賈秀美，趙利利

(1.太原理工大學(xué) 電力學(xué)院，山西 太原030034;2.太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)用水的主要來源，不僅是維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要來源，而且是維持生態(tài)地質(zhì)系統(tǒng)環(huán)境穩(wěn)定的重要因素。由于我國(guó)地理環(huán)境復(fù)雜多變，水資源分配嚴(yán)重不均，導(dǎo)致我國(guó)水利基礎(chǔ)設(shè)施滯后，尤其是地下水文測(cè)量，因其具有隱蔽性、狹窄性，因此對(duì)其進(jìn)行合理測(cè)量仍然存在缺陷［1］。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于地下水水文測(cè)量也逐漸實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，無線化。目前由于我國(guó)水利設(shè)施陳舊、技術(shù)落后，大量需求新的地下水文測(cè)量技術(shù)來解決地下水資源管理帶來的諸多不便和困難［2］。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定可靠，基于GPRS移動(dòng)傳輸?shù)牡叵滤楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以滿足水資源管理準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)獲取地下水水情信息的要求，這對(duì)地下水資源的合理化管理具有重要的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

地下水流情況無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)單元、通信網(wǎng)絡(luò)單元及中心站計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)系統(tǒng)組成。在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集儀通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)單元自動(dòng)實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)中心站計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令通過GPRS 上報(bào)所采集到的數(shù)據(jù)和相關(guān)設(shè)備參數(shù)，中心站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和記錄［3］。以若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元為節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其目的是滿足水資源實(shí)施高效、集中管理的需求。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig 1 Overall block diagram of system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器終端

地下水水情無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分布不均的14 個(gè)站點(diǎn)的水井流量和水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的最終端元件，擔(dān)負(fù)著對(duì)被測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)任務(wù)。超聲波傳感器選大連道盛公司生產(chǎn)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(shí)差法超聲波測(cè)量原理

目前超聲波測(cè)流量方法主要有2 種，一種是時(shí)差法，另一種是多普勒效應(yīng)法。由于被測(cè)對(duì)象為水井清水，最可靠的方法是選擇時(shí)差法［4］。

時(shí)間差法測(cè)量的主要原理是是安裝于流水管壁的1 對(duì)超聲波換能器在電壓源激勵(lì)下，超聲波信號(hào)用于測(cè)量順?biāo)髋c逆水流兩側(cè)的時(shí)間差，以便測(cè)量出流速，最后計(jì)算出瞬時(shí)流量和累積流量。時(shí)間差法測(cè)量示意如圖2 所示。

圖2 超聲波測(cè)量原理圖Fig 2 Principle diagram of ultrasonic wave measurement

沿著流體流動(dòng)方向，在第二次采集儀表控制下，上游傳感器發(fā)送超聲信號(hào)，下游傳感器接收超聲信號(hào)時(shí)，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算，測(cè)得超聲順?biāo)鱾鞑r(shí)間為

同理，當(dāng)下游傳感器發(fā)送超聲信號(hào)，上游傳感器用來接收信號(hào)，可得到測(cè)得超聲逆水流傳播時(shí)間為

經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算，得出超聲波傳播時(shí)間

由于超聲波在流體中的傳播速度為c，如果流體管道內(nèi)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(nèi)徑D，超聲波傳播速度c，傳播時(shí)間ΔT，流體的速度v就能計(jì)算出來。

通過時(shí)間法測(cè)量和計(jì)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(guān)，并且超聲波在流體中的傳播速度與流體溫度有數(shù)學(xué)關(guān)系，需要補(bǔ)償和修正流體的速度，設(shè)修正系數(shù)為K，管道截面積為S，則瞬時(shí)流量q 可由下得到

根據(jù)管道流體參數(shù)和安裝間距，利用二次儀表配合器測(cè)出的傳播時(shí)間，便可以計(jì)算出流體的瞬時(shí)流量，從而計(jì)算出累積流量的數(shù)值。

2.1.2 壓阻式水位傳感器測(cè)量原理

擴(kuò)散硅壓阻式水位傳感器是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理做成的，當(dāng)硅膜片兩側(cè)存在壓力差時(shí)，膜片各處電阻率發(fā)生改變，引起硅工藝設(shè)置構(gòu)成平衡電橋的4 只等值電阻器的阻值發(fā)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(hào)。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(shù)據(jù)采集儀電路原理

