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基于GPRS气象信息采集系统解决方案
第一部分 概述

1. 需求分析

        目前多数气象局分为地、州、市级气象局和数个气象站(含地、州、市局、地方气象站) ,原有的网络省、地、县主要通过X.25和PSTN组网,省中心带宽为64Kbps,地县带宽为9.6Kbps。网络主要用于传输气象实时信息和办公信息(内部web、notes等) 同时国家局与全国的各级台站组建了卫星广播网,用于卫星数字广播。


        原有气象信息系统地面网络建设较早,设备性能低、线路速度低、时延长,已很难满足自动站、沙尘暴、雷达等资料传输的要求,很难满足进行数据综合传输的需求;卫星网覆盖面小、速度低,且小站之间无法直接通信,限制了网络功能。因此,构建一个更完善、更快捷、更安全的气象广域网络平台迫在眉睫。全省广域网不仅要在速度、容量上完全满足需求;而且需要将原本松散的网络从规格、管理软件、安全防护等方面进行整合和统一。并且还需要具有可扩展性,未来可以方便地进行升级。而以上的这些不足都可以通过GPRS无线网络来实现。


2. GPRS网络简介

        GPRS是目前解决移动通信信息服务的一种较完美的业务,它是以数据流量计费、覆盖范围广泛、数据传输速度更快。GPRS的推出,为行业和企业用户开展无线办公提供了基础设施平台,为推动移动办公的应用和发展创造了有利条件。与有线网络相比,GPRS网络具有租用费用低、移动办公,不受地域制约等优点。GPRS的出现为企业和行业用户开展无线办公提供了一种新的选择。


        GPRS通信方式更适合于气象信息采集业务,目前气象中心与各采集点采用X.25和PSTN进行交互传输,月租费太高,用电话线传送数据按时间计费,带来诸多不便,费用也不便宜。


3.GPRS网络优点

1、覆盖范围。

         构建气象信息采集传输系统要求数据通信覆盖范围广,扩容无限制,接入地点无限制,能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。由于气象信息采集点数量众多,分布在全省范围内,部分气象信息采集点位于偏僻地区,而且地理位置分散。另外,还必须考虑今后系统扩充的可能,必须具有良好的可扩展性。由于目前GPRS已覆盖省内绝大部分地区,能够满足气象信息采集传输系统对覆盖范围的要求。 

2、数据传输速率高。
      
       每个气象信息采集点每次数据传输量在10Kbps之内,目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps左右,完全能满足本系统数据传输速率(≥10Kbps)的需求。

3、系统的传输容量大。

       气象中心站要和每一个气象信息采集点实现实时连接。由于气象信息采集点数量众多,系统要求能满足突发性数据传输的需要,而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。

4、通信费用低。
 
         采用传统的有线方式建立气象信息采集传输系统,必须租用专线或电话线进行连接。由于气象信息采集点必须与中心随时保持连线状态,而每次数据发送的数据量很小(在几K至10K之间),线路资源利用率很低,平均每一个气象信息采集点每月的线路费用为800~1200元。而如果采用GPRS通信方式,由于GPRS采用按数据流量计费的方式,资源利用率高,月通信费用将在200元之内。

5、良好的实时响应与处理能力。
 
        与短消息服务比较,由于GPRS具有实时在线特性,系统无时延,可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

 
        基于GPRS气象信息采集系统是厦门四信通信科技有限公司和系统集成商合作开发的基于GPRS技术的气象信息采集系统。它由气象采集器、PLC逻辑控制 ,F2103 GPRS IP modem、数据中心(管理工作站,数据库服务器,web发布服务器)组成。采集器负责实时采集各种气象参数(风速,温度,湿度,气压等等),然后汇总到PLC控制逻辑,接着传到F2103GPRS传输终端,通过GPRS网络把数据汇集到服务器,服务器上的数据可以通过web和客户端形式发布到各个省县级气象站。具有采集数据快速准确,能快速生成统计分析,安全可靠等特点,极大地提高了气象发布的实时性,稳定性,高效性。


第二部分 项目分析

本系统由气象采集器,自动气象站,F2103 GPRS IP modem传输终端,气象中心软件组成。

2.1系统组成

        2.1.1 气象采集器: 风温湿压参数是气象采集的四大基本要素, 一般采集温度、湿度、辐射、风速、风向、雨量等环境参数。

        2.1.2 监测仪:采集器主要特征如下:16路温度通道,10路模拟通道,1路风向风速通道,1路雨量,8000条的数据存储容量,RS232通讯接口,应答式通讯协议。

