基于GPRS的遠程自動雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

摘要：本文介紹了一種新型的無線自動雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)突破傳統(tǒng)自動氣象網(wǎng)絡(luò)信息采集和傳輸?shù)确矫娴娜觞c，結(jié)合移動無線傳輸和Internet技術(shù)使用GPRS數(shù)據(jù)終端實現(xiàn)雨量監(jiān)測的自動化，無線化。采用VC++編程建立數(shù)據(jù)庫并對數(shù)據(jù)信息進行處理，最終達到氣象資料在互連網(wǎng)上共享并為用戶服務(wù)的目的。

    移動通訊和Internet技術(shù)的發(fā)展正給社會帶來深刻的變化，而GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的成熟使它在許多行業(yè)中得以應(yīng)用，這也為測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種新的手段[1]。由河南研制的GPRS無線雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)正是基于這樣的目的開發(fā)完成的。

1、自動雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)概況　

    自動氣象站是由電子設(shè)備或計算機控制的自動進行氣象觀測和資料收集傳輸?shù)臍庀笳?。從?shù)據(jù)傳輸方式上分通常有兩種形式：通過有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息的自動氣象站和通過GPRS無線方式直接發(fā)送信息的自動氣象站。將多個自動氣象站數(shù)據(jù)信息利用有線或無線方式連接至數(shù)據(jù)中心處理系統(tǒng)就構(gòu)成了自動氣象監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通常它采集到的數(shù)據(jù)是多要素的氣象信息。我們這里所介紹的是雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采集的是單要素雨量信息，通過擴展自動站的傳感器系統(tǒng)即可實現(xiàn)多要素信息采集。

    該自動雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是由自動雨量站、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)(有線和無線兩種方式)、數(shù)據(jù)中心工作站及其局地計算機網(wǎng)絡(luò)組成的自動氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。如圖1：

    自動雨量站作為系統(tǒng)的端站安裝于各個觀測點。其中無線自動雨量站主要由傳感器單元、單片機系統(tǒng)和GPRS數(shù)據(jù)終端單元(采用H711x系列 GPRS DTU)構(gòu)成。有線自動雨量站由傳感器單元和單片機系統(tǒng)構(gòu)成，并配有局地微機系統(tǒng)。[2]

    無線自動雨量站直接通過GPRS數(shù)據(jù)終端將信息以無線傳輸方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商轉(zhuǎn)送到Internet，經(jīng)由Internet最終進入數(shù)據(jù)處理中心；有線自動雨量站利用局地微機系統(tǒng)對采集到的氣象信息進行處理，并直接通過Internet傳送到數(shù)據(jù)處理中心。無線自動雨量站的通信費用是以數(shù)據(jù)流量來計算的，費用低廉，而且使自動站有更強的地域適應(yīng)空間，只要移動電話網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋的地方都能通信。

    數(shù)據(jù)處理中心工作站是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主控部分,由一臺主服務(wù)器和三臺數(shù)據(jù)處理服務(wù)器組成。主服務(wù)器在公網(wǎng)上有固定的IP地址，三臺數(shù)據(jù)服務(wù)器通過集線器與主服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)。主服務(wù)器上安裝有SQL SERVER2000，用于接收和處理雨量資料，三臺數(shù)據(jù)處理器分別負(fù)責(zé)接收來自GPRS無線傳輸?shù)挠炅空拘畔?、接收來自有線傳輸?shù)挠炅空拘畔⒑蛯φ块T提供雨量數(shù)據(jù)服務(wù)(如網(wǎng)頁瀏覽、信息服務(wù)等)。從各測站發(fā)回的氣象資料經(jīng)整理后存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)頁瀏覽方式提供給政府決策部門及其他用戶。

2、GPRS概述

    GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱。GPRS是GSM Phase2.1規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一，它是一種基于GSM的新型移動分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6kbit/s更高的數(shù)據(jù)率[3][4]。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。它突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應(yīng)的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。[5]

    GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中增加GGSN和SGSN來實現(xiàn)的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。[4]

    GPRS是一種新的移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP或X.25服務(wù)。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用[6]，具有“高速”和“永遠在線”的優(yōu)點。

