基于GPRS的灌區自動氣象監測系統的總體方案設計

趙秀芝

ZHAO Xiu-zhi

（浙江工貿職業技術學院，溫州 325000）

基于GPRS的灌區自動氣象監測系統的總體方案設計

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

趙秀芝

ZHAO Xiu-zhi

（浙江工貿職業技術學院，溫州 325000）

GPRS（General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的簡稱，是基于GSM的新型移動分組數據承載業務。比現有GSM網具有更高的數據率，并具有接入時間短、“永遠在線”、費用低、網絡資源利用率高、覆蓋范圍廣等優點，特別適合頻繁、突發性的小流量數據傳輸，很好地適應了不便于布線的灌區、傳輸數據流量不大、水文監測等場地。

灌區；氣象監測；ARM；方案設計

1 灌區自動氣象監測系統的總體功能要求

1）現場自動氣象站要求能夠自動采集溫度、濕度、風速、風向等多個氣象要素，各要素的測量應達到中國氣象局的《地面有線綜合遙測氣象儀觀測規范》要求。

2）現場自動氣象站具有實時時鐘，按時間順序記錄歷史數據，至少有記錄1天歷史數據的存儲容量，有條件的可以預留海量數據存儲接口。

3）現場自動氣象站能夠將自動采集的各氣象參數按規定的格式要求上傳給氣象數據中心。

4）現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，并盡量避免因網絡出現故障而丟失數據。

5）氣象數據中心能夠實時監測來自各測點的氣象數據，并具有實時顯示、歷史數據庫查看、數據導出等功能。

6）現場自動氣象站各項設備要符合結構簡單、工作可靠、低功耗的原則，所有設備能夠在無人值守的條件下工作。

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

8）網絡通信暢通率應大于95%，系統誤碼率應小于6×10-5。

2 灌區自動氣象監測系統的總體框架

灌區氣象自動監測系統采用“集中處理，分散監測”的模式進行設計，整個系統由GPRS通信網絡和氣象數據中心、現場自動氣象站二大部分構成，系統總體結構如圖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特定監測點，通過各種傳感器對灌區氣象參數進行采集；同時將采集到的氣象數據進行分析、預處理以及存儲；并通過GPRS模塊建立通信鏈路，實現數據的無線傳輸。

GPRS通信網絡是氣象數據中心與現場自動氣象站數據傳輸的紐帶，現場自動氣象站采集到的氣象參數通過各自的GPRS數據終端打成IP包，經由GPRS模塊接入無線GPRS網絡，由移動服務商轉接到Internet，最終通過各種網關和路由到達氣象數據處理中心。

氣象數據中心是系統的監控中心，從灌區各監測點發回的氣象數據在監控中心存儲并顯示，供灌區相關管理部門查看，同時可以以Access數據庫表的形式將各氣象數據整理后保存。它由一臺可以上位機軟件和登陸公網的PC機構成。一方面氣象數據中心通過現場自動氣象站與GPRS網絡進行雙向通信收發數據，另一方面進行數據庫管理等服務。各測點的氣象參數可以通過上位機軟件為用戶提供的可視化界面進行實時監測。通過此軟件，可查詢歷史數據庫，查看各測點氣象信息的歷史記錄和統計曲線，從而清楚地了解觀測點的綜合氣象信息。

圖1 系統結構圖

3 GPRS組網方式及應用類型選擇

3.1 GPRS組網方式選擇

針對灌區而言，到底采用何種方式比較經濟、合適，應該根據灌區自身特點和應用需求來確定。由于系統對網絡通信暢通率要求較高，因此不能選擇GPRS內網組網方式；由于受經費以及試驗條件的限制，也不可能選擇專線組網方式；由于是個人試驗，不是以企業名義，所以向本地電信部門申請公網固定IP有困難。綜合考慮各方面因素，最后決定采用質量較為穩定，通信速度適中，通信費用低，而且網絡建設工作量小的ADSL撥號方式組網。

