基于GPRS的灌区自动气象监测系统的总体方案设计

赵秀芝

ZHAO Xiu-zhi

（浙江工贸职业技术学院，温州 325000）

基于GPRS的灌区自动气象监测系统的总体方案设计

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

赵秀芝

ZHAO Xiu-zhi

（浙江工贸职业技术学院，温州 325000）

GPRS（General Packet Radio Service)是通用分组无线业务的简称，是基于GSM的新型移动分组数据承载业务。比现有GSM网具有更高的数据率，并具有接入时间短、“永远在线”、费用低、网络资源利用率高、覆盖范围广等优点，特别适合频繁、突发性的小流量数据传输，很好地适应了不便于布线的灌区、传输数据流量不大、水文监测等场地。

灌区；气象监测；ARM；方案设计

1 灌区自动气象监测系统的总体功能要求

1）现场自动气象站要求能够自动采集温度、湿度、风速、风向等多个气象要素，各要素的测量应达到中国气象局的《地面有线综合遥测气象仪观测规范》要求。

2）现场自动气象站具有实时时钟，按时间顺序记录历史数据，至少有记录1天历史数据的存储容量，有条件的可以预留海量数据存储接口。

3）现场自动气象站能够将自动采集的各气象参数按规定的格式要求上传给气象数据中心。

4）现场自动气象站能够在潮湿、干燥、低温等恶劣天气情况下可靠的长期工作，并尽量避免因网络出现故障而丢失数据。

5）气象数据中心能够实时监测来自各测点的气象数据，并具有实时显示、历史数据库查看、数据导出等功能。

6）现场自动气象站各项设备要符合结构简单、工作可靠、低功耗的原则，所有设备能够在无人值守的条件下工作。

7）现场自动气象站具有能够直接与PC机的RS232接口通信的功能以及与移动通讯网(GPRS)的通讯接口。

8）网络通信畅通率应大于95%，系统误码率应小于6×10-5。

2 灌区自动气象监测系统的总体框架

灌区气象自动监测系统采用“集中处理，分散监测”的模式进行设计，整个系统由GPRS通信网络和气象数据中心、现场自动气象站二大部分构成，系统总体结构如图3-1所示。

自动气象站包括两大部分：一是GPRS通信模块，二是采集模块。自动气象站安装在灌区特定监测点，通过各种传感器对灌区气象参数进行采集；同时将采集到的气象数据进行分析、预处理以及存储；并通过GPRS模块建立通信链路，实现数据的无线传输。

GPRS通信网络是气象数据中心与现场自动气象站数据传输的纽带，现场自动气象站采集到的气象参数通过各自的GPRS数据终端打成IP包，经由GPRS模块接入无线GPRS网络，由移动服务商转接到Internet，最终通过各种网关和路由到达气象数据处理中心。

气象数据中心是系统的监控中心，从灌区各监测点发回的气象数据在监控中心存储并显示，供灌区相关管理部门查看，同时可以以Access数据库表的形式将各气象数据整理后保存。它由一台可以上位机软件和登陆公网的PC机构成。一方面气象数据中心通过现场自动气象站与GPRS网络进行双向通信收发数据，另一方面进行数据库管理等服务。各测点的气象参数可以通过上位机软件为用户提供的可视化界面进行实时监测。通过此软件，可查询历史数据库，查看各测点气象信息的历史记录和统计曲线，从而清楚地了解观测点的综合气象信息。

图1 系统结构图

3 GPRS组网方式及应用类型选择

3.1 GPRS组网方式选择

针对灌区而言，到底采用何种方式比较经济、合适，应该根据灌区自身特点和应用需求来确定。由于系统对网络通信畅通率要求较高，因此不能选择GPRS内网组网方式；由于受经费以及试验条件的限制，也不可能选择专线组网方式；由于是个人试验，不是以企业名义，所以向本地电信部门申请公网固定IP有困难。综合考虑各方面因素，最后决定采用质量较为稳定，通信速度适中，通信费用低，而且网络建设工作量小的ADSL拨号方式组网。

3.2 GPRS应用类型选择

一般来讲，GPRS无线数据通信技术的应用可以分为两种类型，一种是标准的客户端/服务器应用模式(C/S)，另一种是无线网关应用模式。以下简要介绍一下两种应用类型各自的特点[1]。

3.2.1 客户端/服务器的应用模式

在客户端/服务器模式的应用中，客户端一般是以嵌入式计算机为核心单元的处理器；服务器端一般是用户建立的数据中心。服务器的用户数据中心在该模式下需要有固定的IP地址，或利用动态DNS转换的固定域名地址，这样客户端才可以方便的获得服务器的IP地址，并且建立TCP连接。

