（信息与通信工程专业论文）基于gsmgprs网络的气象灾害预警系统研究.pdf

摘要 摘要 今年来，由于自然环境不断恶化，导致各种自然灾害不断发生，严重地威胁 着人类的生存和社会经济的发展，建立一种有效的气象灾害预警系统，对经济发 展和社会进步具有很强的现实意义。目前的气象信息发布的渠道和手段有：广播、 电视、报刊、互联网、手机短信息等。以上方式的地区普及率还不高，同时户外 活动等方式决定了以上信息传递给公众的有限性。通过不同手段加强信息发布网 络建设，让广大公众能及时被动接收气象信息特别是提高“听信息 的普及程 度，扩大气象信息的公众覆盖面，提高灾害的应急和响应能力。 本文研究了集计算机技术、无线通信技术与语音技术相结合的气象预警广播 系统。首先对气象灾害预警系统的整体框架结构进行介绍，并描述了各部分的系 统功能；然后在比较选择各功能模块基础上，给出了灾害预警信息机的硬件设计 方案及电路原理图。在系统软件设计上。分为两部分实现。第一，实现了灾害预 警平台的应用软件的设计，并详细介绍了软件实现流程图：第二，研究了嵌入式 虬o s i i 操作系统多任务优先级调度算法的设计，并给出调度算法流程图。为 保证预警信息的安全本文对各种加密算法进行了比较，提出在d s a 数字签名技 术基础上改进的算法s m s - d s a ，并详细介绍了s m s - d s a 算法的实现，此算法在保 证信息安全性的同时，避免了短信在加密过程中出现超出加密范围信息不可见的 现象。系统还对失败的广播信息进行i v r 回拨，大大提高了预警的可靠性。 最后，对本文进行了总结，介绍了完成的成果和系统存在的不足，提出下一 步的研究方向。 关键词：| r t s数字签名i v r 回拨此0 s i i 系统 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，v a r i o u sk i n d so fn a t u r a ld i s a s t e r sh a v eh a p p e n e d i ts e r i o u s l y t h r e a t st oh u m a ns u r v i v a la n ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h ee s t a b l i s h m e n to fa n e f f e c t i v e e a r l yw a r n i n gs y s t e mo fm e t e o r o l o g i c a l d i s a s t e r si s v e r y r e a l i s t i c s i g n i f i c a n c e t h ec u r r e n tw e a t h e ri n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o nc h a n n e l sa n dm e a n s ： r a d i o ，t e l e v i s i o n ，n e w s p a p e r s ，p e r i o d i c a l s ，t h ei n t e r n e t ，c e l lp h o n es h o r ti n f o r m a t i o n t h e s ew a y si sn o th i g hu n i v e r s a la n dt h et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o nt ot h ep u b l i ci s v e r yl i m i t e d f o ro u t d o o ra c t i v i t i e s w ea d o p td i f f e r e n tm e a n st o s t r e n g t h e n i n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o na n dn e t w o r kb u i l d i n gs ot h a tt h eg e n e r a lp u b l i cc a l l p r o m p t l yp a s s i v ea c c e p t a n c eo fm e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o n e s p e c i a l l yt or a i s e ”l i s t e n i n g t oi n f o r m a t i o n ”p e n e t r a t i o na n de x p a n dt h e p u b l i cc o v e r a g e o f m e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o n , e s p e c i a l l y t oe n h a n c et h e e m e r g e n c ya n dd i s a s t e r r e s p o n s ec a