基于GPRS的遠(yuǎn)程自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

摘要：本文介紹了一種新型的無(wú)線自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)突破傳統(tǒng)自動(dòng)氣象網(wǎng)絡(luò)信息采集和傳輸?shù)确矫娴娜觞c(diǎn)，結(jié)合移動(dòng)無(wú)線傳輸和Internet技術(shù)使用GPRS數(shù)據(jù)終端實(shí)現(xiàn)雨量監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，無(wú)線化。采用VC++編程建立數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，最終達(dá)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(dòng)通訊和Internet技術(shù)的發(fā)展正給社會(huì)帶來深刻的變化，而GPRS無(wú)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(cè)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(wú)線雨量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)正是基于這樣的目的開發(fā)完成的。

1、自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)概況　

    自動(dòng)氣象站是由電子設(shè)備或計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)進(jìn)行氣象觀測(cè)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(dòng)氣象站和通過GPRS無(wú)線方式直接發(fā)送信息的自動(dòng)氣象站。將多個(gè)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)信息利用有線或無(wú)線方式連接至數(shù)據(jù)中心處理系統(tǒng)就構(gòu)成了自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)采集的是單要素雨量信息，通過擴(kuò)展自動(dòng)站的傳感器系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)多要素信息采集。

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

    自動(dòng)雨量站作為系統(tǒng)的端站安裝于各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。其中無(wú)線自動(dòng)雨量站主要由傳感器單元、單片機(jī)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(dòng)雨量站由傳感器單元和單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，并配有局地微機(jī)系統(tǒng)。[2]

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

    數(shù)據(jù)處理中心工作站是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主控部分,由一臺(tái)主服務(wù)器和三臺(tái)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(tái)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(tái)數(shù)據(jù)處理器分別負(fù)責(zé)接收來自GPRS無(wú)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?duì)政府部門提供雨量數(shù)據(jù)服務(wù)(如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、信息服務(wù)等)。從各測(cè)站發(fā)回的氣象資料經(jīng)整理后存入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過網(wǎng)頁(yè)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(wú)線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱。GPRS是GSM Phase2.1規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一，它是一種基于GSM的新型移動(dòng)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(wú)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(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)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(shí)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(dòng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動(dòng)用戶提供高速無(wú)線IP或X.25服務(wù)。相對(duì)原來GSM的撥號(hào)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(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線信道，同一無(wú)線信道又可以由多個(gè)用戶共享，資源被有效的利用[6]，具有“高速”和“永遠(yuǎn)在線”的優(yōu)點(diǎn)。

1) 極速傳送，移動(dòng)新干線

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

2) 永遠(yuǎn)在線、費(fèi)用低廉、我行我素

    除了速度上的優(yōu)勢(shì)，GPRS還有“永遠(yuǎn)在線”的特點(diǎn)，即用戶隨時(shí)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(shí)間或包月固定費(fèi)等方式收取。對(duì)營(yíng)運(yùn)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(guó)移動(dòng)采取了分段計(jì)費(fèi)(流量)的價(jià)格模式，這樣就大大降低了用戶的使用GPRS進(jìn)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(gè)例子，用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，點(diǎn)擊一個(gè)超級(jí)鏈接，手機(jī)就在無(wú)線信道上發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，主頁(yè)下載到本地后，沒有數(shù)據(jù)傳送，手機(jī)就進(jìn)入一種“準(zhǔn)休眠”狀態(tài)，手機(jī)釋放所用的無(wú)線頻道給其他用戶使用，這時(shí)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(diǎn)擊，手機(jī)立即向網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求無(wú)線頻道用來傳送數(shù)據(jù)，而不像普通撥號(hào)上網(wǎng)那樣斷線后還得重新?lián)芴?hào)才能上網(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(wú)線方式直接發(fā)送信息的雨量站

    系統(tǒng)中GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)終端(DTU)采用了H711x系列GPRS無(wú)線DDN數(shù)據(jù)終端。每個(gè)模塊在使用時(shí)需要安裝SIM卡，和手機(jī)一樣在移動(dòng)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(shí)時(shí)時(shí)鐘、支持A5/1&A5/5加密算法，為用戶提供高速、永遠(yuǎn)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(duì)模塊供電和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。對(duì)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(shí)該系列大多型號(hào)支持+4.5~+26VDC電源，方便在更多場(chǎng)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(duì)GPRS數(shù)據(jù)終端進(jìn)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(jí)和簡(jiǎn)單的測(cè)試。[6]

    自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分采用中心點(diǎn)~多點(diǎn)的方式，如圖3

    自動(dòng)雨量采集設(shè)備有多個(gè)，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(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)，由移動(dòng)服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)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(wú)線信息傳輸費(fèi)用。在整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中首先要解決的關(guān)鍵問題是：如何進(jìn)行氣象信息采集單元與GPRS終端的連接，如何根據(jù)具體無(wú)線網(wǎng)絡(luò)情況合理設(shè)置，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)打包發(fā)送并在數(shù)據(jù)中心工作站實(shí)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(jī)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(jī)算機(jī)。計(jì)算機(jī)首先把數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和發(fā)送軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，同時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中心站要有對(duì)應(yīng)的服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收軟件實(shí)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(kù)管理軟件。所有來自終端自動(dòng)雨量站的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)首先進(jìn)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(yùn)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(tái)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(tái)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(tái)服務(wù)器，但它對(duì)外部公網(wǎng)只提供一個(gè)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(tái)主機(jī)的假IP地址映射成一個(gè)真IP地址，當(dāng)用戶訪問提供映射端口主機(jī)的某個(gè)端口時(shí)，服務(wù)器將請(qǐng)求轉(zhuǎn)到內(nèi)部提供這種特定服務(wù)的主機(jī)?？梢宰寖?nèi)部網(wǎng)絡(luò)中某臺(tái)機(jī)器對(duì)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(jī)。

    三臺(tái)處理服務(wù)器分別處理來自不同端口的信息，來自無(wú)線自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)站的信息經(jīng)主服務(wù)器的端口映射到無(wú)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(kù)；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(kù)，將雨量信息在Web頁(yè)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新顯示，以供外部用戶通過Internet訪問。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)主要指利用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)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(duì)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(jì)算機(jī))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(duì)于無(wú)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(gè)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(kù)。[8]

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

4、結(jié)束語(yǔ)

    GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的成熟促進(jìn)它在更寬廣領(lǐng)域中的應(yīng)用，在氣象領(lǐng)域國(guó)外于2003年上半年推出了基于GPRS的自動(dòng)氣象站。本文介紹的雨量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完成，這種中小尺度的氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)將在很大程度上增強(qiáng)對(duì)災(zāi)害性天氣的預(yù)警能力，減少了國(guó)家和人民的財(cái)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(dòng)氣象站網(wǎng)工程。中山大學(xué)學(xué)報(bào)(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(dòng)通信，2002(6)，23~28。
[4] http://www.simpleteam.com
[5] 什么是GPRS？，http://www.simpleteam.com
[6] H711x GPRS無(wú)線DDN數(shù)據(jù)終端使用說明。
[7] 900/1800MHz TDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)設(shè)備技術(shù)要求移動(dòng)臺(tái)
[8] H711x GPRS無(wú)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