| 一．引言
在此介紹一種新型的無線自動(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。
相關(guān)知識(shí)：自動(dòng)氣象站 GPRS 數(shù)據(jù)采集
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。GPRS無線雨量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)正是基于這樣的目的開發(fā)完成的。
二．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。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)。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(采用嘉復(fù)欣GF-2008 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)。
無線自動(dòng)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(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。
三．GPRS概述
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(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。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(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。
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)。
圖2 GPRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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)無線信道，同一無線信道又可以由多個(gè)用戶共享，資源被有效的利用，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。
四．整體系統(tǒng)構(gòu)成
1．?dāng)?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)采用了嘉復(fù)欣GF-2008 GPRS無線DTU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)。
嘉復(fù)欣GF-2008 GPRS DTU系列模塊帶有40Pin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~+28VDC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。
自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)傳輸部分采用中心點(diǎn)~多點(diǎn)的方式，如圖3
圖 3 無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方式示意[7]
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線信息傳輸費(fèi)用。在整個(gè)無線網(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。
圖4 有線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成簡(jiǎn)圖
2．?dāng)?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．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)。
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。
五．結(jié)束語(yǔ)
GPRS無線數(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。 | 會(huì)員1.png)
