基於GPRS的遠程自動雨量監測網絡

　1、自動雨量監測網絡概況

       自動氣象站是由電子設備或計算機控製的自動進行氣象觀測和資料收集傳輸的氣象站。從數據傳輸方式上分通常有兩種形式：通過有線網絡發送信息的自動氣象站和通過GPRS無(wu)線(xian)方(fang)式(shi)直(zhi)接(jie)發(fa)送(song)信(xin)息(xi)的(de)自(zi)動(dong)氣(qi)象(xiang)站(zhan)。將(jiang)多(duo)個(ge)自(zi)動(dong)氣(qi)象(xiang)站(zhan)數(shu)據(ju)信(xin)息(xi)利(li)用(yong)有(you)線(xian)或(huo)無(wu)線(xian)方(fang)式(shi)連(lian)接(jie)至(zhi)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)處(chu)理(li)係(xi)統(tong)就(jiu)構(gou)成(cheng)了(le)自(zi)動(dong)氣(qi)象(xiang)監(jian)測(ce)網(wang)絡(luo)，通(tong)常(chang)它(ta)采(cai)集(ji)到(dao)的(de)數(shu)據(ju)是(shi)多(duo)要(yao)素(su)的(de)氣(qi)象(xiang)信(xin)息(xi)。我(wo)們(men)這(zhe)裏(li)所(suo)介(jie)紹(shao)的(de)是(shi)雨(yu)量(liang)監(jian)測(ce)網(wang)絡(luo)采(cai)集(ji)的(de)是(shi)單(dan)要(yao)素(su)雨(yu)量(liang)信(xin)息(xi)，通(tong)過(guo)擴(kuo)展(zhan)自(zi)動(dong)站(zhan)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)係(xi)統(tong)即(ji)可(ke)實(shi)現(xian)多(duo)要(yao)素(su)信(xin)息(xi)采(cai)集(ji)。

      該自動雨量監測網絡是由自動雨量站
、數據通訊網絡(有線和無線兩種方式)、數據中心工作站及其局地計算機網絡組成的自動氣象數據采集係統[2]。如圖1：

     自動雨量站作為係統的端站安裝於各個觀測點。其中無線自動雨量站主要由傳感器單元、單片機係統和GPRS數據終端單元(采用正偉 GPRS DTU)構成。有線自動雨量站由傳感器單元和單片機係統構成，並配有局地微機係統。[2]

     無線自動雨量站直接通過GPRS數據終端將信息以無線傳輸方式發送出去
，通過無線網絡供應商轉送到Internet，經由Internet最終進入數據處理中心
；有線自動雨量站利用局地微機係統對采集到的氣象信息進行處理，並直接通過Internetchuansongdaoshujuchulizhongxin。wuxianzidongyuliangzhandetongxinfeiyongshiyishujuliulianglaijisuande

，feiyongdilian，erqieshizidongzhanyougengqiangdediyushiyingkongjian，zhiyaoyidongdianhuawangluoxinhaofugaidedifangdounengtongxin。

     數據處理中心工作站是整個網絡係統的主控部分,由一台主服務器和三台數據處理服務器組成。主服務器在公網上有固定的IP地址，三台數據服務器通過集線器與主服務器聯網。主服務器上安裝有SQL SERVER，用於接收和處理雨量資料
，三台數據處理器分別負責接收來自GPRS無線傳輸的雨量站信息、接收來自有線傳輸的雨量站信息和對政府部門提供雨量數據服務(如網頁瀏覽
、信息服務等)。從各測站發回的氣象資料經整理後存入SQL Server數據庫
，並通過網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)是通用分組無線業務的簡稱。GPRS是GSM Phase2.1規範實現的內容之一
，它是一種基於GSM的新型移動分組數據承載業務，能提供比現有GSM網9.6kbit/s更高的數據率[3][4]。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調製標準
、跳頻規則以及相同的TDMA幀結構。它突破了GSM網(wang)隻(zhi)能(neng)提(ti)供(gong)電(dian)路(lu)交(jiao)換(huan)的(de)思(si)維(wei)方(fang)式(shi)
，隻(zhi)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)相(xiang)應(ying)的(de)功(gong)能(neng)實(shi)體(ti)和(he)對(dui)現(xian)有(you)的(de)基(ji)站(zhan)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)部(bu)分(fen)改(gai)造(zao)來(lai)實(shi)現(xian)分(fen)組(zu)交(jiao)換(huan)，這(zhe)種(zhong)改(gai)造(zao)的(de)投(tou)入(ru)相(xiang)對(dui)來(lai)說(shuo)並(bing)不(bu)大(da)，但(dan)得(de)到(dao)的(de)用(yong)戶(hu)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)卻(que)相(xiang)當(dang)可(ke)觀(guan)。[5]

    GPRS網絡是在現有GSM網絡中增加GGSN和SGSN來實現的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發送和接收數據。[4]

      GPRS是一種新的移動數據通信業務，在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接
，給移動用戶提供高速無線IP或X.25服務。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數據傳送方式
，GPRS是分組交換技術，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”的優點。

