基于GPRS的远程自动雨量监测网络

自动雨量站作为系统的端站安装于各个观测点。其中无线自动雨量站主要由传感器单元、单片机系统和GPRS数据终端单元(采用嘉复欣GF-2008 GPRS DTU)构成。有线自动雨量站由传感器单元和单片机系统构成，并配有局地微机系统。
无线自动雨量站直接通过GPRS数据终端将信息以无线传输方式发送出去，通过无线网络供应商转送到Internet，经由Internet最终进入数据处理中心；有线自动雨量站利用局地微机系统对采集到的气象信息进行处理，并直接通过Internet传送到数据处理中心。无线自动雨量站的通信费用是以数据流量来计算的，费用低廉，而且使自动站有更强的地域适应空间，只要移动电话网络信号覆盖的地方都能通信。
数据处理中心工作站是整个网络系统的主控部分,由一台主服务器和三台数据处理服务器组成。主服务器在公网上有固定的IP地址，三台数据服务器通过集线器与主服务器联网。主服务器上安装有SQL SERVER2000，用于接收和处理雨量资料，三台数据处理器分别负责接收来自GPRS无线传输的雨量站信息、接收来自有线传输的雨量站信息和对政府部门提供雨量数据服务(如网页浏览、信息服务等)。从各测站发回的气象资料经整理后存入SQL Server数据库，并通过网页浏览方式提供给政府决策部门及其他用户。
三．GPRS概述
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称。GPRS是GSM Phase2.1规范实现的内容之一，它是一种基于GSM的新型移动分组数据承载业务，能提供比现有GSM网9.6kbit/s更高的数据率。GPRS采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。它突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。
GPRS网络是在现有GSM网络中增加GGSN和SGSN来实现的，使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。

图2 GPRS系统结构

GPRS是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP或X.25服务。相对原来GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，具有“高速”和“永远在线”的优点。
1) 极速传送，移动新干线
电路交换数据业务(简称CSD)，速率为9.6kbps，GPRS的最高速率可达115.2kbps。
2) 永远在线、费用低廉、我行我素
除了速度上的优势，GPRS还有“永远在线”的特点，即用户随时与网络保持联系。GPRS数据服务可以按流量或时间或包月固定费等方式收取。对营运商来说，提供数据服务的成本产生基本按流量产生，中国移动采取了分段计费(流量)的价格模式，这样就大大降低了用户的使用GPRS进行数据传输的成本，尤其在数据采集与监控系统中。举个例子，用户访问互联网时，点击一个超级链接，手机就在无线信道上发送和接受数据，主页下载到本地后，没有数据传送，手机就进入一种“准休眠”状态，手机释放所用的无线频道给其他用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次点击，手机立即向网络请求无线频道用来传送数据，而不像普通拨号上网那样断线后还得重新拨号才能上网冲浪。
四．整体系统构成
1．数据终端及数据传输网络
1) 通过GPRS无线方式直接发送信息的雨量站
系统中GPRS无线数据终端(DTU)采用了嘉复欣GF-2008 GPRS无线DTU数据终端。每个模块在使用时需要安装SIM卡，和手机一样在移动网中具有唯一的ID。该终端支持双频GSM/GPRS、符合ETSI GSM Phase 2+标准、采用实时时钟、支持A5/1&A5/5加密算法，为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。
嘉复欣GF-2008 GPRS DTU系列模块带有40Pin用户数据接口，以便对模块供电和进行数据交换。对外数据线的连接和数据交换方式与RS-232类似，同时该系列大多型号支持+4.5~+28VDC电源，方便在更多场合安装使用。在终端所有连接完成之后，通过终端内置的设置、管理与调试工具对GPRS数据终端进行管理，便于用户在使用前配置相关参数和在调试过程中灵活地改变相关参数以及软件升级和简单的测试。
自动雨量监测网络无线数据传输部分采用中心点~多点的方式，如图3

图 3 无线网络构成方式示意[7]

自动雨量采集设备有多个，它们用各自的GPRS数据终端将数据打成IP包，经GPRS空中接口接入无线GPRS网络，由移动服务商转接到Internet，最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站。需要指出的是GPRS终端向数据业务中心发送数据是间断性发送，可以根据需要调整发送数据的频率，这在一定程度上也降低了无线信息传输费用。在整个无线网络设计过程中首先要解决的关键问题是：如何进行气象信息采集单元与GPRS终端的连接，如何根据具体无线网络情况合理设置，如何进行数据打包发送并在数据中心工作站实现接收。
2) 通过有线网络发送信息的雨量站
有线雨量站中单片机把传感器获得的雨量信息用串行通信的方式送到局地微型机算机。计算机首先把数据进行处理和编码，然后通过互连网把数据信息送到有固定IP的数据业务中心站。在这一过程中，需要开发局地计算机数据处理和发送软件，进行数据传送，同时数据业务中心站要有对应的服务器端数据接收软件实现数据接收和保存。

图4 有线网络构成简图

2．数据中心工作站

图5 数据中心站构成示意

主服务器安装Windows Server 2003操作系统，并安装了SQL Server 2000数据库管理软件。所有来自终端自动雨量站的数据经过网络首先进入具有固定的IP地址的主服务器。但是考虑到服务器的稳定运行问题通常不允许在服务器上安装其他应用软件，为了降低主服务器的负荷，系统中需要另外增加三台服务器来分担主服务器的数据处理任务。这四台服务器共同构成类似于内部局域网的数据中心工作站(DSC)。虽然数据中心站有多台服务器，但它对外部公网只提供一个IP地址，因此在架设过程中采用了一种网络地址转换(NAT)技术。NAT端口映射功能将一台主机的假IP地址映射成一个真IP地址，当用户访问提供映射端口主机的某个端口时，服务器将请求转到内部提供这种特定服务的主机。可以让内部网络中某台机器对外部提供WWW服务，而不是将真IP地址直接转到内部提供WWW服务的主机。
三台处理服务器分别处理来自不同端口的信息，来自无线自动雨量监测站的信息经主服务器的端口映射到无线数据接收处理服务器接收，然后再送回主服务器保存在SQL数据库；通过有线方式接收信息的任务则由有线接接收处理服务器来完成。最终WWW服务器从主服务器上调用SQL数据库，将雨量信息在Web页上实现动态更新显示，以供外部用户通过Internet访问。
3．软件设计
软件设计主要指利用计算机高级语言开发数据中心站上的数据接收和处理软件。对于有线数据传输方式，利用VC++6.0开发出客户端(局地计算机)数据发送软件和服务器端(有线数据接收处理服务器)数据接收软件。软件中数据的传输采用了Winsock方式。
对于无线数据传输方式的软件开发，使用了GPRS厂商提供的开发工具包。当从网络上收集到某个雨量站发来的信息后，经过一系列处理后把数据存入SQL数据库。
最后，在WWW服务器上利用ASP(Active Sever Pages)开发出Web页面供外部用户访问。
五．结束语
GPRS无线数据传输技术的成熟促进它在更宽广领域中的应用，在气象领域国外于2003年上半年推出了基于GPRS的自动气象站。本文介绍的雨量监测网络已经完成，这种中小尺度的气象监测网络将在很大程度上增强对灾害性天气的预警能力，减少了国家和人民的财产损失。