        2.1.3 传输终端: 传输终端采用厦门四信的F2103,实时永久在线,内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈,透明传输,同时支持RS232和RS485,支持多种工作模式,支持虚拟数据专用网。

        2.1.4 中心软件系统:基于大型数据库的系统软件,对数据进行实时处理和存储,通过GIS电子地图直观显示各种参数。支持分级管理,设备监视,通过B/S或C/S进行信息发布。

2.2 系统总架构

        温度传感器、湿度传感器、辐射传感器、风速感应器、风向感应器、雨量测量计等设备把各指标的数据传输监测仪,接着监测仪进行分析处理,然后通过串口RS232或RS485传给了四信通信的IP modem(F2103),远程数据中心服务器可以使用APN专线或普通ADSL等作为网络接入。当F2103通过GPRS网络连接到远程数据中心服务器主机,建立透明数据通道后,采集终端产生的数据只要送到串口,F2103就会把收到的数据原封不动地发送到数据中心服务器主机;同时服务器主机下发的命令通过通道传输到F2103后,F2103通过串口送到采集终端,从而实现了数据双向透明传输。系统拓扑图如下图所示:

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2.3系统功能

1) 终端设备的添加、编辑、删除功能;终端设备可以随时增加和减少。终端设备的增加和减少不影响系统的正常运行。
2) 终端设备的管理通过GIS电子地图,直观显示和查找,某区域可以任意放大和缩小,终端设备可以查询、标识、记录等。
3) 设备的分级管理,市中心可以对所有设备进行管理,可以对所有设备进行信息发布,各个县中心可以对本区域的设备进行管理,对本区域的信息进行发布。
4) 信息的审查和记录,市中心可以对所有设备的信息进行查看和监管,县中心可以对本区域所有的设备信息进行查看,本区域发送的所有信息同时反馈到市中心。
5) 简单的信息发布功能;信息支持单发、群发、分组发。
6) 设备的状态监控功能,管理中心可以查询设备的工作情况,了解设备的运行情况,能远程维护和升级设备。


第三部分 项目架构实施

3.1 传输模块与采集终端连接

        四信的F2103无线传输模块同时支持RS232/485接口,可通过RS232/485与终端通讯。本系统采用的是485的接口方式。

气象监测仪的面板如下,可以接各种设备:

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F2103和采集器的接线线序如下:

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3.2 数据中心网络接入方式分析

1. APN专线接入

        中心采用APN专线, 所有点都采用内网固定IP,客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络,双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接,在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。

        为客户分配专用的APN,普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN,防止其他非法用户的进入。

        用户在内部建立RADIUS服务器,作为内部用户接入的远程认证服务器(或在APN路由器内,启用路由器本地认证功能)。只有通过认证的用户才允许接入,用以保证用户内部安全。
用户在内部建立DHCP服务器(或在APN路由器内,启用DHCP功能),为通过认证的用户分配用户内部地址。

        移动终端和服务器平台之间采用端到端加密,避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离,并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。

        中心采用APN专线接入的方式,在实时性,安全性和稳定性表现优异,适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。


2. ADSL拨号连接(动态公网IP地址)

        中心采用ADSL等INTELNET公网连接,采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通动态域名,IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器,再由DNS服务器找到中心公网动态IP,建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用,但稳定性受制于DNS服务器的稳定,所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。


3. 通过固定公网IP连接

        中心采用ADSL等INTELNET公网连接,采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务,中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。虽然申请固定IP费用比较贵,但其运行可靠稳定,组网方式简易方便,深受广大用户的青睐,一般推荐此种方案。


3.3 无线数据传输方式

        传输设备采用厦门四信的F2103,其功能齐全,性能稳定,简单易用,它是一款工业级别的无线传输终端,已经广泛地应用在各种各样的工业,金融场合。


        终端设备和传输设备连接好后,设置好各种通讯参数,工作模式后,在传输设备F2103中填入数据中心的地址和应用程序的端口号。这样当终端设备数据传给传输设备F2103,F2103就会把数据透明地传输到中心。


        终端设备支持多种中心模式(主备中心,多中心),多种激活模式(电话,短信,数据),多种工作模式(TCP,UDP,telnet等),方便用户组网和各种系统需求。心跳包机制,注册包机制,数据帧可控,重连机制等多种机制不仅保证设备实时在线,而且稳定可靠,同时方便客户根据现场的情况,来设置各种传输参数,进而达到最佳效果。