获得IP地址的方式主要有两种：一种是ADSL上网+动态域名解析；一种是申请固定IP。用户数据中心服务器采用标准的网络通信程序，可以通过相关软件工具来设计。

3.2.2 无线网关的应用模式

在无线网关模式的应用中，需要有两个网络：另一个是外部互联网；一个是内部局域网。在该模式下，通常以嵌入式计算机作为无线网关，并配置一个内部局域网IP，再通过PPP配置获得外部互联网的动态IP。对内网的设备，需要把无线网关的IP设置成为其网关地址，这样当内网设备访问互联网时，数据将被传输到网关，NAT协议则用自己的外网IP和随机生成的端口号代替内网设备的IP以及端口号，并通过无线信道发送到互联网上的目标节点，同时在网关内部建立IP和端口映射表，当网关收到来自互联网的数据时，就根据映射表查出内网的IP及端口号，并把数据传送到该设备。

本系统属于GPRS的第一种应用类型，即客户端/服务器应用模式。

4 主控模块和GPRS通信模块选型

4.1 主控模块选型

主控模块也就是常说的微控制器，是灌区自动气象监测系统的核心，它的选择将对监测系统功能的实现产生决定性的影响。在选择微控制器时，一般应从其处理速度、中断处理能力、内部寄存器的种类数量及外围电路等方面来考虑。

目前常用的微控制器有51、MSP430、PIC、AVR系列单片机、ARM9、ARM7以及DSP等等。综合各方面因素后，选用PHILIPS公司LPC系列单片32位ARM微控制器LPC2114，它是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器。

ARM7TDMI-S是通用的32位微处理器，具有低功耗和高性能的特性，是基于精简指令集(RISC)原理而设计的，可以实现实时的中断响应和很高的指令吞吐量。由于采用流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可以连续工作，独特的加速结构和128位宽度的存储器接口使32位代码能够在最大时钟速率下运行。

LPC2114带有16K静态RAM、128KB嵌入的高速Flash存储器，内置2个32位定时器、2路串行接口、2个低功耗模式、6路PWM输出、4路10位A/D转换、12个外部中断源以及多达46个通用I/O口，而且还具有看门狗、实时时钟等功能部件。由于内置了宽范围的串行通信接口，使得它非常适合于协议转换器、通信网关、嵌入式软MODEM以及其它各种类型的应用。

4.2 无线通信模块选型

无线通信模块是无限通信厂家把一般通信产品的核心部分（包括电源、微处理器、数据存储等功能），特别是把技术难度最大的射频部分和高频电路部分集成在一起的通信模块。目前市面上无线通信模块的主要生产厂家有Motorola、Siemens、Wavecom、中兴、明基、华为等，主流产品有MC39i、M23、MC55、Q2403A、GR47等，在考虑性价比等情况下最终选用Siemens公司生产的MC55。

MC55模块是目前市场上尺寸最小的三频模块（支持900、1800和1900MHz三种频段），它除了具有GSM模块原有的功能外，还支持分组业务功能，内嵌TCP/IP协议，具有很高的易用性和可靠性，很适合在无线终端中作为通讯模块。主要功能如下：

1）支持IP地址和域名访问；

2）用于GPRS数据传输的数据包最大为1500字节，完全满足灌区气象数据传输的要求；

3）支持AT控制指令，可以通过控制器串口发送AT指令直接对模块进行控制；

4）可配置，使得外部输入、输出接口提供的外部控制应用更有效；

5）内嵌TCP/IP协议，不需要应用程序厂商执行自己的 TCP/IP和PPP办议栈，便能通过GPRS网和Internet上的PC机进行数据交换，可以最大程度的缩短GPRS产品的研发周期；

6）重量轻、体积小、功耗低。

5 开发平台的选择

开发平台的选择主要包括仿真及程序编译平台。目前ARM处理器的编译软件很多，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集成开发工具，ADS是SDT的升级版本。本系统集成开发环境选用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，支持软件调试及JTAG硬件仿真调试，支持汇编、C、C++源程序，具有编译效率高、系统库功能强等特点，可以在Windows98、XP、2000以及RedHat Linux上运行。

H-JTAG仿真器是广州周立功单片机发展有限公司开发的LPC2000系列ARM7微控制器的JTAG仿真器，支持单步、全速及断点等调试功能，支持ADS1.2集成开发环境，支持下载程序到片内FLASH和特定型号的片外FLASH，采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口[2]。我们选择其作为本系统的仿真和调试工具。

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

[2] 周立功.EasyARM2100开发套件用户指南[M].广州周立功单片机发展有限公司.2004.

TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0041-03

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

2010-09-23

赵秀芝（1978 -），女， 浙苍人，讲师，硕士，研究方向为通信自动化。