（物理电子学专业论文）基于gprs的远程雨量监测系统.pdf

摘要 雨量信息是气象要素信息的一个重要组成部分；然而，雨量信息的传统采集手 段和数据传输方式，并不能很好地满足雨量信息实时性和可靠性的要求。针对这一 问题，本文提出了一种新型基于g p r s 的远程雨量监测系统。本系统采用先进成熟 的g p r s 模块实现g p r s 业务接入，利用g p r s 无线数据通讯技术、微处理器技术 和i n t e m e t 网络技术相结合的方法，实现雨量数据实时采集和处理的无线化、自动 化、网络化和智能化。本文将对以下几个方面作详细论述： 论文首先介绍了g p r s 无线通讯技术的基本知识和雨量监测系统的整体构成。 主要包括：系统的设计目标、通讯方式的选择、雨量监测系统的构成和工作原理、 系统对有线数据传输方式的兼容。通过对几种数据传输方式的对比，特别论述了采 用g p r s 无线通讯技术作为雨量信息传输通道的巨大优势。 其次，文章详述了自动雨量站的具体实现。雨量采集处理单元的系统组成、电 源系统的设计、利用时钟存储芯片和u s b 设备实现历史雨量存储、以及雨量传输 过程中g p r s 技术的应用是自动雨量站系统设计的重点。 然后，论文具体介绍了数据服务中心的拓扑结构、硬件组成和组建数据服务中 心的n a t 技术。接下来，本文深入探讨了数据服务中心系统软件的实现方法，其 中主要涉及到雨量数据库的开发、雨量数据接收处理软件的编制、雨量信息查询 w e b 站点的建设。另外，文章还讨论了数据库访问技术、v c + + 高级编程和a s p 网 站开发等相关技术和应用。 最后，本文对整个监测系统作了总结，同时对系统的未来发展前景进行了展望。 其中强调指出自动雨量监测系统，不但是具有先进数据传输手段的无人值守、智能 化系统，而且也为其他数据采集与监测系统，提供了一种通用、理想的信息采集处 理模型。 关键字：g p r s 自动雨量站无线通讯数据传输监测系统数据库 a b s t r a c t t h er a i n f a i n f o r m a t i o ni so n eo ft h em o s t j m p o r t a n t d a r l so ft h e m e t e o r o l o g i c a ld a t a ，b u tt h ec o n v e n t i o n a lm e a n so fd e t e c t i n ga n dt r a n s m i t t i n g r a i n f a d a t ac a nn o ts a t i s f yt h en e e d so ft h er e a l - t i m ed a t ad e t e c t i o na n dt h ed a t a r e l i a b i l i t y f o rt h i sc a s e ，an e wk i n do fg p r sr e m o t es y s t e mf o rr a i n f a m o n i t o r i n gi sp u tf o r w a r d t h ew i r e l e s sr a i n f a d a t at r a n s m i s s i o ni sr e a l i z e d t h r o u g ht h eg p r sd a t at e r m i n a lm o d u l a r a tt h es a m et i m e 。w i t ht h eg p r s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m i c r o p r o c e s s o ra n di n t e r n e tt e c h n o l o g y , t h er e s u l t s h a v e b e e na c h i e v e dt h a tt h er a i n f a d a t ai s a u t o m a t i c a l l yd e t e c t e da n d p r o c e s s e db ym e a n so ft h ew i r e l e s s ，i n t e l l i g e n tn e t w o r k s s e v e r a la s p e c t so ft h e s u r v e i l l a n c es y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h ef o l l o w i n gp a p e r ： a tf i r s t ，t h eb a s i ck n o w l e d g eo fg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h em a i n f r a m e w o r ko ft h er a i n f a um o n i t o r i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h ed i s s e r t a t i o n 。