3.4 数据中心软件平台构建

        基于GPRS气象信息采集系统是各种气象采集中的一部分,这些数据可以采集会公司的气象数据管理站进行处理,然后和各种气象服务一起通过电视,手机,短信,web等发布出去。
基于四信通信的GPRS无线模块的中心端软件建有多种方式,对于传入数据的方式的不同,我们提供不同的软件来帮助客户快速地实现中心端的数据接收和现场设备的管理。


目前四信提供三种方式的中心接口:

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        首先是对于组态软件,目前很多组态软件厂家已经集成了四信通信的驱动了,可以直接配置使用;其次对于原本是读串口的程序,为了兼容原来的系统而不做开发工作,我们提供一个虚拟串口软(TCP2COM);最后是对于想开发自己独有的数据中心软件的客户,会提供一个动态链接库及四信公司的测试版数据中心软件,不仅开放源码还全程协助客户进行自己数据中心软件和功能的开发。客户可能通过动态链接库快速开发一个灵活的,稳定的,功能齐全的终端管理和数据交互的中心软件。


如下分别是手机平台,处理中心平台,和web发布平台软件的节目:

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        在系统安全方面,本公司除了采用大型、多用户的ORACLE数据库、系统对用户实现分级授权管理和提供防火墙功能及完善的数据备份功能外,对网络无线数据监控中心还提供了安全技术解决方案,以确保数据安全可靠。


第四部分 设备的特点和参数

1.采集,传感器,检测仪

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自动气象站,生态环境测试,工业现场等无人值守的自动监测系统中使用。

1.温度通道:16路(铂电阻);
2.模拟通道:10路 0~5V;6路 0~20mV;
3.风速通道:1路(配EC—9S);
4.风向通道:1路(配EC—9X);
5.雨量:开关量1路;
6.工作电压: 交流220V, DC:12V 内配充电电池
7.数据存储容量:8000条;
8.工作温度:-20℃~50℃;
9.存储内容:各路数据瞬时值,存储时间,可以人工设定;
10.显示分辨率:10uV,内部电路分辨率1/65536(16位AD);
11.微机通讯接口:RS232;12.微机软件通讯协议:应答方式;


2. F2103通信模块

        F2103 GPRS IP MODEM采用高性能嵌入式处理器,以实时操作系统为软件支撑平台,内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速,稳定可靠,数据终端永远在线,多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户,产品支持语音,短信,数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份,以及多数据中心同步接收数据等功能。公司产品已广泛应用于金融,水利,环保,电力,邮政,气象等行业。

它具有丰富的软件功能:

1. 智能防掉线,支持在线检测,在线维持,掉线自动重拨,确保设备永远在线。
2. 支持RSA,RC4加密算法
3. 支持虚拟数据专用网(APN)
4. 透明数据传输与协议转换,支持多种工作模式
5. 支持数据中心动态域名和IP地址访问
6. 支持双数据中心备份
7. 支持多数据中心
8. 支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。
9. 支持短消息备份及告警。
10. 多重软硬件看门狗
11. 数据包传输状态报告。
12. 标准的AT命令界面
13. 可以用做普通拨号MODEM
14. 支持telnet功能。
15. 支持远程配置,远程控制
16. 通过串口软件升级
17. 同时支持LINUX和WINDOWS操作系统


第五部分 总结

        采用GPRS构建气象信息采集系统,不仅能很好地满足气象信息采集的需求,而且,做为网络运营商的移动通信公司也将因此获得业务稳定的集团用户,随着用户数量的增加,移动通信公司的营收也随之增加,调动了运营商的积极性,符合网络建设和网络应用同步发展的要求。


        基于GPRS气象信息采集系统是采用厦门四信通信的F2103 GPRS传输终端,实现了实时在线,永远在线,稳定可靠的数据传输。在成熟的GPRS网络上构建无线数据网络,其通信费用较低,接入设备可以移动等特点使得气象数据数据传输的成本和技术服务成本大为降低。而且厦门四信通信的F2103 GPRS传输终端工业级设计,组网灵活,安全可靠,实时在线的特点很适合运用在工业应用场合如气象采集行业。

关键字: 气象信息采集 气象信息采集系统 气象信息采集方案

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