基于GPRS的機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王輝

（中國(guó)民航飛行校驗(yàn)中心，北京 100621）

基于GPRS的機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王輝

（中國(guó)民航飛行校驗(yàn)中心，北京 100621）

基于GPRS的機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)的定時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。闡明了系統(tǒng)的通信方式，硬件和軟件構(gòu)成。在VC++環(huán)境下完成對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)中心DSC（Data Service Center）和數(shù)據(jù)發(fā)送終端的編程。通過(guò)無(wú)線傳輸單元DTU（Data Terminal Unit）將采集的機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SC，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)為機(jī)場(chǎng)跑道除冰、雪奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

GPRS；機(jī)場(chǎng)氣象；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線傳輸

0 引言

為了保障飛機(jī)飛行安全，民航局規(guī)定，任何飛機(jī)都不能帶冰、雪、霜起飛。但由于很多地區(qū)冬季氣溫低，相對(duì)濕度大，飛機(jī)表面很容易結(jié)冰，這嚴(yán)重影響飛機(jī)的飛行安全和航班效率。根據(jù)積冰的嚴(yán)重程度，航空公司通常會(huì)有不同的應(yīng)對(duì)措施。當(dāng)機(jī)場(chǎng)的積冰程度不嚴(yán)重時(shí)，可以使用除冰/防冰設(shè)備對(duì)航班飛機(jī)進(jìn)行除冰和防冰作業(yè)，保證航班順利飛行；當(dāng)積冰程度很嚴(yán)重時(shí)，只能修改航班。如果能提前了解機(jī)場(chǎng)氣象，并進(jìn)行積冰預(yù)測(cè)，進(jìn)而提前安排好除冰計(jì)劃和航班調(diào)度，這樣就能最大程度地提高航班效率。

針對(duì)以上實(shí)際問(wèn)題的需要，本文設(shè)計(jì)了機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)，將氣象變送器采集的氣象信息儲(chǔ)存在下位機(jī)上，通過(guò)串口編程借助DTU將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心，作為積冰預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)源。這些信息作為除冰項(xiàng)目信息來(lái)源的一部分存入數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)場(chǎng)的氣象條件，為除冰/防冰計(jì)劃做好準(zhǔn)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體由四部分組成：氣象變送器、下位機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、無(wú)線通信模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)接收模塊[1]。通過(guò)帶有多參數(shù)傳感器的氣象變送器采集溫度、濕度和風(fēng)力等信息，經(jīng)下位機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將信息發(fā)送到串口，DTU將串口中的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，上位機(jī)通過(guò)訪問(wèn)Internet與DTU建立連接，從而DSC接收到信息并將其輸出到文本文檔中，以便后期將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 硬件組成

2.1 組網(wǎng)方式

（1）Internet結(jié)合固定IP地址。數(shù)據(jù)服務(wù)中心的計(jì)算機(jī)可以連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，并且擁有固定的IP地址。這種情況下，下位機(jī)的DTU可通過(guò)設(shè)置DSC的固定IP地址與其建立連接。此方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要在上位機(jī)運(yùn)行域名解析軟件就能接收到采集的數(shù)據(jù)，另外，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，不易出現(xiàn)掉線現(xiàn)象。缺點(diǎn)是申請(qǐng)固定IP的費(fèi)用相對(duì)較高。固定IP的組網(wǎng)方式如圖1所示。

（2）使用VPN專網(wǎng)。如果數(shù)據(jù)服務(wù)中心的計(jì)算機(jī)不具備上網(wǎng)的條件或者有數(shù)據(jù)保密性的需要，可以通過(guò)申請(qǐng)VPN專網(wǎng)業(yè)務(wù)來(lái)組網(wǎng)。上位機(jī)端使用配備專網(wǎng)卡的路由器上專網(wǎng)，DTU里面的手機(jī)卡允許申請(qǐng)開(kāi)通專網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這樣DTU和服務(wù)器就處于同一網(wǎng)絡(luò)中，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是組網(wǎng)方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，缺點(diǎn)是增加了硬件成本和申請(qǐng)VPN專網(wǎng)的費(fèi)用。使用VPN專網(wǎng)的組網(wǎng)方式如圖2所示。