l n t h i sp a r t t h em a i nc o n t e n t si n c l u d et h ed e s i g nt a r g e to fs y s t e m ，t h ec h o i c eo ft h e c o m m u n i c a t i o nm o d e ，t h es y s t e mc o m p o n e n t sa n dp r i n c i p l e ，t h ec o m p a t i b l e n e s s w i t ht h ew i r e n e t w o r k sf o rt h ed a t ac o m m u n i c a t j o n c o m p a r i n gg p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nw i t ho t h e rc o m m u n i c a t i o nm o d e s j t sh u g ea d v a n t a g e sf o rr a i n f a l l i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na r ep r o p o s e ds p e c i a l l y s e c o n d l y , t h es p e c i f i c a t i o n so ft h ea u t o n o m o u sr a i ns t a t i o na r ee x p l a i n e di n d e t a i l t h e ya r et h em o s ti m p o r t a n to ft h i sp a r tw h i c ha r et h es y s t e mc o m p o n e n t s o ft h er a i n f a l ld e t e c t i o na n dp r o c e s su n i t t h ed e s i g no ft h es y s t e mp o w e r ，t h e r e a l i z a t i o no fu s i n gt h ec l o c ks t o r ec h i pa n du s bd e v i c et os t o r et h eh i s t o d c a l r a i n f a l ld a t a 。a n dt h es p e c i f i ca p p i j c a l t o no fg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf o r t r a n s m i t i i n gr a i n f a l li n f o r m a t i o n a n dt h e n t h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dt h eh a r d w a r ec o m p o n e n t so fd a t a s e r v i c ec e n t e r a n dn a tt e c h n o l o g yf o rt h ec o n s t r u c t i o no fd a t as e r v i c ec e n t e r a r ei n t r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，t h ed i s s e r t a t i o nd i g si n t ot h ea p p r o a c h e st o p r o g r a m m i n gt h es y s t e ms o f t w a r ei nt h ed a t as e r v i c ec e n t e r , w h i c ha r ei n v o l v e d i nt h ed e s i g no ft h er a i n f a l li n f o r m a t i o nd a t a b a s e ，p r o g r a m m i n go ft h es o f t w a r ef o r r e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gt h er a i n f a l li n f o r m a t i o n 。