3.2 GPRS應用類型選擇

一般來講，GPRS無線數據通信技術的應用可以分為兩種類型，一種是標準的客戶端/服務器應用模式(C/S)，另一種是無線網關應用模式。以下簡要介紹一下兩種應用類型各自的特點[1]。

3.2.1 客戶端/服務器的應用模式

在客戶端/服務器模式的應用中，客戶端一般是以嵌入式計算機為核心單元的處理器；服務器端一般是用戶建立的數據中心。服務器的用戶數據中心在該模式下需要有固定的IP地址，或利用動態DNS轉換的固定域名地址，這樣客戶端才可以方便的獲得服務器的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+動態域名解析；一種是申請固定IP。用戶數據中心服務器采用標準的網絡通信程序，可以通過相關軟件工具來設計。

3.2.2 無線網關的應用模式

在無線網關模式的應用中，需要有兩個網絡：另一個是外部互聯網；一個是內部局域網。在該模式下，通常以嵌入式計算機作為無線網關，并配置一個內部局域網IP，再通過PPP配置獲得外部互聯網的動態IP。對內網的設備，需要把無線網關的IP設置成為其網關地址，這樣當內網設備訪問互聯網時，數據將被傳輸到網關，NAT協議則用自己的外網IP和隨機生成的端口號代替內網設備的IP以及端口號，并通過無線信道發送到互聯網上的目標節點，同時在網關內部建立IP和端口映射表，當網關收到來自互聯網的數據時，就根據映射表查出內網的IP及端口號，并把數據傳送到該設備。

本系統屬于GPRS的第一種應用類型，即客戶端/服務器應用模式。

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，是灌區自動氣象監測系統的核心，它的選擇將對監測系統功能的實現產生決定性的影響。在選擇微控制器時，一般應從其處理速度、中斷處理能力、內部寄存器的種類數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、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)原理而設計的，可以實現實時的中斷響應和很高的指令吞吐量。由于采用流水線技術，處理和存儲系統的所有部分都可以連續工作，獨特的加速結構和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行。

LPC2114帶有16K靜態RAM、128KB嵌入的高速Flash存儲器，內置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轉換、12個外部中斷源以及多達46個通用I/O口，而且還具有看門狗、實時時鐘等功能部件。由于內置了寬范圍的串行通信接口，使得它非常適合于協議轉換器、通信網關、嵌入式軟MODEM以及其它各種類型的應用。

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品的核心部分（包括電源、微處理器、數據存儲等功能），特別是把技術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廠家有Motorola、Siemens、Wavecom、中興、明基、華為等，主流產品有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，還支持分組業務功能，內嵌TCP/IP協議，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數據傳輸的數據包最大為1500字節，完全滿足灌區氣象數據傳輸的要求；

3）支持AT控制指令，可以通過控制器串口發送AT指令直接對模塊進行控制；

4）可配置，使得外部輸入、輸出接口提供的外部控制應用更有效；

5）內嵌TCP/IP協議，不需要應用程序廠商執行自己的 TCP/IP和PPP辦議棧，便能通過GPRS網和Internet上的PC機進行數據交換，可以最大程度的縮短GPRS產品的研發周期；

6）重量輕、體積小、功耗低。

5 開發平臺的選擇

開發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集成開發工具，ADS是SDT的升級版本。本系統集成開發環境選用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，支持軟件調試及JTAG硬件仿真調試，支持匯編、C、C++源程序，具有編譯效率高、系統庫功能強等特點，可以在Windows98、XP、2000以及RedHat Linux上運行。

H-JTAG仿真器是廣州周立功單片機發展有限公司開發的LPC2000系列ARM7微控制器的JTAG仿真器，支持單步、全速及斷點等調試功能，支持ADS1.2集成開發環境，支持下載程序到片內FLASH和特定型號的片外FLASH，采用ARM公司提出的標準20腳JTAG仿真調試接口[2]。我們選擇其作為本系統的仿真和調試工具。

[1] GPRS/CDMA應用方案.http://www.emtronix.com/case/case2008193.htm1.

[2] 周立功.EasyARM2100開發套件用戶指南[M].廣州周立功單片機發展有限公司.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，研究方向為通信自動化。