p a c i t y i nt h i s p a p e r , a s e to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g ya n dv o i c et e c h n o l o g yo fc o m b i n i n gb r o a d c a s t i n gw e a t h e rw a r n i n g s y s t e mi sg i v e nu p f i r s to fa l li ti n t r o d u c e sm e t e o r o l o g i c a ld i s a s t e rw a r n i n gs y s t e m o nt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h es t r u c t u r e ，a n dd e s c r i b e st h ev a r i o u sp a r t sf u n c t i o no f t h es y s t e m a n dt h e nc o m p a r et h ec h o i c eo fm o d u l e so nt h eb a s i so fad i s a s t e r e a r l y w a r n i n gi n f o r m a t i o ni sg i v e nf o r t h es p e c i f i ch a r d w a r ea n dc i r c u i td e s i g n s c h e m a t i c s i ns y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ，d i v i d e di n t ot w op a r t st oa c h i e v e ，f i r s t ，t o a c h i e v ead i s a s t e re a r l y w a r n i n gp l a t f o r ma p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n , s o r w a r ea n d d e t a i l e df l o wc h a r to ft h er e a l i z a t i o no ft h es e c o n do nt h ee m b e d d e d “c o s i i o p e r a t i n gs y s t e mm o r ep r i o r i t yt a s k so ft h ed e s i g na l g o r i t h m ，a n dg i v e sa l g o r i t h m f l o wc h a r t i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fe a r l yw a r n i n gi n f o r m a t i o n , t h ep a p e ri n t h ev a r i o u se n c r y p t i o na l g o r i t h m sw e r ec o m p a r e dt ot h ed s ad i g i t a ls i g n a t u r e t e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ea l g o r i t h m0 nt h eb a s i so fs m s d s a ，a n dd e t a i l so ft h e s m s d s aa l g o r i t h mf o rt h er e a l i z a t i o no ft h i sa l g o r i t h mt oe n s u r ei n f o r m a t i o n s e c u r i t y i nt h em e a n t i m e ，t oa v o i dam e s s a g ee n c r y p t e di nt h ep r o c e s so fe n c r y p t i o n b e y o n dt h es c o p eo fi n f o r m a t i o nn o tv i s i b l ep h e n o m e n o n t h es y s t e mu s e si v r c a l l b a c kf o rf a i l u r eo ft h es y s t e mr i g h to fb r o a d c a s t i n gi n f o r m a t i o n t h e r e b yi t g r e a t l yi n c r e a s e st h er e l i a b i l i t yo fe a r l yw a r n i n g f i n a l l y , i ta g g r e g a t e st h ec o m p l e t ea c h i e v e m e n to ft h ep a p e ra n dg i v e st h en e x t s t e po f r e s e a r c h k e yw o r d s ：t t sd i g i t a ls i g n a t u r e i v rpc o s i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：蔓琵玺盘 朋年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究目的及研究意义 近年来，随着全球气候变化，极端气候事件不断发生。