t h ec o n s t r u c t i o no ft h ew e b s i t e f o rr a i n f a l li n f o r m a u o nq u e r y i na d d i t i o n ，t h et e c h n o l o g i e so fd a t a b a s ea c c e s s i n g t h ep r o g r a ms k i l l sa n da p p l i c a t i o n so fv c + + a n da s pa r ea l s om e n t i o n e d f i n a l l y , s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w nf r o mt h e f o r m e rt h e o r i e sa n dt h e d i s c u s s i o n ，a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi sp r e d i c t e d i th a s b e e np l a c ee m p h a s i so ni nl a s tp a r tt h a tt h er a i n f a l lm o n i t o r i n gs y s t e mn o to n l yi s a n i n t e l l i g e n t a u t o n o m o u s s y s t e m w i t ht h ea d v a n c e dm e a n so fd a t a c o m m u n i c a t i o n ，b u ta l s op r o p o s e sag e n e r a li d e a lm o d e lf o ro t h e rs u p e r v i s o r y c o n t r o ia n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s k e y w o r d s ： g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，a u t o n o m o u sr a i n f a l ls t a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o n m o n i t o r i n gs y s t e m ，d a t a b a s e y 7 8 2 0 7 5 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭 等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律 责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者c 签孙王立瑞 2 0 0 5 年月7 日 基于g p r s 的远程雨量监测系统 第一章：绪论 1 1雨量采集的意义 第一章绪论 我国是世界上气候变化较大的地区之一，气象灾害出现的频率很高，随着经济 的发展和社会的进步，气象灾害的影响越来越广泛，造成的损失也越来越大【”。气 象灾害大致可划分成以下七类：洪涝、干早、热带气旋( 或台风) 、冷冻害、风暴、 连阴雨及其它。我国是农业大国，气象灾害给我国农业生产造成的损失巨大，一般 年份，受灾农田6 7 亿亩，成灾约3 亿亩，减收粮食2 0 0 多亿公斤每年直接 经济损失达1 0 0 亿元以上。在所有的气象灾害中，洪涝和干旱发生的频率最高，持 续时间最长，影响范围最广，灾情也最严重，根据近4 0 年的资料统计，较大范围 的早、涝灾害在我国东部地区每年都有发生，多时达2 0 次，少则8 _ - 9 次【2 l 。因此， 国家和人民对气象服务，特别是对气象为防灾减灾服务的要求越来越高。加强气象 灾害的对策研究，提高对气候变化的监测、预测能力有助于减少国家和人民财产损 失。 雨量信息是重要的水文检测参数和气象信息的一个主要组成部分，它也是防汛 抗早决策的重要依据。它的实时性和可靠性是决策实时性、科学性的前提【3 1 。雨量 信息的及时采集可以对洪涝灾害实施有效的监测和预警；而作为一项基础性工作， 建立地区雨量档案系统，通过雨量信息的管理和分析，为能够对区域气候的长期走 势和大范围的气候变化做出科学预测提供了可靠依据。由于国内各地区的降雨量极 不平衡，加上领土广阔，地理环境复杂，地区经济发展不平衡等原因，导致雨量检 测工作处在比较落后的状态。建立一套经济实用的、符合我国国情的雨量采集传输 系统势在必行【3 】。 信息采集的自动化已成为数据测量的一种普遍而有效的方式，这不但降低了数 据采集的成本，而且保证数据的准确性，更为后期的数据处理带来方便。同时由于 现代的信息采集的基本环节主要是以测量为主的信息采集、以通信为主的信息传输 和以计算机技术为主的信息分析处理，所以信息采集与通信及计算机技术的结合， 形成了相互配合、共同提高的态势。虽然微处理器的应用己改变了它们的面貌，但 传统信息采集大多至今仍使用孤立或局部控制的仪器或测试系统，来取得单一的测 基于g p r s 的远程雨量监测系统 第一章：绪论 量数据。而三种技术的结合，能使信息获取、传输和处理成为信息采集闭合环路中 不可分割的组成部分。随着计算机网络技术、数据库技术、现代通信技术，尤其是 无线通信技术的高速发展，信息采集系统与计算机网和通信网的结合正成为趋势 h 。在雨量采集过程中，为了保证获取雨量数据的实时、准确和连续有效，就必须 在雨量测量和传输的过程中，准确及时地将雨量信息传送到数据服务中心，并根据 所获得的信息资料随时进行处理。可以说由原始的单件雨量采集仪器向网络测量系 统的转变是一种必然的发展趋势。自动雨量无线监测网络的建立正是这种发展趋势 的最好体现。 在自动雨量监测网络中，使用新型的雨量测量传感器并结合单片机系统，通过 嵌入先进g p r s 无线通信模块构成自动雨量监测网络中的独立节点一自动雨量站。 