圖1 固定IP組網(wǎng)Fig.1 Fixed IP network

圖2 VPN專網(wǎng)組網(wǎng)Fig.2 VPN private network

（3）Internet結(jié)合動(dòng)態(tài)域名。 由于固定IP的缺乏，現(xiàn)在大多數(shù)計(jì)算機(jī)是通過(guò)動(dòng)態(tài)分配的IP來(lái)上網(wǎng)的，每次重啟計(jì)算機(jī)得到的IP地址都是不固定的。這種情況下需要使用動(dòng)態(tài)域名的組網(wǎng)方式，在數(shù)據(jù)服務(wù)中心端安裝運(yùn)行動(dòng)態(tài)域名解析軟件客戶端，該軟件把每次分配的動(dòng)態(tài)IP地址發(fā)送到第三方域名解析服務(wù)器。DTU中設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)中心的域名，通過(guò)訪問(wèn)解析服務(wù)器獲得的對(duì)應(yīng)IP地址建立連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。該方式可以節(jié)省申請(qǐng)固定IP的費(fèi)用，但其穩(wěn)定性要受域名解析服務(wù)器的限制。使用動(dòng)態(tài)域名的組網(wǎng)方式如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)域名組網(wǎng)Fig.3 Dynamic domain network

除了上述三種較為常見(jiàn)的組網(wǎng)方式外，還有一種是通過(guò)在客戶和移動(dòng)公司之間拉一條APN專線，雙方采用私有固定IP運(yùn)行連接，這種方式的數(shù)據(jù)保密性和傳輸穩(wěn)定性都是最好的，當(dāng)價(jià)格昂貴，此處不做詳細(xì)介紹。

根據(jù)實(shí)際需求，綜合上述幾種組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇動(dòng)態(tài)域名的組網(wǎng)方式。數(shù)據(jù)服務(wù)中心端采用電信3G無(wú)線上網(wǎng)卡連接Internet。

2.2 數(shù)據(jù)終端模塊（DTU）

（1）DTU結(jié)構(gòu)。DTU是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)暮诵哪K，它主要包括接口模塊、電源模塊和功能模塊。

接口模塊：SIM卡接口用于安裝移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的手機(jī)卡，并且手機(jī)卡已開(kāi)通GPRS業(yè)務(wù)，用于連接撥號(hào)、注冊(cè)登錄數(shù)據(jù)服務(wù)中心和數(shù)據(jù)的收發(fā)。通用串口包括RS232、RS485和RS422，用于DTU與計(jì)算機(jī)的連接和數(shù)據(jù)的交互。射頻接口內(nèi)部連接射頻模塊，用于發(fā)射和接收電磁波信號(hào)，外部連接天線，使發(fā)射和接收的電磁波更遠(yuǎn)，同時(shí)能夠避免射頻部分阻抗失配，損壞無(wú)線模塊。

電源模塊：DTU應(yīng)用的外部環(huán)境比較復(fù)雜，通常電源的變化范圍都比較大，為了很好地自適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，采用了先進(jìn)的電源技術(shù)。外接直流電源的范圍在5～26V之間，可根據(jù)外部供電電源的負(fù)載能力來(lái)選擇。電源模塊用于給功能模塊供電，以實(shí)現(xiàn)對(duì)命令和數(shù)據(jù)的控制、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。

功能模塊：I/O控制器負(fù)責(zé)DTU模塊中命令和數(shù)據(jù)的輸入與輸出，是DTU與外界交互的基礎(chǔ)模塊。AD轉(zhuǎn)換器用于模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。實(shí)時(shí)時(shí)鐘是DTU內(nèi)部實(shí)現(xiàn)定時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)中心狀態(tài)和定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)等功能的模塊。處理器是DTU的核心模塊，它負(fù)責(zé)各種控制命令的下達(dá)和各模塊的協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)管理主要是指DTU內(nèi)部的寄存器，用于暫時(shí)存放接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)。

（2）DTU配置。要實(shí)現(xiàn)DTU與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，首先要對(duì)端口參數(shù)和DTU參數(shù)進(jìn)行正確的配置，用戶可以使用超級(jí)終端或串口調(diào)試助手對(duì)DTU進(jìn)行參數(shù)配置。加電前，確認(rèn)DTU電源電纜正確連接，并且務(wù)必連接天線，以免射頻部分阻抗失配，從而損壞無(wú)線模塊[2,3]。

DTU模塊中除了配置本地的一些參數(shù)外，還需要設(shè)置數(shù)據(jù)服務(wù)中心的相關(guān)信息，通過(guò)開(kāi)通數(shù)據(jù)流量的手機(jī)卡撥號(hào)建立連接。相關(guān)的參數(shù)配置如表1所示。

表1 DTU參數(shù)配置列表Tab.1 DTU parameter configuration list

DTU屬智能性數(shù)據(jù)通信終端，安裝設(shè)置完成后，接入用戶數(shù)據(jù)源即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并且用戶可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置DTU的發(fā)送時(shí)間間隔和數(shù)據(jù)包的大小正常運(yùn)行時(shí)無(wú)需用戶介入，可以為用戶構(gòu)建全透明傳輸、永遠(yuǎn)在線的數(shù)據(jù)專用網(wǎng)絡(luò)[4,5]。