据统计在各类自然 灾害中，气象灾害占7 0 以上，如暴雨、台风、高温、寒潮、冻雨等灾害性天 气，以及由灾害性天气引起的泥石流、山体滑坡等地质灾害。在这些自然灾害 来临之前，由于公众以及受影响的社区不能及时获知灾害预警信息，因此不能 提前做好应急准备，从而给工农业生产带来巨大的经济损失，甚至造成人员伤 亡，严重地威胁着人类的生存和社会经济的发展。在此种情况下，研究一种使 预警信息即时、准确、迅速地传递到用户手中的方式，建立一种有效的气象灾 害预警系统，提供准确及时的气象预报警报服务，提高全社会防御灾害的能力 和水平，最大程度地保护人民生命财产的安全，成为当前气象预警的首要任务。 现有的气象预警方式很多，如：广播、电视、互联网和手机短信等。广播、 电视和互联网方式可以随时插播灾害信息，但只有当时在场收看、收听的人才 能及时了解到信息。手机短信方式接收主动，但由于发送速度的限制，不能在 短时间内实现大范围传播，接收人群受到限制。以上气象灾害预警方式的覆盖 面有限，不能及时通知公众以及受影响的社区，为了在最短的时间传递预警信 息，本文介绍开发了基于g s m g p r s 网络的气象灾害预警远程无线接收系统( 以 下简称气象灾害预警系统) ，该系统具有传播速度快、安全性高、覆盖面广、自 动播放等特点，首次把手机短信、数字签名、t t s 和功放系统结合在一起，并 对失败的广播信息进行i v r 回拨，从而大大提高了服务效率。 1 2 气象预警发布的研究现状 1 2 1 国外气象预警发布的研究现状 近年来，随着全球气候变暖，极端气候事件不断发生，在目前的科技条件 下，还不能准确预报气象灾害的发生时间。为尽量减少灾害带来的损失，各国 第1 章绪论 都在寻求有效地气象灾害预警机制。 莫斯科气象局预测或监测到灾害天气时，将气象信息通过广播、电视、报纸 等大众传媒，各媒体特别是电台及时将有关信息传达给大众。德国“危机预防信 息系统”( d e n i s ) 是一个开放的互联网平台，提供各种危急情况下如何采取防 护措施的信息，为在灾害临近前尽快通知公众预警，德国在2 0 0 1 年1 0 月开始运 行一套新型卫星通信系统。通过卫星，然后通过电台、电视台传播出去，速度只 需几秒钟。韩国消防防灾厅实施对灾害多发地区的居民实施手机文字和语音短信 发布灾害警报的方法，减少居民因无法接到灾害信息而受到的损失，在山谷等手 机信号难以覆盖的地方，增设自动警报设施。 1 2 2 国内气象预警发布的研究现状 在国内，安徽省建立的气象预警信息发布系统，包括五个子系统和一个发 气 布中控平台：智能手机接收子系统、气象预警专用接收机子系统、气象预警电 子显示屏子系统、气象预警专用调频接收机子系统、有线广播前端接收子系统。 系统研制开发了多个预警接收设备，这些设备都能自动接收气象预报、预警信 息，并能显示、存储，同时能自动进行文字一语音转换。山东省为加强突发公 ! 、 共事件预警能力，利用人民防空警报系统发布灾情警报。其它地区基本通过手 机短信、广播、电视、报纸和网络媒体进行公众预警。目前，还有利用语音电 子显示屏发布预警信息的方式。 1 3 气象预警发布存在的问题 对比国内各种气象灾害预警方式，基本上是公众通过各种媒体主动接收预 警信息，一旦不主动接收，预警信息发布失去作用，另外，这些预警方式覆盖 范围非常有限，发布速度也不快，使得预警信息的时效性受到人为因素的极大 约束。如何提高预警信息的有效性和时效性，并能最大限度地使之被接收，是 解决预警速度和预警范围限制的关键问题。 +。 2 第1 章绪论 1 4 论文研究工作和特色 针对目前的气象预警方式，本文研究了许多有关技术，实现了基于g s m g p r s 网络的气象灾害预警系统。 系统的主要工作和创新之处如下： 1 气象灾害预警系统建立在已有的短信发布系统之上，短信发布系统经过 长时间的测试和不断完善，有相当强的稳定性和健壮性，因而气象灾害预警系统 的发布系统有成熟的基础。 2 通过发送a t 指令集对灾害预警信息机进行远程无线控制，实现整个系统 的智能化工作。 3 实现灾害预警信息机与功放系统的结合，然后通过喇叭对预警信息进行 广播，实现预警信息的主动发送，让公众被动接收，使预警的覆盖范围大大加强。 4 利用继电器弱电控制强电的特点，通过服务器端对灾害预警信息机发送 信号，实现灾害预警信息机的控制电源的自动开启。 1 5 论文的研究内容和组织结构 本文对整个气象灾害预警系统的组成和终端硬件实现进行了研究和分析， 并详细介绍了软件的实现流程图，在对系统研究和测试的基础上，提出了下一 步的工作和研究重点。 全文共分为六章，各章内容如下： 第一章：绪论。