一．引言

    在此介紹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(diǎn)，結(jié)合移動無線傳輸和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(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。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。

二．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(jì)算機(jī)控制的自動進(jìn)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。雨量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采集的是單要素雨量信息，通過擴(kuò)展自動站的傳感器系統(tǒng)即可實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成的自動氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖1：

    自動雨量站作為系統(tǒng)的端站安裝于各個觀測點(diǎn)。其中無線自動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；有線自動雨量站利用局地微機(jī)系統(tǒng)對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，而且使自動站有更強(qiáng)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。

三．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(shí)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。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，具有“高速”和“永遠(yuǎn)在線”的優(yōu)點(diǎn)。

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(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，GPRS還有“永遠(yuǎn)在線”的特點(diǎn)，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(fèi)等方式收取。對營運(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，中國移動采取了分段計(jì)費(fèi)（流量）的價格模式，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。舉個例子，用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)時，點(diǎn)擊一個超級鏈接，手機(jī)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(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。

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。每個模塊在使用時需要安裝SIM卡，和手機(jī)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(shí)時時鐘、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，以便對模塊供電和進(jìn)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～+28VDC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(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)以及軟件升級和簡單的測試。

    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(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(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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和保存。 

圖4 有線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成簡圖  

2．?dāng)?shù)據(jù)中心工作站 

圖5 數(shù)據(jù)中心站構(gòu)成示意

    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(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(jī)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(jī)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(jī)?？梢宰寖?nèi)部網(wǎng)絡(luò)中某臺機(jī)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(jī)。

    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(shí)現(xiàn)動態(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(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。

    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。

五．結(jié)束語

    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(qiáng)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。