它实现了基于g p r s 无线通信技术和i n t e m e t 的远程雨量采集、无线数据传输和控 制、数据的上传和下载等功能。用户通过腰浏览器或符合规范的应用程序也可实 时浏览到各个雨量观测点采集到的实时雨量信息。总之，自动化雨量采集的网络化 释放了整个系统的潜力，改变了雨量采集技术的以往面貌，减少了复杂枯燥的人力 劳动，打破在同一地点进行采集、分析和显示的传统模式，极大降低了系统的建设 和维护费用；依靠i n t e m e t 网络技术和现代无线通信技术，我们已能够和将能够有 效地控制远程测量仪器设备，在任何地方进行雨量采集、任何地方进行雨量数据分 析、任何地方进行雨量显示【5 】。 另外，自动雨量监测网络的建立，实现了大范围、区域性的多点雨量测量；多 观测点雨量信息的对比处理，有助于气象信息时空连续性的研究。从而将我国的气 象信息采集和管理提高到一个新的水平以便更好地为国家和人们服务。 1 2 国内外行业现状及发展 自动气象站是由电子设备或计算机控制的自动进行气象观测和资料收集传输 的气象站，通常有以下两种形式：有线遥测自动气象站，仪器的感应部分与接收处 理部分相隔几十米到几公里，其阔用有线通信电路传输。由气象传感器、接口电路、 微机系统、通讯接口等组成。无线遥测气象站，又称无人气象站。它包括测量系统、 程序控制和编码发射系统、电源三部分组成。将仅以气象要素中的雨量信息作为 采集的对象的多个自动雨量站，利用有线或无线方式连接至数据服务中心处理系 2 基于g p r s 的远程雨量监测系统第一章：绪论 统，就构成了自动雨量监测网络。 1 2 1 国际现状 自1 9 6 0 年气象卫星问世以来，利用卫星资料估计降水的工作就一直受到十分 重视，并且已取得了一些重要进展【6 。利用卫星系统提供的云图特征观测，能够 直接揭示了实时发生在大气中的动力和热力过程的综合结果 8 1 ，这种方式在国内外 被普遍采用。但是利用卫星资料估计降水中也遇到了许多困难，其中最主要的问题 是降水和降水量与许多因子有关，而目前卫星的观测信息还很不够，这就直接影响 着降水估计的准确率嗍。同时，鉴于中尺度自动雨量站网络可以进行高密度布点、 应用地域范围广，并且雨量信息方便为大众及特殊行业所应用，中尺度雨量监测网 络得以在全球范围内广泛应用。 对于雨量监测网络中的主要部分自动雨量站的开发和研制，国外行业始终处 于较为领先的地位( 其产品多为可扩展的多要素自动气象站，本文中主要讨论的是 单要素自动雨量站) 。首先，气象信息( 含雨量信息) 不但可以从本地读取或保存 在大容量数据存储卡中，而且可采用有线或无线两种方式进行远程传送。有线数据 传输直接通过电话线路或互联网来实现：无线方式有以下几种：无线电波、移动通 信网络( g s m 、g p r s 等) 、通信卫星。因此，无线传输节省了自动站信息传送线 路的建设和维护费用，使自动站有更强的地域适应空间；同时客户可以通过网络或 无线可移动设备获得实时的气象信息。另外，气象信息( 含雨量信息) 的应用范围 更广，主要包括：气象和气候研究、环境监测保护、农业生产、水文、机场、道路 交通、航海、科考，以及体育运动等方面。 2 0 0 3 年以前，除了使用无线电和通信卫星以外，自动雨量站无线数据传输方式 主要采用g s m 短信传送雨量信息。随着移动通信技术的进步，2 0 0 3 年国外首先出 现了g p i 峪( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 无线数据传输的自 动雨量站。国际上，气象设备的主要生产厂家有芬兰的v a i s a l a 、意大利的 d p s p r o m a f i c 、法国的c i m e l ，英国的c a m p b e l ls c i e n t i f i c 和c a s e l l ac e t 等等。 在此仅以法国c i m e l 的e n e r c o4 0 7 、4 1 1 、4 1 6 型自动站为例作简单介绍。 迄今为止，上述类型的4 0 0 0 多套自动站被全球有5 0 多个国家和团体所使用。其主 要性能如下： 3 基于g p r s 的远程雨量监测系统第一章：绪论 夺 夺 夺 夺 超低功耗的待机状态，以及自我检测系统 可兼容2 1 6 个信息采集通道 一系列的防雷、防水等防护措旌和灵活的供电方式 信息获取方式可选择：本地读取、存储卡储存、电话网络连接、无线电或 移动通信网络、卫星传送 投资及维护费用低廉 1 2 2 国内现状 在国内，长期以来气象部门使用的雨量资料都是通过人工测量或自动测量，再 通过有线网络或人工发报传送至气象中心。一天内雨量资料只在规定的时次或正点 发报，资料的使用局限于特定的职能部门或政府部门，并且很不方便。 从上世纪九十年代我国开始建设气象监测网络开始，直到2 0 0 1 年，我国的自 动气象监铡网络的数据传输主要是通过有线网络实现。随着移动通信技术的发展和 g p r s 数据传输技术的成熟，气象监测网络的智能化、无线化和网络化成为必然。 2 0 0 2 年5 月1 7 日，中国移动的g p r s 网络在全国正式投入商用。这意味着，现阶 段世界范围内最先进、应用最成熟的移动通信技术g p r s 在中国实现大规模应 用田l 。2 0 0 3 年国内开始研发基于g p r s 的无线自动雨量站f 1 1 1 。 