首先介绍了气象灾害预警系统的研究背景，国内外气象预警 发布的现状，提出了气象预警发布存在的问题，并对本文研究的主要工作和创新 点进行了描述。 第二章：对气象灾害预警系统的组成进行了介绍，并详细研究各组成部分的 功能及系统工作的流程图。 第三章：对灾害预警信息机的研究。灾害预警信息机是气象灾害预警系统 研究的终端部分，本章主要对终端的硬件实现进行了详细研究，首先对各组成模 块进行选择和介绍，然后分别介绍了各组成模块的接口电路。 3 第1 章绪论 第四章：对气象灾害预警系统的软件进行了研究。整个系统软件主要包括两 部分，一部分为预警信息中心的应用软件部分，即灾害预警平台，主要完成对预 警信息的收集、处理和存储。另外部分为灾害预警信息机嵌入式应用代码部分， 包括操作系统此o s i i 和应用程序，操作系统蛇o s i 王控制应用程序与硬件的 交互，协调终端各组成模块之间的工作；应用程序主要完成系统的功能和行为。 第五章：首先对两类加密算法进行介绍，在研究对比的基础上，提出了气象 灾害预警系统采用的改进s h a 1 数字签名加密算法s m s d s a ，并详细研究了该 算法的实现。 第六章：总结了本文的成果，提出了进一步需研究的工作。 4 第2 章气象灾害预警系统 第2 章气象灾害预警系统 2 1g s m 网络相关知识 2 1 1g s m 网络特点 g s m 畸1 全名为g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，中文为全球移动 通信系统，俗称”全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移 动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，g s m 网络具有了防盗能力强、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强、 不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低等优点。 2 1 2g s m 短消息技术简介及其特点 短消息服务( s m s ) 是g s m 技术应用的一项重要内容，它具有一些突出特点 如：一次可传输1 4 0 个字节的数据，数据的内容可以是字符或数字；可以在g s m 网络内端对端传输，还可以从g s m 网络外( 如互联网) 发送短消息给二个端点站； 短消息通过设在移动通信部门的短消息中心( m s c ) 用g s m 系统的信令信道传送， 与语音信道不冲突，即使终端处在通话状态下也可进行传送；在短消息传送过 程中，不进行呼叫连接建立和释放的过程；m s c 具有短消息的存储功能，在终 端设备关机时，可以保持消息在一定时间内有效等。利用这些特点，及其双向 传输的性能，可方便地实现对各灾害预警信息机的信息发送。 短消息业务是g s m 系统中唯一不需要建立端到端业务通道的服务。点对点 短消息是以任意形式的字母数字串，通过数字控制信道传送的。空闲时占用独 立专用控制信道( s d c c h ) ，信息速率为7 8 2 b s ；通话时占用慢速随路控制信道 ( s a c c h ) ，信道速率为3 8 3 b s 。为了避免时延过长，以及对这些争抢接入信道 负荷过大，每条短消息最大帧长度为1 4 0 个字节( 按a s c i i 字符7 b i t 编码为1 6 0 个字符) 。因此可以在任何时候发送或接收短消息的传输协议数据单元 t p d u ( t r a n s p o r tp r o t o c o ld a t au n i t ) ，无论话音或数据通信是否正在进行。 由于公众g s m 网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立g s m 系统不须再组建 第2 章气象灾害预警系统 专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将可以做成传输各种 检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，可以广泛用于远程监控、定 位导航、个人通信终端等。 2 1 3g s m 短信息在气象灾害预警系统中的应用 g s m 短信息业务实现数据的双向传输，短信息业务在移动台和移动业务交换 中心之间建立的是信令连接，具有优先权，可通率极高，误码率极低。气象灾害预 警系统采用g s m 短信息方式向终端发送控制命令和预警信息，经济且传输速度 快，可以实现短信息的群发，提高预警的效率。但是利用g s m 方式，存在一定的 缺陷，由于g s m 短信息业务长度的限制为1 4 0 个字节，所以预警短信息长度受到 约束，每条不能超过7 0 个汉字，如果超出，则会被自动分为两条短信进行发送。 另外，在短信息发生阻塞时，由于超过生命周期而被系统抛弃，发生丢包现象。 2 2g p r s 网络相关知识 2 2 1g p r s 网络概述及应用 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是 在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式 的数据业务。