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1、基于 G P R S的自动气象站组网 通信系统开发及应用 彭军 谢丛刚 李中华 秦建峰 鲁静 湖北省气象技术装备中心 4 3 0 0 7 4 目前国内外自动气象站组网通信技术发展呈现多样化按传输介质可分为有线和无线两类具 体包括 PTSN卫星无线高频等多种方式当前国内最常用组网通信方式是 PTSN其主要优点是 建设成本低技术实现门槛较低其通信效率能够满足小规模组网较低资料时次收集的需要 PTSN 缺陷也较明显如信道建立时间延迟较长中心站对自动站的访问并发能力有限允许的资料时次密 度相对低采集器资料不能充分利用利用 GPRS 网络技术实现自动气象站的组网通信可以避免有 线方式的制约在总体成本相当
2、的情况下可得到较高密集时次资料同时也可保证资料实时性能 1 G P R S技术发展情况 GPRSGeneral Packet Radio Service 通用分组无线交换业务 是一种基于分组交换传输数据 GSM 数据业务其最大特点是能提供高达 170kbit/s 的速率使得多媒体业务成为现实GPRS 支持 IP 协 议提供了无缝直接的 Internet 网连接支持与企业的 Intranet 等 IP 网络连接GPRS 根据用户需 要灵活地分配无线资源从而实现多用户共享提高频率利用率同时计费方式也由传统的按时方式 改为根据用户数据的传输量来计费 2 采用 G P R S技术的优势与限制 2 1优
3、势 ? 通信资费低廉在 GSM 网络中GPRS 首先引入了分组交换传输模式用户只在发送或接 收数据期间才占用资源可以多用户共享同一无线信道因此GPRS 主要以数据流量为计 费依据用户享有低廉的使用费用GPRS 与其他常见通信方式资费比较见下表 单位元 通信方式 单站计费方式 月数据量 固定月租 月通信费 年资费 有线拨号 0.22 元/分钟 4320 次 35.00 950.40 11824.8 GSM短信 包月 1560 次 25 424 5388 GPRS 包月1M 0.864M 20 6.00 960 注单次报文长度为 0.2K采集频率按每 1 小时算费用 GPRS 需考虑中心站专线费用
4、其年资费为 4800 元如网络包括 30 个自动站每站年分 摊费用为 160 元 表中资费标准适用于武汉地区 ? 传输速率高GPRS 可提供高达 115kbit/s 的传输速率 ? 接入时间短分组交换接入时间缩短为少于 1 秒并且提供永久在线能力能提供快速即时的连 接保证了气象报文的实时性可以最大限度提高报文的时次密度 ? 支持 IP 协议 GPRS 网络可以与气象系统的局域网接入 可以直接利用现有开发及使用维护条件 ? 支持中心处理系统对自动站的并发访问 ? 具有较好的可管理性适合中国国情根据国内经验人为对通信线路破坏占自动站通信故障的 相当比例由于 GPRS 无有线线路此方面的风险可降至最
5、低 ? 可以避免由于通信线路引入感应雷而造成的采集器故障 ? 适用于有线线路不易铺设到的区域 2 2 限制 ? 实际传输速率远低于理论值由于资料报文的长度非常小小于 1K该限制对自动站组网 通信基本无影响 ? 信道拥塞 当多个发送端同时传送数据时 信道会出现拥塞 导致数据到达接收端出现延迟 由于 GPRS 网络定义了 5 个服务品质的参数 可靠度等级 传输延迟等级 平均传输量等级 尖峰传输量等级和优先等级拥塞问题可与 GPRS 服务供应商协商通过适当的系统配置来 改善 ? 信号易受干扰信号的路径衰减屏蔽效应和反射信号干扰是 GSM 网络用户可能遭遇的问 题为避免该类问题应在自动站建站选址时进行
6、通信环境的评估审核 2 3 G P R S的适用范围 目前国内 GPRS 网络主要覆盖中大城市因此城市气象服务类的自动气象站网建设比较适合选 择 GPRS 3 基于 G P R S的组网通信系统设计规划 3 . 1系统主要功能 实现中心处理系统与其下属自动站实现双向通信 在通信畅通的基础上实现中心处理系统对自动 站的资料收集远程配置和远程监控功能同时系统也提供数据库与资料应用等功能实现的通信平台 条件 3 . 2系统结构 3 3运行模式 整个GPRS系统可在VPN或INTERNET两种配置下工作VPN配置里系统是一个封闭的局域网 系统各节点获得的IP是与外界任何网络地址无关的在INTERNET