鉴于国内当时的状况，从2 0 0 3 年初，我们率先在翻斗式雨量计的基础上，开 发出具有无线数据传输功能的自动雨量站。该雨量站具有g p r s 通信单元的接口， 布置在各个观测点的自动雨量站与移动公司的g p r s 网络相结合，构成了中尺度 g p r s 无线雨量监测网。通过无线网络能够实时将雨量资料发送至省气象数据服务 中心。在数据服务中心，有一专用具有固定i p 地址的服务器与i n t e r a c t 连接；运行 在服务器上的数据接收程序通过监听该m 地址的某一端口，获取来自各g p r s 雨 量计站点发送来的雨量数据，并将数据自动存入数据库；最后以网页的形式为公众 或其它职能部门提供雨量信息服务。该系统于2 0 0 4 年初开发完成，并于2 0 0 4 年4 月开始建设河南省g p r s 乡镇雨量监测网，到目前为止，网络中已投入使用的自动 雨量站达到4 0 0 套f 1 2 1 。按照河南省气象局关于全省中尺度乡镇雨量站的建设规划， 未来两到三年内g p r s 自动雨量监测网络中计划安装的自动雨量站将达到2 0 0 0 套。 4 基于g p r s 的远程雨量监测系统第一章：绪论 1 3主要研究内容 本课题完成了河南省自动雨量监测网络的开发和建设；主要实现自动雨量站的 研制和数据服务中心的构建，以及它们之间的可靠通信和基于g p r s 无线数据传 输；同时将降雨量信息传送到数据服务中心，并完成数据的处理、电子地图的动态 显示等。在该监测系统的研制过程中，作为主要开发成员之一，作者参与了自动雨 量站的研制、数据服务中心的构建和整个系统的调试安装工作，主要负责完成雨量 数据接收处理软件的编制和雨量信息查询w e b 站点的开发。 本文将介绍g p r s 技术的相关知识、系统的总体设计目标和组成，详述自动雨 量站系统实现、数据服务中心的构建和系统软件的设计。 5 基于g p r s 的远程雨量监测系统第二章：系统的总体构成 第二章系统的总体构成 2 1 g p r s 概述 2 1 1g p r s 技术基础 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是g s m p h a s e 2 1 规范实现的内容之一，能提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高的数据率【2 1 捌。 g p r s 采用与g s m 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t d m a 帧结构，因此具有很好的信号覆盖：随着中国移动g p r s 网络 建设的日臻成熟，地区的覆盖率超过9 0 ，g p r s 信号达到了无盲区覆盖【切。 g p r s 突破了g s m 网只能提供电路交换的思维方式，只通过在现有g s m 网络 中增加相应的功能实体( g o s n 、s g s n ) 和对现有的基站系统进行部分改造来实 现分组交换。同时它具有与现有的g s m 一样安全功能，是一种经济高效的分组数 据技术，可有效地利用稀有的无线资源，计费方式灵活( 数据量或时长) 、能够快 速建立接入、同时可提供g s m 和g p r s 的业务，也可使用m 协议连接到外部数据 网1 1 3 1 。 由于g p r s 能提供宽带移动传输能力，支持g p r s 的手机将能处理可视会议、 多媒体应用、高分辨扫描等，在复杂的固定网络应用中，我们已逐渐习惯于数兆的 磁盘空间和很高的传输速率，不久这也将用于移动通信。另外g p r s 对大量使用因 特网的用户也是极为方便的，从网上下载大量图形、网页更容易、更快速。g p r s 与i s p 建立直达链路，用户可直接上两，免受移动p s t n - 1 s p 延时之苦，对用户而 言，则意味着上网时间加快及端到端的数字链路。随着网上用户不断增多，建立直 达链路、以g p r s 为连接工具、形成大的国际因特网将会有更深远的意义1 1 3 】。 2 1 2g p r s 系统结构 g p r s 网是在g s m 网络的基础上增加以下功能实体构成的：s g s n ( g p r s 业务 支持节点) 、g g s n ( g p r s 网关支持节点) 、p c l i ( 分组控制单元) ，g p r s 重用g s m 的基础设旌，最大限度的利用了现有资源。但基站要进行软件更新；g p r s 要增加 6 基于g p r s 的远程雨量监测系统 第二章：系统的总体构成 新的m m 程序；g p r s 骨干网通过路由器实现互联；g s m 网络系统要进行软件更新 和增加新的m a p 信令和g p r s 信令【3 引。网络结构见下图： 图2 - 1g p r s 网络结构 s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 负责用户鉴权、加密和压缩、移动管 理、与h l r 、m s c v l r 协调、话务统计及n m s 接口等；g g s n ( g a t e w a yg p r s s u p p o r in o d e ) 是g 网与外部口网的接口、完成计费和统计等功能；p c u 主要是 将分组数据分离出来，传送到s g s n ，提供对外g b 接口及处理链路层的m a c 和 r l c 功能【1 3 1 。 