式系统，控制各个传感器对信号进行采集，后经由系统处理信号，最后通过 RS-485 串口形式发送给GPRS 发送模块。串口的通信格式选择MODBUS TTU 协议。图4 为现场数据采集仪的硬件结构。

系统由于采用了超声波流量传感器，所以，添加了超声波收/发驱动电路等。在数据采集仪中，采用了复杂可编程逻辑器件(CPLD)用于高精度计时。超声波传感器发射信号时，由MSP430 单片机时钟脉冲控制，经过电压转换电路处理，驱动电路/使开关打开发射信号。当超声波传感器接收信号时，经过一系列信号处理，包括比较、放大等，转换成数字信号送入CPLD，最后传给MSP430 做最终数据采集信号处理。其硬件原理图如图5 所示。

图4 现场数据采集仪的硬件结构Fig 4 Handware structure of site data acquisition instrument

图5 超声波处理模块硬件图Fig 5 Hardware diagrams of ultrasonic wave processing module

3 数据通信方式的设计

当现场数据采集仪对传感器采集的信息经过处理后，保存在MSP430 的存储单元，最后传送到上位机的labVIEW中，必须采用准确可靠的数据通信链路和方式。

3.1 数据采集仪与GPRS 传输模块的通信

在本部分中通信采用串口相连的MODBUS 协议格式数据，当GPRS 模块给数据采集仪发数据传输命令时，符合相应地址的从机设备就会接收命令，经过CRC 验证后，读取相应寄存器地址里的数据，经过数据格式转换，进行数据传送［5］。其传输周期如图6 所示。

图6 传送周期Fig 6 Cycle of transmission

3.2 GPRS 网络的建立

作为系统远距离传输的中心环节，必须保证信息及时准确地传送给网络。上位机计算机通过labVIEW 根据采集仪的传输协议格式MODBUS，通过GPRS 网络向采集仪发送指令，采集仪收到命令后，对信息做出相应处理和判断，将要读取的信息以十六进制形式，通过建立数据链路，将数据发送到广域网上，经过路由传输到labVIEW 的上位机进行最终数据的处理、保存和显示。

4 系统软件设计

系统软件设计包括数据采集仪的程序设计和上位机软件设计。

4.1 数据采集仪的程序设计

数据采集仪中的主要程序是对超声波流量传感器进行计算和控制的程序，由超声波流量传感器测流量的原理可知，设计出其主要流程图为图7 所示。

图7 数据采集仪采集流程Fig 7 Acquisition flow chart of data acquisition instrument

4.2 上位机程序设计

上位机采用LabVIEW 图形化编程语言实现对监测系统的编程［6，7］。LabVIEW 为用户提供直观简洁的编程环境，使设计者可以在短时间内构造一个美观友好的操作界面，提高了系统开发效率，简化了程序设计步骤，非常适合于测控平台。上位机在通过串口程序获取信息后，先进行数据格式的转换才能被软件利用，串口字符转换程序框图如图8 所示。

图8 串口字符转换程序框图Fig 8 Block diagram of serial port character transformation

当系统获取了数据采集仪采集来的准确信号后，对信号进行整体分析，然后实现其整体功能，包括显示、报警、监控、打印、查询等。其主要框图如图9 所示。

图9 LabVIEW 程序架构Fig 9 Architecture diagram of labVIEW program

5 实验结果

远程水文地下监测系统监测数据的准确性与现场安装条件有直接的关系，包括直管段、传感器与管道的紧密程度以及管道水平度等。经过对多次多地方实验，测得数据瞬时流量数据对照表和水位误差对照表如1 和表2 所示。

表1 瞬时流量数据表Tab 1 Table of instantaneous flow data

表2 水位误差对照表Tab 2 Comparison sheet of water level error

6 结 论

本文研制了一种基于GPRS 模式的传输系统，上位机采用LabVIEW 的无线多路地下水文监测系统。经初步试验，这种方案有很强的实用性，数据采集端能快速、准确地采集信号，通信网络稳定可靠，上位机运行稳定，可以采集完整的数据信息，并能完成系统设计好的各种功能。界面友好易操作，使监测人员能实时监控系统的运行情况。

［1］ 于丽丽.地下水合理开发利用与科学管理措施探析［J］.海河水利，2012(2):20 －23.

［2］ 高 迁.水利设计信息化建设现状分析及发展措施［J］.北京农业，2012(2):120 －142.

［3］ 汪先明.基于组态技术供水管网GPRS 无线数传监视系统［D］.南昌:南昌大学，2009.

［4］ 邹 蓬.时差法超声波流量计的原理和设计［J］.建设科技，2012(4):50 －60.

［5］ 张 伟.基于GPRS 的无线数据传输系统的研究与实现［D］.邯郸:河北工程大学，2009.

［6］ 安 军，唐东炜.基于LabVIEW 事件驱动的数据采集［J］.仪表技术与传感器，2007，2(11):2 －28.

［7］ 徐洪安，费仁元.ADO 构建LabVIEW 的数据库访问接口［J］.北京工业大学学报，2003 (9):138 －140.