2.3 氣象變送器

氣象變送器是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心組成部分，它能提供包括風(fēng)速、風(fēng)向、降水、氣壓、溫度和相對(duì)濕度在內(nèi)的六種氣象參數(shù)，其中溫度、濕度和風(fēng)速是積冰預(yù)測(cè)的主要依據(jù)。氣象變送器將采集的氣象參數(shù)存儲(chǔ)在下位機(jī)電腦，然后通過(guò)DTU發(fā)送到服務(wù)器，進(jìn)而為積冰預(yù)測(cè)做準(zhǔn)備。

氣象變送器測(cè)量風(fēng)的原理：風(fēng)傳感器有三個(gè)等間距的超聲波變換器位于同一水平面上，它們組成一個(gè)變換器陣列。通過(guò)測(cè)量超聲波從一個(gè)變換器傳播到另外兩個(gè)變換器所用的時(shí)間來(lái)確定風(fēng)速和風(fēng)向。

氣象變送器測(cè)量溫度和濕度的原理：溫度和濕度傳感器的測(cè)量原理基于兩個(gè)基準(zhǔn)電容器，這些傳感器的電容將根據(jù)這兩個(gè)基準(zhǔn)電容器持續(xù)測(cè)量。變送器的微處理器會(huì)針對(duì)濕度傳感器的溫度依賴性進(jìn)行補(bǔ)償。

氣象變送器所需的外部電源是5～32V的直流電源，可以通過(guò)電腦端的USB進(jìn)行供電，這樣既可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，又不必額外增加電源。

3 軟件組成

本系統(tǒng)中軟件部分包括下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)。所需軟件都是在VC++環(huán)境下編譯。

3.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序

本程序中主要涉及到數(shù)據(jù)的分行讀取和定時(shí)器等函數(shù)。該函數(shù)的作用是定時(shí)讀取氣象變送器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到計(jì)算機(jī)的串口，再經(jīng)過(guò)DTU無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。首先，設(shè)置串口參數(shù)，以便DTU讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送；然后設(shè)置定時(shí)發(fā)送時(shí)間，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)文本的發(fā)送。

3.2 上位機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)中心程序

本程序能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)DTU參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置以及控制DTU的下線，并能夠通過(guò)借助Internet網(wǎng)絡(luò)接收DTU發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件中，便于結(jié)冰預(yù)測(cè)的使用。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送測(cè)試

為DTU安裝上開(kāi)通GPRS流量的SIM卡，然后接通24V直流電壓，DTU設(shè)備上的數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈閃爍，表明DTU正常讀取串口數(shù)據(jù)并將其發(fā)送出去。氣象變送器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式如圖4所示，數(shù)據(jù)中包括數(shù)據(jù)采集的時(shí)間、環(huán)境溫度、濕度以及壓力。

圖4 氣象變送器生成的數(shù)據(jù)Fig.4 Data generated by weather transmitter

4.2 上位機(jī)數(shù)據(jù)接收測(cè)試

圖5 是上位機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)中心接收數(shù)據(jù)的界面。當(dāng)DTU上線后會(huì)完成注冊(cè)，只要數(shù)據(jù)服務(wù)中心端能夠連接互聯(lián)網(wǎng)，就能正常接收數(shù)據(jù)，在軟件界面實(shí)時(shí)顯示并將接收的數(shù)據(jù)保存成文件。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心采集的數(shù)據(jù)和監(jiān)控界面Fig.5 Remote monitoring center and monitoring interface

5 結(jié)束語(yǔ)

以上提出了一種基于GPRS的機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方案，設(shè)計(jì)了一套無(wú)線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好，組網(wǎng)方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，能夠及時(shí)穩(wěn)定的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

[1]李文志，王得水.機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)裝機(jī)工程實(shí)踐探討[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2014，1.

[2]廉小親，張曉力，段振剛，等.基于GPRS的光伏發(fā)電遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2011，5.

[3]陳琦，丁天懷，李成.基于GPRS/GSM的低功耗無(wú)線遠(yuǎn)程測(cè)控終端設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，2.

[4]伍連明，陳世元.基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，25.

[5]賀迅宇.基于GPRS的整流裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008，8.

Design of Airport Meteorological Data Wireless Transmission System Based on GPRS

WANG Hui
（Flight Inspection Center of CAAC,Beijing 100621,China）

Airport meteorological data wireless transmission system based on GPRS can be used to achieve airport meteorological real-time data acquisition and remote monitoring.The communication model,hardware and software configuration was stated.The DCS and the data transmitting terminal programming were completed based on VC platform.The real-time and stability of the system were verified using test data Through the wireless?transmission unit DTU(Data Terminal Unit).The system could provide technology for airport deicing in winter.

GPRS；airport meteorology；data acquisition；wireless transmission

TP27

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.049

1002－6673（2014）03－129－03

2014－04－04

王輝（1982-），男，學(xué)士學(xué)位，飛機(jī)維修電子工程師。