基于GPRS的灌區(qū)自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

趙秀芝

ZHAO Xiu-zhi

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，溫州 325000）

基于GPRS的灌區(qū)自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

Design on the whole project of irrigation automatic weather monitoring system based on GPRS

趙秀芝

ZHAO Xiu-zhi

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，溫州 325000）

GPRS（General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，是基于GSM的新型移動分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。比現(xiàn)有GSM網(wǎng)具有更高的數(shù)據(jù)率，并具有接入時間短、“永遠(yuǎn)在線”、費(fèi)用低、網(wǎng)絡(luò)資源利用率高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，特別適合頻繁、突發(fā)性的小流量數(shù)據(jù)傳輸，很好地適應(yīng)了不便于布線的灌區(qū)、傳輸數(shù)據(jù)流量不大、水文監(jiān)測等場地。

灌區(qū)；氣象監(jiān)測；ARM；方案設(shè)計

1 灌區(qū)自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的總體功能要求

1）現(xiàn)場自動氣象站要求能夠自動采集溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等多個氣象要素，各要素的測量應(yīng)達(dá)到中國氣象局的《地面有線綜合遙測氣象儀觀測規(guī)范》要求。

2）現(xiàn)場自動氣象站具有實(shí)時時鐘，按時間順序記錄歷史數(shù)據(jù)，至少有記錄1天歷史數(shù)據(jù)的存儲容量，有條件的可以預(yù)留海量數(shù)據(jù)存儲接口。

3）現(xiàn)場自動氣象站能夠?qū)⒆詣硬杉母鳉庀髤?shù)按規(guī)定的格式要求上傳給氣象數(shù)據(jù)中心。

4）現(xiàn)場自動氣象站能夠在潮濕、干燥、低溫等惡劣天氣情況下可靠的長期工作，并盡量避免因網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障而丟失數(shù)據(jù)。

5）氣象數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崟r監(jiān)測來自各測點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，并具有實(shí)時顯示、歷史數(shù)據(jù)庫查看、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

6）現(xiàn)場自動氣象站各項(xiàng)設(shè)備要符合結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、低功耗的原則，所有設(shè)備能夠在無人值守的條件下工作。

7）現(xiàn)場自動氣象站具有能夠直接與PC機(jī)的RS232接口通信的功能以及與移動通訊網(wǎng)(GPRS)的通訊接口。

8）網(wǎng)絡(luò)通信暢通率應(yīng)大于95%，系統(tǒng)誤碼率應(yīng)小于6×10-5。

2 灌區(qū)自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架

灌區(qū)氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)采用“集中處理，分散監(jiān)測”的模式進(jìn)行設(shè)計，整個系統(tǒng)由GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和氣象數(shù)據(jù)中心、現(xiàn)場自動氣象站二大部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

自動氣象站包括兩大部分：一是GPRS通信模塊，二是采集模塊。自動氣象站安裝在灌區(qū)特定監(jiān)測點(diǎn)，通過各種傳感器對灌區(qū)氣象參數(shù)進(jìn)行采集；同時將采集到的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)處理以及存儲；并通過GPRS模塊建立通信鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是氣象數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)場自動氣象站數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶，現(xiàn)場自動氣象站采集到的氣象參數(shù)通過各自的GPRS數(shù)據(jù)終端打成IP包，經(jīng)由GPRS模塊接入無線GPRS網(wǎng)絡(luò)，由移動服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)氣象數(shù)據(jù)處理中心。

氣象數(shù)據(jù)中心是系統(tǒng)的監(jiān)控中心，從灌區(qū)各監(jiān)測點(diǎn)發(fā)回的氣象數(shù)據(jù)在監(jiān)控中心存儲并顯示，供灌區(qū)相關(guān)管理部門查看，同時可以以Access數(shù)據(jù)庫表的形式將各氣象數(shù)據(jù)整理后保存。它由一臺可以上位機(jī)軟件和登陸公網(wǎng)的PC機(jī)構(gòu)成。一方面氣象數(shù)據(jù)中心通過現(xiàn)場自動氣象站與GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向通信收發(fā)數(shù)據(jù)，另一方面進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理等服務(wù)。各測點(diǎn)的氣象參數(shù)可以通過上位機(jī)軟件為用戶提供的可視化界面進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。通過此軟件，可查詢歷史數(shù)據(jù)庫，查看各測點(diǎn)氣象信息的歷史記錄和統(tǒng)計曲線，從而清楚地了解觀測點(diǎn)的綜合氣象信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 GPRS組網(wǎng)方式及應(yīng)用類型選擇