1) 極速傳送，移動新干線

    電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(簡稱CSD)，速率為9.6kbps，GPRS的最高速率可達115.2kbps。

2) 永遠在線、費用低廉、我行我素

    除了速度上的優(yōu)勢，GPRS還有“永遠在線”的特點，即用戶隨時與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)可以按流量或時間或包月固定費等方式收取。對營運商來說，提供數(shù)據(jù)服務(wù)的成本產(chǎn)生基本按流量產(chǎn)生，中國移動采取了分段計費(流量)的價格模式，這樣就大大降低了用戶的使用GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀?，尤其在?shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中。舉個例子，用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)時，點擊一個超級鏈接，手機就在無線信道上發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，主頁下載到本地后，沒有數(shù)據(jù)傳送，手機就進入一種“準(zhǔn)休眠”狀態(tài)，手機釋放所用的無線頻道給其他用戶使用，這時網(wǎng)絡(luò)與用戶之間還保持一種邏輯上的連接，當(dāng)用戶再次點擊，手機立即向網(wǎng)絡(luò)請求無線頻道用來傳送數(shù)據(jù)，而不像普通撥號上網(wǎng)那樣斷線后還得重新?lián)芴柌拍苌暇W(wǎng)沖浪。[5]

3、整體系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 數(shù)據(jù)終端及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

1) 通過GPRS無線方式直接發(fā)送信息的雨量站

    系統(tǒng)中GPRS無線數(shù)據(jù)終端(DTU)采用了H711x系列GPRS無線DDN數(shù)據(jù)終端。每個模塊在使用時需要安裝SIM卡，和手機一樣在移動網(wǎng)中具有唯一的ID。該終端支持雙頻GSM/GPRS、符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)、采用實時時鐘、支持A5/1&A5/5加密算法，為用戶提供高速、永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

    H711x GPRS DTU系列模塊帶有20Pin用戶數(shù)據(jù)接口，以便對模塊供電和進行數(shù)據(jù)交換。對外數(shù)據(jù)線的連接和數(shù)據(jù)交換方式與RS-232類似，同時該系列大多型號支持+4.5~+26VDC電源，方便在更多場合安裝使用。在終端所有連接完成之后，通過終端內(nèi)置的設(shè)置、管理與調(diào)試工具對GPRS數(shù)據(jù)終端進行管理，便于用戶在使用前配置相關(guān)參數(shù)和在調(diào)試過程中靈活地改變相關(guān)參數(shù)以及軟件升級和簡單的測試。[6]

    自動雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)傳輸部分采用中心點~多點的方式，如圖3

    自動雨量采集設(shè)備有多個，它們用各自的GPRS數(shù)據(jù)終端將數(shù)據(jù)打成IP包，經(jīng)GPRS空中接口接入無線GPRS網(wǎng)絡(luò)，由移動服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理中心工作站。需要指出的是GPRS終端向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)是間斷性發(fā)送，可以根據(jù)需要調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率，這在一定程度上也降低了無線信息傳輸費用。在整個無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中首先要解決的關(guān)鍵問題是：如何進行氣象信息采集單元與GPRS終端的連接，如何根據(jù)具體無線網(wǎng)絡(luò)情況合理設(shè)置，如何進行數(shù)據(jù)打包發(fā)送并在數(shù)據(jù)中心工作站實現(xiàn)接收。

2) 通過有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息的雨量站

    有線雨量站中AT89C52單片機把傳感器獲得的雨量信息用串行通信的方式送到局地微型機算機。計算機首先把數(shù)據(jù)進行處理和編碼，然后通過互連網(wǎng)把數(shù)據(jù)信息送到有固定IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心站。在這一過程中，需要開發(fā)局地計算機數(shù)據(jù)處理和發(fā)送軟件，進行數(shù)據(jù)傳送，同時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心站要有對應(yīng)的服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和保存。