2 1 3g p r s 的技术优势 资源利用率高口1 1 g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传输 数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路 交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。 而对于分组交换模式，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 7 基于g p r s 的远程雨量监测系统第二章：系统的总体构成 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。 g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少” 的原则。实际上，g p r s 用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的 连接费用。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测1 8 】。 表2 - 1 中国移动g p r s 服务资费标准表 月租( 元)赠送的免费流量( k b )超过赠送流量后的流量费( 元瓜b ) 自由套餐 000 0 3 经济套餐2 0 1 0 0 00 0 1 时尚套餐 1 0 02 0 0 0 00 0 1 商务套餐2 0 0不限量使用 传输速率高 g p r s 可提供高达l i 5 k b i v s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b i v s ，不包括f e e ) 。 这意味着通过便携式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网测览，同时 也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。 接入时间短 分组交换接入时间缩短为少于1 秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一 些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率，并可使已有的i n t e m e t 应用( 如e m a i l 、 网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 支持i p 协议和x 2 5 协议 g p r s 支持因特网上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议。而且由于g s m 网络覆 盖面广，使得g p r s 能提供i n t e m e t 和其它分组网络的全球性无线接入。 2 1 4g p r s 、g s m 、0 心、c d m a 技术对比 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的中文是通用分组无线业务，是在现有 的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。g p r s 与g s m 系统最根本 8 基于g p r s 的远程雨量监测系统 第二章：系统的总体构成 的区别是，g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。g p r s 特 别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量 传输。我们可以将g p r s 理解为g s m 的一个更高层次。 w a p ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 的中文是无线应用协议，它与g p r s 属于 不同的范畴，它的目的是将互联网的丰富信息及先进的业务引入到移动电话等无线 终端之中。打个比喻，g p r s 和g s m 都是马路，而w a p 是在马路上的汽车。中国 移动开通g p r s 之后，w a p 就行驶在g s m 和g p r s 两条马路上，而行驶在g p r s 的马路上可以提高数据传输速度。因此，现有w a p 上的内容一样可以通过g p r s 进行浏览和应用。 c d m a 是与g s m 并列的移动通信技术，是码分多址数字无线技术的英文缩写， 它拥有频率利用率较高、手机功耗低等优点。与g s m 相同，c d m a 也有2 代、2 5 代和3 代技术。中国联通已推出的c d m a 属于2 5 代技术。c d m a 被认为是第3 代移动通信技术的首选，目前的标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 翊。 2 2通讯方式的选择 传统的计算机网络网络监测系统多采用有线或无线方式进行数据传输，它的不 足之处是显而易见的。采用电话线传输数据，不能保证实时性；采用无线电台，解 决误码率和波特率的矛盾尤其抗干扰是一个令人头疼的问题；采用专线电路，不可 能对所有大面积分散的数据采集子站进行专线铺设，更不能承担高昂的运行费用 【1 7 1 。