3.1 GPRS組網(wǎng)方式選擇

針對灌區(qū)而言，到底采用何種方式比較經(jīng)濟(jì)、合適，應(yīng)該根據(jù)灌區(qū)自身特點(diǎn)和應(yīng)用需求來確定。由于系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)通信暢通率要求較高，因此不能選擇GPRS內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)方式；由于受經(jīng)費(fèi)以及試驗(yàn)條件的限制，也不可能選擇專線組網(wǎng)方式；由于是個人試驗(yàn)，不是以企業(yè)名義，所以向本地電信部門申請公網(wǎng)固定IP有困難。綜合考慮各方面因素，最后決定采用質(zhì)量較為穩(wěn)定，通信速度適中，通信費(fèi)用低，而且網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作量小的ADSL撥號方式組網(wǎng)。

3.2 GPRS應(yīng)用類型選擇

一般來講，GPRS無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的應(yīng)用可以分為兩種類型，一種是標(biāo)準(zhǔn)的客戶端/服務(wù)器應(yīng)用模式(C/S)，另一種是無線網(wǎng)關(guān)應(yīng)用模式。以下簡要介紹一下兩種應(yīng)用類型各自的特點(diǎn)[1]。

3.2.1 客戶端/服務(wù)器的應(yīng)用模式

在客戶端/服務(wù)器模式的應(yīng)用中，客戶端一般是以嵌入式計算機(jī)為核心單元的處理器；服務(wù)器端一般是用戶建立的數(shù)據(jù)中心。服務(wù)器的用戶數(shù)據(jù)中心在該模式下需要有固定的IP地址，或利用動態(tài)DNS轉(zhuǎn)換的固定域名地址，這樣客戶端才可以方便的獲得服務(wù)器的IP地址，并且建立TCP連接。

獲得IP地址的方式主要有兩種：一種是ADSL上網(wǎng)+動態(tài)域名解析；一種是申請固定IP。用戶數(shù)據(jù)中心服務(wù)器采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信程序，可以通過相關(guān)軟件工具來設(shè)計。

3.2.2 無線網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用模式

在無線網(wǎng)關(guān)模式的應(yīng)用中，需要有兩個網(wǎng)絡(luò)：另一個是外部互聯(lián)網(wǎng)；一個是內(nèi)部局域網(wǎng)。在該模式下，通常以嵌入式計算機(jī)作為無線網(wǎng)關(guān)，并配置一個內(nèi)部局域網(wǎng)IP，再通過PPP配置獲得外部互聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)IP。對內(nèi)網(wǎng)的設(shè)備，需要把無線網(wǎng)關(guān)的IP設(shè)置成為其網(wǎng)關(guān)地址，這樣當(dāng)內(nèi)網(wǎng)設(shè)備訪問互聯(lián)網(wǎng)時，數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，NAT協(xié)議則用自己的外網(wǎng)IP和隨機(jī)生成的端口號代替內(nèi)網(wǎng)設(shè)備的IP以及端口號，并通過無線信道發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，同時在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部建立IP和端口映射表，當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到來自互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)時，就根據(jù)映射表查出內(nèi)網(wǎng)的IP及端口號，并把數(shù)據(jù)傳送到該設(shè)備。

本系統(tǒng)屬于GPRS的第一種應(yīng)用類型，即客戶端/服務(wù)器應(yīng)用模式。

4 主控模塊和GPRS通信模塊選型

4.1 主控模塊選型

主控模塊也就是常說的微控制器，是灌區(qū)自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)的核心，它的選擇將對監(jiān)測系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生決定性的影響。在選擇微控制器時，一般應(yīng)從其處理速度、中斷處理能力、內(nèi)部寄存器的種類數(shù)量及外圍電路等方面來考慮。