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀器是由MSP430 單片機(jī)組成的一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，控制各個(gè)傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，后經(jīng)由系統(tǒng)處理信號(hào)，最后通過 RS-485 串口形式發(fā)送給GPRS 發(fā)送模塊。串口的通信格式選擇MODBUS TTU 協(xié)議。圖4 為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀的硬件結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)由于采用了超聲波流量傳感器，所以，添加了超聲波收/發(fā)驅(qū)動(dòng)電路等。在數(shù)據(jù)采集儀中，采用了復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)用于高精度計(jì)時(shí)。超聲波傳感器發(fā)射信號(hào)時(shí)，由MSP430 單片機(jī)時(shí)鐘脈沖控制，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路處理，驅(qū)動(dòng)電路/使開關(guān)打開發(fā)射信號(hào)。當(dāng)超聲波傳感器接收信號(hào)時(shí)，經(jīng)過一系列信號(hào)處理，包括比較、放大等，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入CPLD，最后傳給MSP430 做最終數(shù)據(jù)采集信號(hào)處理。其硬件原理圖如圖5 所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀的硬件結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)通信方式的設(shè)計(jì)

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集儀對(duì)傳感器采集的信息經(jīng)過處理后，保存在MSP430 的存儲(chǔ)單元，最后傳送到上位機(jī)的labVIEW中，必須采用準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)通信鏈路和方式。

3.1 數(shù)據(jù)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(xié)議格式數(shù)據(jù)，當(dāng)GPRS 模塊給數(shù)據(jù)采集儀發(fā)數(shù)據(jù)傳輸命令時(shí)，符合相應(yīng)地址的從機(jī)設(shè)備就會(huì)接收命令，經(jīng)過CRC 驗(yàn)證后，讀取相應(yīng)寄存器地址里的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的建立

作為系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹行沫h(huán)節(jié)，必須保證信息及時(shí)準(zhǔn)確地傳送給網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)計(jì)算機(jī)通過labVIEW 根據(jù)采集儀的傳輸協(xié)議格式MODBUS，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)向采集儀發(fā)送指令，采集儀收到命令后，對(duì)信息做出相應(yīng)處理和判斷，將要讀取的信息以十六進(jìn)制形式，通過建立數(shù)據(jù)鏈路，將數(shù)據(jù)發(fā)送到廣域網(wǎng)上，經(jīng)過路由傳輸?shù)絣abVIEW 的上位機(jī)進(jìn)行最終數(shù)據(jù)的處理、保存和顯示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集儀的程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

4.1 數(shù)據(jù)采集儀的程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集儀中的主要程序是對(duì)超聲波流量傳感器進(jìn)行計(jì)算和控制的程序，由超聲波流量傳感器測(cè)流量的原理可知，設(shè)計(jì)出其主要流程圖為圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集儀采集流程Fig 7 Acquisition flow chart of data acquisition instrument

4.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用LabVIEW 圖形化編程語言實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的編程［6，7］。LabVIEW 為用戶提供直觀簡(jiǎn)潔的編程環(huán)境，使設(shè)計(jì)者可以在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)造一個(gè)美觀友好的操作界面，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)步驟，非常適合于測(cè)控平臺(tái)。上位機(jī)在通過串口程序獲取信息后，先進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換才能被軟件利用，串口字符轉(zhuǎn)換程序框圖如圖8 所示。

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

當(dāng)系統(tǒng)獲取了數(shù)據(jù)采集儀采集來的準(zhǔn)確信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整體分析，然后實(shí)現(xiàn)其整體功能，包括顯示、報(bào)警、監(jiān)控、打印、查詢等。其主要框圖如圖9 所示。

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

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

遠(yuǎn)程水文地下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與現(xiàn)場(chǎng)安裝條件有直接的關(guān)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(jīng)過對(duì)多次多地方實(shí)驗(yàn)，測(cè)得數(shù)據(jù)瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)對(duì)照表和水位誤差對(duì)照表如1 和表2 所示。

表1 瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)表Tab 1 Table of instantaneous flow data

表2 水位誤差對(duì)照表Tab 2 Comparison sheet of water level error

6 結(jié) 論

本文研制了一種基于GPRS 模式的傳輸系統(tǒng)，上位機(jī)采用LabVIEW 的無線多路地下水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)初步試驗(yàn)，這種方案有很強(qiáng)的實(shí)用性，數(shù)據(jù)采集端能快速、準(zhǔn)確地采集信號(hào)，通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，上位機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，可以采集完整的數(shù)據(jù)信息，并能完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)好的各種功能。界面友好易操作，使監(jiān)測(cè)人員能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

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