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结 构、同样的跳频规则以及同样的t d m a 帧结构。这种新的分组数据信道与当前的电 路交换的话音业务信道极其相似，因此现有的基站子系统( b s s ) 从一开始就可提 供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而 不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组 数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于 偶尔的大数据量传输g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 kb s ，实际应用带宽大约在 1 0 7 0 k b s ，在此信道上提供t c p i p 连接，可以用于i n t e r n e t 连接、数据传输等 应用。使用g p r s 技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅 速降低了服务成本m 1 。 嵌入式g p r s 无线通信模块借助于移动通信运营商的无线通信网络，组成虚拟 6 第2 章气象灾害预警系统 的专用数据网络来传输用户数据，具有网络覆盖范围广、传输可靠、扩容性好、 组网灵活、建设周期快、运营成本低等优点。系统的建设成本也极为低廉，中心 站只添置一台接口服务器和通信数据线路，终端站只需要添置一个嵌入式g p r s 无线通信模块就能组建完整的数据采集和控制系统。另外，嵌入式g p r s 无线通信 模块采用透明的数据传输与协议转换，便于用户进行二次开发应用到不同的系统 中。 g p r s 无线数据传输系统应用范围相当广泛，几乎所有中低速率的数据传输 业务都可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、煤气管道自动化、商业p o s 机、i n t e r n e t 接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等。除了支持传统 的互联网应用，g p r s 也可使无线终端支持：b 2 b ，b 2 c 的电子商务和电子支付、股票 交易、银行转帐等应用。g p r s 同样可以应用于公司内部网( i n t r r n e t ) ，基于i p 的远程l a n 接入，使无线终端成为l a n 的延伸。 2 2 2g p r s 网络特性 ( 1 ) 分组交换9 1 ， 分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包，可通过不同的路 由，以存储转发的接力方式传送到目的端，而组装成完整的数据。分组交换基本 上不是实时系统，延时也不固定，但可以使不同的数据传输“共用 传输带宽： 有数据时占用带宽，无数据时不占用，从而分享资源。同时分组交换可以提供灵 活的差错控制和流量控制，主要是在端到端的高层进行，以减少中间网络低层环 节不必要的开销：也可以在网络部分环节上增加控制，提高安全性。另外通过设 置服务等级等手段，可以有效的控制和分配延时、带宽等性能，所以分组交换非 常适用于数据应用。 ( 2 ) 频谱效率 在g s m 无线系统中，无线信道资源非常宝贵。如采用电路交换，通信需要建 立端到端的连接，在通信过程中要独占信道，每条g s m 信道只能提供9 6 k6 s 或 1 4 4 k b s 传输速率。如果多个组合在起( 最多8 个时隙) ，虽可提供更高的速率， 但只能被一个用户独占，在成本效率上显然缺乏可行性。而采用分组交换的g p r s 7 第2 章气象灾害预警系统 则可灵活运用无线信道，每一个用户可以有多个无线信道，而同一信道又可以由 几个用户共享，从而极大地提高了无线资源的利用率。在理论上，g p r s 可以将最 多8 个时隙组合在一起，给用户提供高达1 7 1 2 kb s 的带宽，从1 4 4 k - 1 7 1 k ，足 足比以前超出了1 0 倍的传输速度，保证了更大数据的传输，更快的因特网接入。 由于g p r s 用户的数据通信费是以数据量为基础，而不考虑通信时长，所以g p r s 用于i p 业务的接入将更为用户所接受。g p r s 最大的特点就是“永远在线 。人们 可以随时获得即时的更新结果，只要移动设备打开，就会一直收到信息，这使它 成为理想的数据传输方法。从无线系统本身的特点来看，g p r s 使g s m 系统实现无 线数据业务的能力产生了本质的飞跃。 ( 3 ) i n t e r n e t 识别 典型的互联网连接是：用户通过拨号接入某一i s p ，通过i s p 的网络访问互联 网。因此用户需要付拨号电话费和网络使用费两部分费用，而g s m 做无线接入时 付无线网络电话费。如果通过g p r s 接入互联网则有很大的不同，因为g p r s 是无线 分组数据系统，只要用户一打开g p r s 终端，就已经附着至u g p r s 网络上，g p r s 通过 允许现存的i n t e r n e t 和新的g p r s 网络的互通首次完全实现了移动i n t e r n e t 功能。 