下面是数据采集系统几种常用通讯方式的比较： 表2 - 2g p r s 无线通讯与其他通讯方式对比表i 弋、传输方式 g p r s 数据终有线有线光纤 端( d t u )拨号方式专线方式传输模式 比较内容 覆盏范围全国全国区域区域 建设费用一般较低较高高 施工难度 较低 一般较高 高 施工周期 较短 一般较长 长 计费方式流量时间+ 次数租赁租赁 运行费用较低较高高高 通信速率较高一般高高 误码率较低高较低低 9 基于g p r s 的远程雨量监测系统第二章：系统的总体构成 可靠性较高一般较高较高 实时性较高极低较高较高 维护成本极低 一般 较高较高 分散、实时数据 对实时无要较大数据实较大数据实 应用场合 传输求的场合时传输时传输 表2 - 3g p r s 无线通讯与其他通讯方式对比表 n 输方式 g p r s 数据终端短消息超短波 ( d t u )无线数传电台 比较内容 覆盖范围全国全国不大于2 0 k m 建设费用 低低高 旋工难度较低低高 施工周期较短较短 长 计费方式按流量无月租条，0 1 元占频费 运行费用较低 较高一般 通信速率 4 0 8 0 k b p s1 2 k b p s 误码率 较低 较高高 可靠性 较高 一般低 群收群发支持不支持不支持 传输时延短长短 网络协议支持不支持不支持 维护成本低 低高 从以上两个表中几种通讯方式的对比，可以看出采用g p r s 进行分散、实时的 数据传输具有明显的优势。结合雨量数据传输突发性、实时性的特点，自动雨量j l 矗 测网络选用先进成熟的g p r sd t u 作为远程数据传输模块，依托稳定、可靠的中 国移动g p r s 网络，在保证数据传输的及时、准确的前提下。将系统运行费用也降 低到了最低；通信链路由专业的运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时， 还需要耗费很大精力去维护通信线路等问题；节约了用户的初期建设投资和运行维 护费用【】7 1 。 2 。3系统的设计目标 整个监测系统： 夺采用g p r s 无线数据传输技术、计算机网络和数据库管理等技术，构建了 一个自动雨量无线监测系统。它的设计遵循先进性和实用性相结合的原则。 夺系统的设计应保证运行的稳定性、使用的方便性和可扩展性。系统中的具 l o 基于g p r s 的远程雨量监测系统第二章：系统的总体构成 体设备选型则应以技术成熟和性能可靠为标准，并最大限度地利用现有的 环境、设备、通信和先进技术等资源f 3 4 】。 夺系统的软硬件均采用模块化设计。对自动雨量站的设计体现专业化服务的 要求；对数据服务中心的设计，尤其是系统软件的设计应强调其通用性和 可扩展性。这样的设计也有利于技术更新、设备保值和系统扩充【州。 自动雨量站： 测量精度：0 4 r a m 毫米( 降雨量小于等于1 0 m m 时) ； 强降水误差：4 ( 降雨量大于1 0 r a m 时) ： 夺环境条件：自动雨量站和传感器有防雷和抗干扰接地：自动雨量站达到防 尘、防雨淋的密封要求。 令具备实时时钟，能按时间顺序记录历史雨量资料。通过可扩展的移动存储 设备，系统至少能够记录1 月以上的逐分钟和每小时的历史雨量资料。 夺具有后备直流电源，在市电断电时能坚持连续工作1 天以上；根据需要可 采用太阳能电源设备进行供电。 夺实时自动监测降雨量，并自动上传给气象数据服务中心。与微机终端连接 或与数据服务中心站通过远程进行通讯。具备串行通讯接口，通讯接口应 支持如下功能：与p c 机的r s 2 3 2 接口、与g p r s 终端单元连接实现与移 动通讯网( g p r s ) 互联。 数据服务中心( d s c ) ： 夺气象数据服务中心具有雨量信息接收、存储、归档等功能，其w e b 服务程 序提供实时雨量的监测和历史降雨资料查询等功能，并通过电子地图或电 子表格显示网络系统中各观测点的雨量数据。 夺能随时获取任意时间的分钟和小时数据，按照加密自动气象( 雨量) 站 管理办法1 3 d 的规定，形成规定格式的数据文件1 3 扪。 基于g p r s 的远程雨量监测系统 第二章：系统的总体构成 2 4 雨量监测系统的构成及工作原理 2 3 1 监测系统的构成 自动雨量监测系统是集计算机技术、通信技术及数据采集技术于一体综合网络 系统。整个网络采用中心点多点的方式进行组网，以实现对各雨量观测终端( 自 动雨量站) 的全面监测。系统构成如下图所示： g p r s 无线 自动雨量站 图2 - 2 自动雨量监测系统组成示意 自动雨量监测系统主要由三部分组成： 自动雨量站：雨量传感器、雨量采集器、g p r s 无线数据终端( g p r $ d t u ) ： 夺传输网络：中国移动g p r s 无线网络及i n t e r a c t 等有线网络； 夺数据服务中心( d s c ) ：实时雨量数据( 有线、无线) 接收服务器、实时数 据库服务器及w e b f t p 服务器等。 1 2 基于g p r s 的远程雨量监测系统第二章：系统的总体构成 2 3 2 工作原理 作为终端雨量采集设备，自动雨量站被安装在省内各乡镇的多个雨量观测点， 与数据通讯网络和雨量数据服务中心共同组成中尺度雨量监测系统。雨量传感器获 取各个观测点的降雨量信息并输出电路通断信号；雨量采集处理器对其输出信号进 行计数，得到观测点的实时降雨量。