基于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制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無線方式直接發送信息的自動氣象站。將多個自動氣象站數據信息利用有線或無線方式連接至數據中心處理系統就構成了自動氣象監測網絡，通常它采集到的數據是多要素的氣象信息。我們這里所介紹的是雨量監測網絡采集的是單要素雨量信息，通過擴展自動站的傳感器系統即可實現多要素信息采集。
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系統[2]。如圖1：
自動雨量站作為系統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系統構成，并配有局地微機系統。[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系統對采集到的氣象信息進行處理，并直接通過Internet傳送到數據處理中心。無線自動雨量站的通信費用是以數據流量來計算的，費用低廉，而且使自動站有更強的地域適應空間，只要移動電話網絡信號覆蓋的地方都能通信。
數據處理中心工作站是整個網絡系統的主控部分,由一臺主服務器和三臺數據處理服務器組成。主服務器在公網上有固定的IP地址，三臺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SERVER，用于接收和處理雨量資料，三臺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后存入SQL Server數據庫，并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規范實現的內容之一，它是一種基于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、無線調制標準、跳頻規則以及相同的TDMA幀結構。它突破了GSM網只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統進行部分改造來實現分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數據速率卻相當可觀。[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]
圖2 GPRS系統結構
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，移動新干線
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系。GPRS數據服務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，提供數據服務的成本產生基本按流量產生，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進行數據傳輸的成本，尤其在數據采集與監控系統中。舉個例子，用戶訪問互聯網時，點擊一個超級鏈接，手機就在無線信道上發送和接受數據，主頁下載到本地后，沒有數據傳送，手機就進入一種“準休眠”狀態，手機釋放所用的無線頻道給其他用戶使用，這時網絡與用戶之間還保持一種邏輯上的連接，當用戶再次點擊，手機立即向網絡請求無線頻道用來傳送數據，而不像普通撥號上網那樣斷線后還得重新撥號才能上網沖浪。[5]
3、整體系統構成
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
系統中GPRS無線數據終端(DTU)采用了正偉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、透明數據傳輸的虛擬專用數據通信網絡。
正偉GPRS DTU2009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，通過終端內置的設置、管理與調試工具對GPRS數據終端進行管理，便于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
圖 3 無線網絡構成方式示意[7]
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GPRS終端向數據業務中心發送數據是間斷性發送，可以根據需要調整發送數據的頻率，這在一定程度上也降低了無線信息傳輸費用。在整個無線網絡設計過程中首先要解決的關鍵問題是：如何進行氣象信息采集單元與GPRS終端的連接，如何根據具體無線網絡情況合理設置，如何進行數據打包發送并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。計算機首先把數據進行處理和編碼，然后通過互連網把數據信息送到有固定IP的數據業務中心站。在這一過程中，需要開發局地計算機數據處理和發送軟件，進行數據傳送，同時數據業務中心站要有對應的服務器端數據接收軟件實現數據接收和保存。
圖4 有線網絡構成簡圖
3.2 數據中心工作站
圖5 數據中心站構成示意
主服務器安裝Windows Server 2003操作系統，并安裝了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地址的主服務器。但是考慮到服務器的穩定運行問題通常不允許在服務器上安裝其他應用軟件，為了降低主服務器的負荷，系統中需要另外增加三臺服務器來分擔主服務器的數據處理任務。這四臺服務器共同構成類似于內部局域網的數據中心工作站(DSC)。雖然數據中心站有多臺服務器，但它對外部公網只提供一個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端口映射功能將一臺主機的假IP地址映射成一個真IP地址，當用戶訪問提供映射端口主機的某個端口時，服務器將請求轉到內部提供這種特定服務的主機。可以讓內部網絡中某臺機器對外部提供WWW服務，而不是將真IP地址直接轉到內部提供WWW服務的主機。
三臺處理服務器分別處理來自不同端口的信息，來自無線自動雨量監測站的信息經主服務器的端口映射到無線數據接收處理服務器接收，然后再送回主服務器保存在SQL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。對于有線數據傳輸方式，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。
對于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后，經過一系列處理后把數據存入SQL數據庫。[8]
最后，在WWW服務器上利用ASP(Active Sever Pages)開發出Web頁面供外部用戶訪問。
4、結束語
GPRS無線數據傳輸技術的成熟促進它在更寬廣領域中的應用，在氣象領域國外于2003年上半年推出了基于GPRS的自動氣象站。本文介紹的雨量監測網絡已經完成，這種中小尺度的氣象監測網絡將在很大程度上增強對災害性天氣的預警能力，減少了國家和人民的財產損失。