也就是用户通过g p r s 系统的网关g g s n 连接到互联网，g g s n 还提供相应的动态地址 分配、路由、名称解析、安全和计费等互联网功能。目前任何一种在固定i n t e r n e t 上的业务( 如文件传输协议( f f p ) 、网页浏览、交谈、信函、遥信) 通过利用g p r s 将同样能在移动网络上实现。所以，移动业务运营商同时也是互联网业务的提供 商。 2 2 3g p r s 在气象灾害预警系统中的应用 g p r s 引入交换分组模式，在无线资源有限的情况下，用户只有在发送或接 收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而 提高了资源的利用率，而且具有接入时间短，传输效率高的特点，适用于气象灾 害预警系统对灾害预警信息机终端进行远程实时监控，完成对终端的系统升级。 但是在应用过程中，也存在丢包现象，由于话音和g p r s 业务无法同时使用相同 的网络资源，它们之间存在竞争，提供g p r s 业务使用的时隙数量越多，能够提 8 第2 章气缘灾害预警系统 供给话音通信的网络资源就越少。实际传输速率比理论值要低，而且长时间在线， 费用相对比较昂贵，基于以上特点，系统对终端进行监控时，在软件实现上做了 控制，只有在预警数据发送前对终端的状态上报，其它空闲时间可不上报数据， 根据需要连接g p r s 网络。 2 3i v r 回拨技术 2 3 1iv r 概念 i v r ( i n t e r a c t i v ev o i c er e s p o n s e ) 即交互式语音应答，是呼叫中心系统的 一个重要组成部分。主要用于为用户电话来访提供语音提示，引导用户选择服务 内容和输入电话事务所需的数据，并接受用户在电话拨号键盘输入的信息，实现 对计算机数据库等信息资料的交互式访问；并在需要的情况下将呼叫转到人工坐 席，使客户得到及时、准确的服务幽1 。 2 3 2iv r 技术发展及应用现状 交互式语音应答i v r ( i n t e r a c t i v ev o i c er e s p o n s e ) 系统是呼叫中心( c a l l c e n t e r ) 的重要组成部分。通过i v r 系统，用户可以利用音频按键电话或语音输入 信息，从该系统中获得预先录制的数字或合成语音信息。i v r 系统可以利用后台 数据库中的信息筛选来话并传送路由，来话者的按键选择或语音输入将有助于计 算机系统得到更多的呼叫者信息，使智能路由分配( a c d ) 系统能更加准确的传送 呼叫，业务代表提供更有针对性的服务悔1 。结合数据库系统，i v r 系统直接为用 户提供自动查询服务、咨询服务、语音导航、传真服务、电话服务、电子邮件服 务和短信服务等功能。 i v r 在国内的应用现状主要表现在以下列2 朝：首先，国内i v r 业务在整体上还 没能摆脱传统固定电话语音服务的特色，与后者的差别不大：其次，国内i v r 业务 目前还面临着一个重大的障碍，使用i v r b 艮务的用户普遍认为，这项服务操作繁 琐，而更多潜在的用户对这项业务还相当陌生，显然i v r b t 务提供商们在市场培 育方面，还有很长的路要走：还有，国内对i v r 的政策引导、市场规范以及中国电 信、移动等运营商对i v r 游戏规则的制定等方面，也还存在一些不确定的因素 9 第2 章气象灾害预警系统 看来，持不同意见者的理由也是罗列不尽。到目前国内市场来看，i v r 系统主要 以按键式为主，而自动语音交互的i v r 是非常少的。通过对国内部分设计院、企 业所做的调研，大部分企业对自动语音交互式的i v r 的应用情况并不令人乐观。 主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 很多企业的仍然采用传统的i v r ，特别是一些中小企业，不仅i v r 的应用 是一片空白，而且计算机的应用状况也令人担忧。 ( 2 ) 部分企业在计算机技术和程控电话的应用较为普及以后，服务( 产品售 前、售中和售后) 成为企业的薄弱环节。有些企业自己在电话、传真、移动设备、 电子邮件上进行服务处理，这和我们现在所说的传统的i v r 相差无几，而与自动 语音交互式的i v r 系统相差很远，企业无法对客户的服务进行有效管理。 ( 3 ) 部分企业已经认识i v r 的重要性，并购买了部分商业化的i v r 系统，但由 于企业对i v r 系统的认识还存在误区，导致实施的效果很差。从以上可以看出i v r 应用还不尽如人意，同时也反应出i v r 具有广阔的市场前景。 2 3 3 i v r 在气象灾害预警中的应用 目前，在全国各气象部门都建立了1 2 1 气象语音自动答询系统，通过修改语 音信箱内容，来提供天气查询服务。气象灾害预警系统的i v r 回拨就是建立在此 基础上。当给灾害预警信息机的短信息发送失败时，服务器端对终端发起主动呼 叫，终端拒绝所有被叫，然后对所有被叫进行权限鉴别，对合法的呼叫，进行 i v r 回拨，相当于呼叫坐席，最后1 9 1 语音信箱内容进行广播。 2 4 气象灾害预警系统结构 气象灾害预警系统的拓扑图如图2 1 ，系统主要由三大部分构成：预警信息 服务中心、预警信息传输线路、灾害预警信息机。