采集器将降雨量保存在内部的时钟存储芯片和 可扩展的u s b 移动存储器中；并利用r s 2 3 2 串行口与g p r s 无线传输设备( g p r s d t u ) 连接，由g p r sd t u 将雨量数据进行封装打包，发送出去。雨量数据通过 g p r s 无线通讯网络，经移动通讯网关传输到i n t e r n e t 上具有固定】p 的数据服务中 心。数据服务中心g p r s 雨量接收程序，实时监测邛端口接收雨量数据然后存入 雨量数据库。此外，运用a s p ( a c t i v es e v e rp a g e s ) 动态网页编程和a d o ( a c t i v e x d a t ao b j e c t s ) 数据库访问技术开发雨量信息查询网站：通过数据服务中心的w e b 服务器，w e b 站点以区域雨量地图方式对外提供雨量信息查询服务。 2 3 3 有线传输的兼容 【1 】为兼顾用户的多种要求，自动雨量站支持有线数据传输方式。有线自动雨 量站由雨量传感器和单片机系统构成，并配有局地微机系统【1 9 l 。有线雨量站中 p 8 9 c 6 6 9 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。 局地计算机首先把数据进行处理和编码，然后通过i n t e m e t 或其他有线网络把数据 信息送到有固定邛的数据服务中心站。在这种通信模式中，需要开发局地计算机 数据处理和发送软件进行数据传送，同时数据服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。 自动i - - - 鬲 要量i 吝 剥魍 d t t e r n e t 或其他有线 网络 图2 - 3 有线网络构成 数据服 务中心 ( d s c ) 【2 】有线雨量传输网络同时兼容原有的雨量采集系统。很多采集点已经安装有 兰! 里型堡里亘量些型墨竺 苎三皇! 墨竺塑璺堡塑堕 其它类型的自动雨量站( 气象站) 和局地计算机系统，自动雨量站采集的雨量数据 已由局地计算机接收。此时，只需将局地计算机利用网卡或m o d e m 与h l t e m e t 连 接，并安装数据发送软件，通过有线网络将数据传送到数据服务中心。数据服务中 心具有固定i p ，接收软件监听i p 端口获取数据信息并存入数据库。 1 4 基于g p r s 的远程雨量盥测系统 第三章：自动雨量站系统实现 第三章自动雨量站系统实现 3 1自动雨量站的组成 3 1 1 g p r s 自动雨量站所要达到的主要性能指标例 呤存储容量： 可存储1 个月的逐分钟雨量和每小时数据 夺雨量记录范围：o 9 9 9 9 m m 夺分辨率：0 1 r a m 夺功耗：平均功耗：3 瓦 夺工作环境：空气温度：1 0 5 0 ； 夺时钟精度：月累计误差： 1 0 m m 时，误差不超过4 该雨量传感器满足雨量监测要求。 3 1 4 微处理器的选择 目前经常使用微处理器有：a t m e l 公司的8 9 系列如8 9 c 5 1 ，8 9 c 5 2 ；p h l i p s 的l p c 系列；m i c r o c h i p 公司的p i c 系列以及1 1 公司相关产品等。我们最常用最 熟悉的单片机是a t m e l 公司5 1 系列单片机，它能满足常见测控系统的应用要求。 雨量采集处理器需要实现与p c 机的串行通讯、利用串口与g p r sd t u 和u s b 移 基于g p r s 的远程雨量j l 盘测系统 第三章：自动藩量站系统实现 动存储器接口，但是5 1 单片机只提供一个串口。因此，选用具有双串口的p h l i p s p 8 9 c 6 6 9 单片机作为采集系统的核心，和相关外围电路组成数据采集处理单元。 p 8 9 c 6 6 9 是基于p h i l i p s 半导体新5 1 m x 内核的首类f l a s h 微控制器代表，这 款芯片区别其他5 1 系列单片机的重要特点是具有双串口。扩展的第二个串口采用 波特率发生器进行串行通讯，其功能与扩展5 1 的设置方式基本相同。 p h i l i p s 半导体的5 1 m x ( 存储器扩展) 内核是一种加速的8 0 c 5 1 结构，指令 执行速度2 倍于标准的8 0 c 5 1 器件，大大提高了系统性能并降低了系统开销。 p 8 9 c 6 6 9 包括1 个非易失性f l a s h 程序存储器，可用于并行编程以及串行在系统编 程和在应用中编程。 p 8 9 c 6 6 9 的管脚分布及功能如下图所示： 图3 2p $ 9 c 6 6 9 管脚配置 p 8 9 c 6 6 9 的主要特性： 夺5 1 m x 内核的扩展特性： 2 3 位的程序存储器空间和2 3 位的数据存储器空间； 线性地址经扩展后可支持高达8 m 字节的程序存储器和数据存储器 基于g p r s 的远程雨量嘘测系统第三章：自动雨量站系统实现 程序计数器扩展至t j 2 3 位； 堆栈指针扩展到1 6 位，使堆栈空间可超过8 0 c 5 1 的限制； 利用新扩展的2 3 位数据指针和2 个2 4 位的通用指针来访问不同空间，大大提 高了c 编译器的效率。 夺1 0 0 二进制兼容典型的8 0 1 2 5 1 ，现有代码可全部再使用， 夺2 4 m h z 的c p u