3.2 數(shù)據(jù)中心工作站

    主服務(wù)器安裝Windows Server 2003操作系統(tǒng)，并安裝了SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫管理軟件。所有來自終端自動雨量站的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)首先進入具有固定的IP地址的主服務(wù)器。但是考慮到服務(wù)器的穩(wěn)定運行問題通常不允許在服務(wù)器上安裝其他應(yīng)用軟件，為了降低主服務(wù)器的負(fù)荷，系統(tǒng)中需要另外增加三臺服務(wù)器來分擔(dān)主服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。這四臺服務(wù)器共同構(gòu)成類似于內(nèi)部局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心工作站(DSC)。雖然數(shù)據(jù)中心站有多臺服務(wù)器，但它對外部公網(wǎng)只提供一個IP地址，因此在架設(shè)過程中采用了一種網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)技術(shù)。NAT端口映射功能將一臺主機的假IP地址映射成一個真IP地址，當(dāng)用戶訪問提供映射端口主機的某個端口時，服務(wù)器將請求轉(zhuǎn)到內(nèi)部提供這種特定服務(wù)的主機?？梢宰寖?nèi)部網(wǎng)絡(luò)中某臺機器對外部提供WWW服務(wù)，而不是將真IP地址直接轉(zhuǎn)到內(nèi)部提供WWW服務(wù)的主機。

    三臺處理服務(wù)器分別處理來自不同端口的信息，來自無線自動雨量監(jiān)測站的信息經(jīng)主服務(wù)器的端口映射到無線數(shù)據(jù)接收處理服務(wù)器接收，然后再送回主服務(wù)器保存在SQL數(shù)據(jù)庫；通過有線方式接收信息的任務(wù)則由有線接接收處理服務(wù)器來完成。最終WWW服務(wù)器從主服務(wù)器上調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫，將雨量信息在Web頁上實現(xiàn)動態(tài)更新顯示，以供外部用戶通過Internet訪問。

3.3 軟件設(shè)計

    軟件設(shè)計主要指利用計算機高級語言開發(fā)數(shù)據(jù)中心站上的數(shù)據(jù)接收和處理軟件。對于有線數(shù)據(jù)傳輸方式，利用VC++6.0開發(fā)出客戶端(局地計算機)數(shù)據(jù)發(fā)送軟件和服務(wù)器端(有線數(shù)據(jù)接收處理服務(wù)器)數(shù)據(jù)接收軟件。軟件中數(shù)據(jù)的傳輸采用了Winsock方式。

    對于無線數(shù)據(jù)傳輸方式的軟件開發(fā)，使用了GPRS廠商提供的開發(fā)工具包。當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)上收集到某個雨量站發(fā)來的信息后，經(jīng)過一系列處理后把數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫。[8]

    最后，在WWW服務(wù)器上利用ASP(Active Sever Pages)開發(fā)出Web頁面供外部用戶訪問。

4、結(jié)束語

    GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的成熟促進它在更寬廣領(lǐng)域中的應(yīng)用，在氣象領(lǐng)域國外于2003年上半年推出了基于GPRS的自動氣象站。本文介紹的雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完成，這種中小尺度的氣象監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將在很大程度上增強對災(zāi)害性天氣的預(yù)警能力，減少了國家和人民的財產(chǎn)損失。

[1] 韓冰，李芬華。GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。電子技術(shù)，2003(8)：26~29。
[2] 鮑若峪，羅小芬等。珠海自動氣象站網(wǎng)工程。中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1996(35)：182~188。
[3] 趙志偉。GPRS技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)綜述。移動通信，2002(6)，23~28。
[4] http://www.simpleteam.com
[5] 什么是GPRS？，http://www.simpleteam.com
[6] H711x GPRS無線DDN數(shù)據(jù)終端使用說明。
[7] 900/1800MHz TDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)設(shè)備技術(shù)要求移動臺
[8] H711x GPRS無線DDN數(shù)據(jù)終端DSC DEVELOP handbook
[9] http://www.etsi.org

Abstract:

This paper describes a new kind network for wireless autonomous rain-fall detecting. It gets over the weakness of traditional autonomous meteorological systems concerning information acquisition and transmission. And it also makesrainfall detection autonomous and wireless, which adopts GPRS data terminal modular based on wireless mobile communication and Internet technology. By means of VC++ database programming for data processing, the aim has been achieved that the meteorological information is displayed dynamically on web via Internet.

Keywords:

Autonomous Weather Station GPRS data acquisition