预警信息服务包括灾害预警平 台和终端监控管理平台，灾害预警平台主要是完成气象预警信息的收集、存储和 处理。终端监控管理平台主要对灾害预警信息机的工作状态进行实时监控，并对 终端的广播工作进行统计。预警信息传输线路包括g s m 网络和g p r s 网络，g s m 网络完成对预警信息的传输，g p r s 网络主要完成对灾害预警信息机的远程监控 l o 笫2 章1 氰火褂预警系统 乖升级。火j * 预瞥信息机i - 耍完成对预臀信息的接收和j 。播。 块 i 7 牟：i0 寅害预害平e 、半：形 、；l 囊 田21 气象灾害预警系统拓扑幽 气敛灾害预警系统的系统框幽如图22 ，系统框图描述了各部分的组成模 o8 厂 l ：! ：竺! = 竺竺兰竺i 图22 气象灾害预警系统框酗 一 u u 一一 r 、 第2 章气象灾害预警系统 2 4 1 预警信息服务中心 预警信息服务中心主要有两部分组成：灾害预警平台和终端远程监控管理 平台。灾害预警平台主要组成模块有：灾害信息输入模块、权限管理模块、s i m 卡号管理模块、短信数字签名模块、外拨语音服务器、短信接入网关。各模块 功能如下： ( 1 ) 灾害信息输入模块 灾害信息输入模块主要完成预警信息的制作和发布，并把预警信息快速录 入数据库。 ( 2 ) 权限管理模块 针对各级用户的进行权限管理。管理员具有最高权限，能够管理其他用户， 童 并且审核灾害信息的准确性。一般用户只具有制作和上传信息内容的权限。 ( 3 ) s i m 卡号管理模块 s i m 卡号管理模块主要管理各地灾害预警信息机的s i m 卡属性信息：方便 批量发布灾害信息，并利于修改、增加、删除等臼常数据维护。 ( 4 ) 短信息数字签名模块 为防止非法信息侵入，保证预警信息的安全和完整性，在发送灾害信息之 前，短信必须经过短信息数字签名模块加密，然后进行预警发布，从而保证信 息在传输过程中安全性。 ( 5 ) 外拨语音服务器 外拨语音服务采用了i v r 技术，是针对系统出现故障时的备用预警方式。 当系统出现故障，g s m 网络无法完成信息传输时，则启动外拨语音服务器，通 过灾害预警平台呼叫各地灾害预警信息机，信息机首先切断所有来电，对各来 电进行鉴权，鉴权成功后回拨语音服务器，然后灾害预警信息机广播语音服务 器中存储的语音文件。此种情况主要针对g s m 传输线路发生故障时采取的应 急措施。 1 2 第2 章气象灾害预警系统 ( 6 ) 短信接入网关 短信接入网关主要完成对预警信息的格式转换，转换成适合在专线上传输 的数据格式，然后把信息传输到移动网关。 终端远程监控管理平台主要通过g p r s 网络来实现，目前各组成模块尚在建 设中，是未来的主要工作和研究重点。 2 4 2 预警信息传输线路 预警信息主要通过移动的g s m g p r s 网络传输，g s m 主要用于发送预警 短信息，g p r s 网络主要完成对灾害预警信息机进行实时监控和远程升级。此 外，还有备用语音专线，在短信息发送失败，而有突发灾害天气时，可以通过 语音专线进行直接语音文件播放。 2 4 3 灾害预警信息机 灾害预警信息机接收灾害管理平台的语音i v r 和短信，并将接收到的内容 通过终端功放系统广播。如果是以短信形式发布灾害信息，可实现短信播报前 广播预热延时o 4 0 秒可设，每条短信循环播放次数1 9 9 次可设置，相临两次 播报间隔时间o 9 9 秒可设。如果是以语音i v r 形式发布灾害信息，在接收语音 广播时，终端可实现先识别是否是气象台的呼叫，如果是，设备自动挂断并自 动回拨，接通后进行语音广播。灾害预警信息机作为气象灾害预警系统的终端， 也是本文主要研究的软硬件部分。它主要完成下面的功能： ( 1 ) 灾害预警信息机一直处于待机状态，它的开启由电源继电器开关控制。 继电器开关具有控制系统( 又称输入回路) 和被控制系统( 又称输出回路) ，通 常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种 “自动开关 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。这种 开关非常适合无人值守的情况，例如晚上或者夜间，当需要重大灾害天气预警 时，服务器端可以发送信号，激活终端电源，实现预警信息自动播放。 ( 2 ) 通过g s m 模块发送和接收预警文本信息，利用1 v r s 模块把文本信息转换 成自然、流畅的语音数据，然后发送到功放系统，最后通过大喇叭播放。 第2 章气象灾害预警系统 ( 3 ) 对灾害预警信息机的工作时序和状态进行控制和协调，保证信息语音播 放不重叠，即播放完毕上条，再播放下一条。如果接收到新的预警信息，则 进行排队等候，确保预警信息顺序播放。 2 5 本章小结 本章主要对气象灾害预警系统的组成进行了研究，详细介绍各组成部分实 现的功能。对g s m g p r s 网络的特点及应用分别进行了阐述，结合了它们在系统 中的作用，并分析在气象灾害预警系统传输中存在的优缺点。 1 4 第3 章，火害预警信息机的硬件设计 第3 章灾害预警信息机的硬件设计 灾害预警信息机是整个系统的硬件设计部分。根据目前天气情况变化多端， 灾害性天气的突发性特征，要求气象灾害预警系统的硬件设计具有自动触发、语 音广播清晰及时、覆盖范围广等特点。根据以上要求，气象灾害预警系统在设计 采用了嵌入式硬件设计。 