1) 極速傳送，移動新幹線

    電路交換數據業務(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

     除了速度上的優勢，GPRS還有“永遠在線”的特點
，即用戶隨時與網絡保持聯係。GPRS數(shu)據(ju)服(fu)務(wu)可(ke)以(yi)按(an)流(liu)量(liang)或(huo)時(shi)間(jian)或(huo)包(bao)月(yue)固(gu)定(ding)費(fei)等(deng)方(fang)式(shi)收(shou)取(qu)。對(dui)營(ying)運(yun)商(shang)來(lai)說(shuo)
，提(ti)供(gong)數(shu)據(ju)服(fu)務(wu)的(de)成(cheng)本(ben)產(chan)生(sheng)基(ji)本(ben)按(an)流(liu)量(liang)產(chan)生(sheng)，中(zhong)國(guo)移(yi)動(dong)采(cai)取(qu)了(le)分(fen)段(duan)計(ji)費(fei)(流量)的價格模式
，這樣就大大降低了用戶的使用GPRS進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)的(de)成(cheng)本(ben)，尤(you)其(qi)在(zai)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)與(yu)監(jian)控(kong)係(xi)統(tong)中(zhong)。舉(ju)個(ge)例(li)子(zi)，用(yong)戶(hu)訪(fang)問(wen)互(hu)聯(lian)網(wang)時(shi)，點(dian)擊(ji)一(yi)個(ge)超(chao)級(ji)鏈(lian)接(jie)，手(shou)機(ji)就(jiu)在(zai)無(wu)線(xian)信(xin)道(dao)上(shang)發(fa)送(song)和(he)接(jie)受(shou)數(shu)據(ju)，主(zhu)頁(ye)下(xia)載(zai)到(dao)本(ben)地(di)後(hou)，沒(mei)有(you)數(shu)據(ju)傳(chuan)送(song)，手(shou)機(ji)就(jiu)進(jin)入(ru)一(yi)種(zhong)“準休眠”狀(zhuang)態(tai)
，手(shou)機(ji)釋(shi)放(fang)所(suo)用(yong)的(de)無(wu)線(xian)頻(pin)道(dao)給(gei)其(qi)他(ta)用(yong)戶(hu)使(shi)用(yong)，這(zhe)時(shi)網(wang)絡(luo)與(yu)用(yong)戶(hu)之(zhi)間(jian)還(hai)保(bao)持(chi)一(yi)種(zhong)邏(luo)輯(ji)上(shang)的(de)連(lian)接(jie)，當(dang)用(yong)戶(hu)再(zai)次(ci)點(dian)擊(ji)，手(shou)機(ji)立(li)即(ji)向(xiang)網(wang)絡(luo)請(qing)求(qiu)無(wu)線(xian)頻(pin)道(dao)用(yong)來(lai)傳(chuan)送(song)數(shu)據(ju)，而(er)不(bu)像(xiang)普(pu)通(tong)撥(bo)號(hao)上(shang)網(wang)那(na)樣(yang)斷(duan)線(xian)後(hou)還(hai)得(de)重(zhong)新(xin)撥(bo)號(hao)才(cai)能(neng)上(shang)網(wang)衝(chong)浪(lang)。[5]

　3


、整體係統構成

3.1 數據終端及數據傳輸網絡

1) 通過GPRS無線方式直接發送信息的雨量站

      係統中ZWCOM GPRS無線數據終端(DTU)采用了GPRS無線DDN數據終端。每個模塊在使用時需要安裝SIM卡
，和手機一樣在移動網中具有唯一的ID。該終端支持雙頻GSM/GPRS、符合ETSI GSM Phase 2+標準
、采用實時時鍾

、支持A5/1&A5/5加密算法，為用戶提供高速
、永遠在線
、透明數據傳輸的虛擬專用數據通信網絡。

     正偉GPRS DTU係列模塊帶有20Pin用戶數據接口，以便對模塊供電和進行數據交換。對外數據線的連接和數據交換方式與RS-232類似，同時該係列大多型號支持+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後，通過終端內置的設置、管理與調試工具對GPRS數據終端進行管理，便於用戶在使用前配置相關參數和在調試過程中靈活地改變相關參數以及軟件升級和簡單的測試。[6]

自動雨量監測網絡無線數據傳輸部分采用中心點~多點的方式，如圖3

      自動雨量采集設備有多個
，它們用各自的GPRS數據終端將數據打成IP包，經GPRS空中接口接入無線GPRS網絡
，由移動服務商轉接到Internet，最終通過各種網關和路由到達統一的數據處理中心工作站。需要指出的是GPRSzhongduanxiangshujuyewuzhongxinfasongshujushijianduanxingfasong，keyigenjuxuyaotiaozhengfasongshujudepinlv，zhezaiyidingchengdushangyejiangdilewuxianxinxichuanshufeiyong。zaizhenggewuxianwangluoshejiguochengzhongshouxianyaojiejuedeguanjianwentishi：如何進行氣象信息采集單元與GPRS終端的連接
，如何根據具體無線網絡情況合理設置
，如何進行數據打包發送並在數據中心工作站實現接收。

