摘要：随着通信技术的发展，无线通信网络在数据传输中的应用日益增多。为了使远距离的数据传输实现更灵活方便，水文信息系统是一个集水文信息采集、分析处理、综合服务为一体的信息系统 。应用遥测、通信、计算机等技术实时地完成水库、江河流域水雨情数据的采集、传输和处理，并做出准确的预报和调度。基于GPRS和LabVIEW的无线多路地下水监测系统，该系统综合了信息自动采集、无线传送、远程监控等技术，通过多路传感器技术实时在线监测地下水位的流量、水位等水文信息，将监测的信息通过GPRS网络平台传送到远程监控中心，监控中心采用LabVIEW上位机做监测和控制系统，实现了地下水资源的信息采集、传输、处理的自动化，无线化，提高了地下水情的管理水平。结果证明：该系统运行稳定。
关键词：GPRS；LabVIEW；数据采集；地下水文监测系统
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…。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。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。
一、GPRS概述
GPRS采用与GSM1相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频 规则以及相同的TDMA帧结构，具有“高速传输”和“永远在线”的优点。GPRS数据服务可以按流量、时间或包月固定费等方式收取。对营运商来说，提供数据服务的成本基本按流量产生,中国移动采取了分段计费的价格模式，这样就大大降低了用户使用GPRS进行数据传输的成本，尤其在数据采集与监控系统中。例如用户访问互联网时，点击一个超级链接，手机就在无线信道上发送和接受数据，主页下载到本地后，没有数据传送，手机就进入一种“准休眠”状态，手机释放所用的无线频道就给其他用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次点击时，手机立即向网络请求用无线频道来传送数据，而不像普通拨号上网那样，断线后还要重新拨号才能上网冲浪。
二、水文监测系统的总体结构
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。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。如图所示。
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三、水文监测系统的硬件设计
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TM—l型外夹式；水位传感器选301压阻式水位传感器。
（1）时差法超声波测量原理。目前超声波测流量方法主要有，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。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。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：
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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：
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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，则传播路径L为：
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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△T，流体的速度u就能计算出来。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）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。
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，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，转换成数字信号送人CPLD，最后传给MSP430做最终数据采集信号处理。其硬件原理图如图所示。
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。
（1）数据采集仪与GPRS传输模块的通信。在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。
（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。
四、水文监测系统软件设计
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，
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[1]。LabVlEW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，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。
3、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如表所示。
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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。
参考文献：
[1] 韩冰，李芬华．GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用管理措施探析[J]．海河水利，2018(2)：20一23．
[2] 高 迁．GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用及发展措施[J]．北京农业，2019(2)：12．
[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，2019．