3 1 灾害预警信息机方框图 气象灾害预警系统硬件结构从功能上划分，主要由三部分组成：g s m 模块( 短 信息收发模块) 、m c u ( 微控制单元) 、t t s 模块( 文本一语音转换模块) 。灾害预 警信息机的系统方框图3 1 如下： 图3 1 灾害预警信息机方框图 本系统采用嵌入式系统硬件应用方案，运行速度快，成本低，性能稳定。主 要由十部分组成，分别为：处理器( c p u ) 、程序存储器( n o rf l a s h ) 、数据存储 器、内存( s d r a m ) 、电源管理、g s m 模块、t t s 模块、音频放大电路、广播控制 接口电路、r t c 时钟电路。各部分的具体功能如下： c p u ( s 3 c 4 4 b o x ) ：3 2 位c p u ，终端核心组件，处理各种程序指令。 第3 章灾害预警信息机的硬件设计 s d r a m ：程序运行的内存空间。 n o rf l a s h ：存放操作系统及应用程序代码，以及字库等。 n a n df l a s h ：文件系统空间，存放播报的短信，通话记录等。 升级u a r t ：u a r t o ，与p c 交互，用于通过电脑串口升级终端程序。 g s m 模块：网络通讯模块，有s m s 、g p r s 和语音通话等通讯方式可选择。c p u 的u a r t i 用户向g s m 通信模块发送指令，实现网络通信。 p o w e rm a n a g e m e n t ：电源管理模块，包括：电压转换，稳压，电压开关控制。 t t s 语音模块：接收c p u 的文本，转换为语音信号送到音频放大电路。 s 3 c 4 4 b o x 有两个u a r t 异步串口和一个s p i 总线接口，其中两个u a r t 接口 通过电平转换后，分别与p c 机和g s m 模块的串口相连。串口u a r t o 连接p c ，用 于通过电脑给系统升级程序，下载配置数据；串口u a r t i 用于控制g s m 模块，实 现收发短消息和i v r 语音呼叫。s p i 总线与t t s 语音模块串口连结，c p u 通过s p i 总线给t t s 模块传输文本信息，t t s 模块，将文本合成语音。 系统通过g s m 模块来接收预警信息，如果接收到的信息为文本预警信息，那 么主控模块就把信息发送到t t s 模块，r i s 模块把信息转换为语音后，经过音频 放大通过终端喇叭播放出去。如果收到的信息为语音信息，则g s m 模块直接通过 广播接口进行广播。 c p u 在控制t t s 模块语音合成与播放时，通过发送o x 2 1 命令来判断t t s 模 块是否正常工作，以及获取相应参数，若返回o x 4 e 表明系统仍在合成中，返回 o x 4 f 表明系统处于空闲状态，处于空闲状态时，系统在发送下一帧数据，这样 就不会把正在合成的数据覆盖，从而保证了信息语音合成的完整性。 3 2 组成模块的选择及设计 3 2 1 主控模块的设计 典型的a r m 嵌入式系统硬件平台一般包括一个以a r m 为内核的处理器、存储器 和必要的外部接口与设备。在本系统中，采用内嵌a r m 7 t d m i 的s a m s u n g 公司的 s 3 c 4 4 8 0 x 处理器，是一款3 2 位的高性能r i s c 处理器删。 1 4 第3 章灾害预警信息机的硬件设计 本模块主要由三星a r m 7 处理器s 3 c 4 4 b o x 和硬件配置电路、时钟电路、复位 电路、中断映射、调试接口等构成。 处理器( c p u ) 采用三星公司的a r m 处理器。目前三星的a r m 处理器主推的有 四大类，本硬件平台选择了手持设备p d a 方案中的s 3 c 4 4 b o x ，它为手持设备等 提供一个低成本高性能的解决方案。$ 3 c 4 4 8 0 的杰出特性是它的c p u 内核，是由 a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器( 6 6 m h z ) 。a r m t t d m i 体系结构的 特点是：它集成了t h u m b 代码压缩器、片上的i c e 断点调试支持和一个3 2 位的 硬件乘法器。$ 3 c 4 4 8 0 提供了丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e 、内部s r a m 、 l c d 控制器、带自动握手的2 通道u a r t 、4 通道d m a 、内部存储器控制器( 片选 逻辑、s d r a m 控制器) 、t o 端口、r t c 、i i c 总线接口、i i s 总线接口、同步s i o 接口和p l l 倍频器3 9 | 。 ( 1 ) 原理和接口说明 c p u 的输入口o m o o m 3 、e n d i a n 作为硬件配置输入。由于s s t 3 9 v 1 6 0 1 是1 6 位总线结构的，因此0 m 1 ：0 配置成0 ：l 。本电路采用外接晶体，o m 3 ：2 配置成 0 ：o 。本电路配置成小端模式，即e n d i a n 配置成o 。 ( 2 ) 时钟电路设计 主控模块了提供c p u 内部r t c 的时钟，c p u 内部集成晶体