目前常用的微控制器有51、MSP430、PIC、AVR系列單片機(jī)、ARM9、ARM7以及DSP等等。綜合各方面因素后，選用PHILIPS公司LPC系列單片32位ARM微控制器LPC2114，它是基于一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。

ARM7TDMI-S是通用的32位微處理器，具有低功耗和高性能的特性，是基于精簡指令集(RISC)原理而設(shè)計的，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的中斷響應(yīng)和很高的指令吞吐量。由于采用流水線技術(shù)，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可以連續(xù)工作，獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)和128位寬度的存儲器接口使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運(yùn)行。

LPC2114帶有16K靜態(tài)RAM、128KB嵌入的高速Flash存儲器，內(nèi)置2個32位定時器、2路串行接口、2個低功耗模式、6路PWM輸出、4路10位A/D轉(zhuǎn)換、12個外部中斷源以及多達(dá)46個通用I/O口，而且還具有看門狗、實(shí)時時鐘等功能部件。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，使得它非常適合于協(xié)議轉(zhuǎn)換器、通信網(wǎng)關(guān)、嵌入式軟MODEM以及其它各種類型的應(yīng)用。

4.2 無線通信模塊選型

無線通信模塊是無限通信廠家把一般通信產(chǎn)品的核心部分（包括電源、微處理器、數(shù)據(jù)存儲等功能），特別是把技術(shù)難度最大的射頻部分和高頻電路部分集成在一起的通信模塊。目前市面上無線通信模塊的主要生產(chǎn)廠家有Motorola、Siemens、Wavecom、中興、明基、華為等，主流產(chǎn)品有MC39i、M23、MC55、Q2403A、GR47等，在考慮性價比等情況下最終選用Siemens公司生產(chǎn)的MC55。

MC55模塊是目前市場上尺寸最小的三頻模塊（支持900、1800和1900MHz三種頻段），它除了具有GSM模塊原有的功能外，還支持分組業(yè)務(wù)功能，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，具有很高的易用性和可靠性，很適合在無線終端中作為通訊模塊。主要功能如下：

1）支持IP地址和域名訪問；

2）用于GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最大為1500字節(jié)，完全滿足灌區(qū)氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅?/p>

3）支持AT控制指令，可以通過控制器串口發(fā)送AT指令直接對模塊進(jìn)行控制；

4）可配置，使得外部輸入、輸出接口提供的外部控制應(yīng)用更有效；

5）內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，不需要應(yīng)用程序廠商執(zhí)行自己的 TCP/IP和PPP辦議棧，便能通過GPRS網(wǎng)和Internet上的PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以最大程度的縮短GPRS產(chǎn)品的研發(fā)周期；

6）重量輕、體積小、功耗低。

5 開發(fā)平臺的選擇

開發(fā)平臺的選擇主要包括仿真及程序編譯平臺。目前ARM處理器的編譯軟件很多，比如ADS、SDT、GCC、IAR以及Keil for ARM等等，ADS和SDT都是ARM公司自己推出的ARM集成開發(fā)工具，ADS是SDT的升級版本。本系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境選用ADS的成熟版本ADS1.2。

ADS1.2支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器，支持軟件調(diào)試及JTAG硬件仿真調(diào)試，支持匯編、C、C++源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強(qiáng)等特點(diǎn)，可以在Windows98、XP、2000以及RedHat Linux上運(yùn)行。

H-JTAG仿真器是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司開發(fā)的LPC2000系列ARM7微控制器的JTAG仿真器，支持單步、全速及斷點(diǎn)等調(diào)試功能，支持ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境，支持下載程序到片內(nèi)FLASH和特定型號的片外FLASH，采用ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG仿真調(diào)試接口[2]。我們選擇其作為本系統(tǒng)的仿真和調(diào)試工具。

[1] GPRS/CDMA應(yīng)用方案.http://www.emtronix.com/case/case2008193.htm1.

[2] 周立功.EasyARM2100開發(fā)套件用戶指南[M].廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.2004.

TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0041-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).16

2010-09-23

趙秀芝（1978 -），女， 浙蒼人，講師，碩士，研究方向?yàn)橥ㄐ抛詣踊?/p>