7、配置里系统各节点获得的IP地址 是真实的互联地址在两种配置下通信服务器一般是固定IP自动站节点则可以是固定也可以是动 态分配的IP在两种配置的运行模式是相当的系统的数据与控制信息流都是在TCP/IP协议下实现 网络内部的路由地址分配等较低层的网络实现对于用户节点是透明的 通信服务器的接入方式有下面3种可根据需要选择 3 . 3 . 1 G P R S 接入 中心处理系统的通信服务器通过GPRS Modem 接入GPRS 核心网与自动站进行通信其特点 是 中心处理系统可以迅速接入GPRS 网 适合总数据带宽需求不是太大的应用或采集点不多的测试阶段的应用 全部业务数据在GPRS 网内传递 中心处理
8、系统GPRS 数据终端接入点绑定固定IP 地址 3 . 3 . 2 互联网接入 采集点与中心处理系统通信时需在GGSN 与企业网VPN GATEWAY 之间建立GRE 隧道以 保证数据的完整性和安全性但目前湖北GPRS 网GGSN 不支持该类接入方式的GRE 隧道建立因 此若采用此种接入将在互联网上公开传递业务数据 3 . 3 . 3 专线接入 利用一台CISCO7204 作为企业接入路由器企业网VPN GATEWAY 可通过2M 专线与企业接 入路由器相连实现GPRS VPN 网其特点是适合企业对安全方面考虑较高采集点数据并发量 较大的应用如工业监控采集等但这种接入方式前期施工周期相对较长中
9、心处理系统通信设 备配置要求高 3 4采集器和中心处理系统的通信设计 3 4 1采集器的通信设计 应该明确以下几点 第一目前的采集器多数采用串行口的通信设计所以开发 GPRS 通信系统最好在串口的基础上 进行以保持采集器硬件的通用性和兼容性 第二采集器配用的 GPRS 模块必须封装 TCP/IP 协议单独进行 TCP/IP 协议的开发本身就费时 费力何况有成熟的产品 第三必须保证采集器具备自动连接的功能由于通信意外中断的情况总可能发生自动连接可 以最大限度降低维护成本 3 4 2中心处理系统的通信设计 由于通信信道 24 小时保持中心处理系统通信软件可采用站点资料被动收集的方式通过软件 的优化
10、设计将通常中心处理系统设计上采用的独立通信机和数据处理机合二为一在保证性能前提 下节约了投资成本 中心处理系统的通信模块基本功能应该保证资料报的良好收发此外其应该在网络监控功能方 面能够提供给网络管理员全面的管理信息以较好的保证系统的运行中心站应可实现对自动站网运 行多数环节的监控具体包括 1 中心站通信服务器的工作状态 2 数据库中站点涉及通信信息的设置情况 3 中心站对自动站的通信任务处理情况 4 中心站信道的硬件工作情况 5 各自动站的通信可连接状态 6 各自动站的硬件状态 设计框图如下 其中自定义的自动站协议的实现是基于 TCP/IP 协议的 图中包括 4 个程序模块通信服务器Acce
11、ss 服务器数据应用程序和运行监控程序其模块功 用与 PSTN 系统的相当这里不做说明也包括 3 个接口通用数据接口TCP/IP 协议和自定义的自 动站协议还包括 1 个 Access 数据库 C+ BUILDER 提供一套组件 NetMaster它提供了一种在网络环境下进行编程的简单方法而且 简单易用节省了大量查阅 API 函数和帮助文件的时间NetMaster 适于可视化编程在设计人员对 TCP/IP 知识了解的基础上利用它进行 TCP/IP 开发可以取得较高的效率 4 应用前景 该技术将为于城市自动气象站组网提供更有效的通信手段 实现自动站高密度地面测报报文的实 时传输满足天气预报科研及其下游服务业务对更高时次密度地面测报资料的需求应用该技术 无人自动气象站的报文密度将至少提高到 10 分钟/1 次一次自动站报文传输到中心处理系统的延迟 不超过 10 秒年通信费用较之有线电话拨号方式降低至少 30%随着电信部门 GPRS 网络覆盖面由 省内主要城市拓展至全省该成果可发挥更大效益