2) 通過有線網絡發送信息的雨量站

     有you線xian雨yu量liang站zhan中zhong單dan片pian機ji把ba傳chuan感gan器qi獲huo得de的de雨yu量liang信xin息xi用yong串chuan行xing通tong信xin的de方fang式shi送song到dao局ju地di微wei型xing機ji算suan機ji。計ji算suan機ji首shou先xian把ba數shu據ju進jin行xing處chu理li和he編bian碼ma
，然ran後hou通tong過guo互hu連lian網wang把ba數shu據ju信xin息xi送song到dao有you固gu定dingIP的de數shu據ju業ye務wu中zhong心xin站zhan。在zai這zhe一yi過guo程cheng中zhong，需xu要yao開kai發fa局ju地di計ji算suan機ji數shu據ju處chu理li和he發fa送song軟ruan件jian，進jin行xing數shu據ju傳chuan送song，同tong時shi數shu據ju業ye務wu中zhong心xin站zhan要yao有you對dui應ying的de服fu務wu器qi端duan數shu據ju接jie收shou軟ruan件jian實shi現xian數shu據ju接jie收shou和he保bao存cun。

3.2 數據中心工作站

     主服務器安裝Windows Server 2003操作係統，並安裝了SQL Server 2000數據庫管理軟件。所有來自終端自動雨量站的數據經過網絡首先進入具有固定的IP地(di)址(zhi)的(de)主(zhu)服(fu)務(wu)器(qi)。但(dan)是(shi)考(kao)慮(lv)到(dao)服(fu)務(wu)器(qi)的(de)穩(wen)定(ding)運(yun)行(xing)問(wen)題(ti)通(tong)常(chang)不(bu)允(yun)許(xu)在(zai)服(fu)務(wu)器(qi)上(shang)安(an)裝(zhuang)其(qi)他(ta)應(ying)用(yong)軟(ruan)件(jian)
，為(wei)了(le)降(jiang)低(di)主(zhu)服(fu)務(wu)器(qi)的(de)負(fu)荷(he)，係(xi)統(tong)中(zhong)需(xu)要(yao)另(ling)外(wai)增(zeng)加(jia)三(san)台(tai)服(fu)務(wu)器(qi)來(lai)分(fen)擔(dan)主(zhu)服(fu)務(wu)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)任(ren)務(wu)。這(zhe)四(si)台(tai)服(fu)務(wu)器(qi)共(gong)同(tong)構(gou)成(cheng)類(lei)似(si)於(yu)內(nei)部(bu)局(ju)域(yu)網(wang)的(de)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)工(gong)作(zuo)站(zhan)(DSC)。雖然數據中心站有多台服務器

，但它對外部公網隻提供一個IP地址，因此在架設過程中采用了一種網絡地址轉換(NAT)技術。NAT端口映射功能將一台主機的假IP地址映射成一個真IP地di址zhi，當dang用yong戶hu訪fang問wen提ti供gong映ying射she端duan口kou主zhu機ji的de某mou個ge端duan口kou時shi
，服fu務wu器qi將jiang請qing求qiu轉zhuan到dao內nei部bu提ti供gong這zhe種zhong特te定ding服fu務wu的de主zhu機ji。可ke以yi讓rang內nei部bu網wang絡luo中zhong某mou台tai機ji器qi對dui外wai部bu提ti供gongWWW服務，而不是將真IP地址直接轉到內部提供WWW服務的主機。

      三san台tai處chu理li服fu務wu器qi分fen別bie處chu理li來lai自zi不bu同tong端duan口kou的de信xin息xi，來lai自zi無wu線xian自zi動dong雨yu量liang監jian測ce站zhan的de信xin息xi經jing主zhu服fu務wu器qi的de端duan口kou映ying射she到dao無wu線xian數shu據ju接jie收shou處chu理li服fu務wu器qi接jie收shou
，然ran後hou再zai送song回hui主zhu服fu務wu器qi保bao存cun在zaiSQL數據庫；通過有線方式接收信息的任務則由有線接接收處理服務器來完成。最終WWW服務器從主服務器上調用SQL數據庫

，將雨量信息在Web頁上實現動態更新顯示，以供外部用戶通過Internet訪問。

3.3 軟件設計

      軟件設計主要指利用計算機高級語言開發數據中心站上的數據接收和處理軟件。對於有線數據傳輸方式，利用VC++6.0開發出客戶端(局地計算機)數據發送軟件和服務器端(有線數據接收處理服務器)數據接收軟件。軟件中數據的傳輸采用了Winsock方式。

    對於無線數據傳輸方式的軟件開發，使用了GPRS廠商提供的開發工具包。當從網絡上收集到某個雨量站發來的信息後，經過一係列處理後把數據存入SQL數據庫。[8]

      最後，在WWW服務器上利用ASP(Active Sever Pages)開發出Web頁麵供外部用戶訪問。