基于GPRS的高炮作业信息自动采集管理系统

2015-06-29祁红彦刘立兵陈嘉沛许德生

成都信息工程大学学报 2015年6期

祁红彦，刘立兵，陈嘉沛，许德生

(1.成都市气象局，四川成都610072;2.成都润联科技有限公司，四川成都610045)

0 引言

在人工影响天气业务工作中，高炮作为主要的地面播撒工具在防雹增雨、消云减雨等人工影响天气活动中发挥重要作用［1-4］。经过50多年的发展，中国人工影响天气作业规模发展迅速，作业频次逐渐增加，基层人影作业点的信息上报大多采用电台口述方式，且因高炮作业人员素质层次不齐以及无线电应用范围的不断扩展，在上报作业信息时易出现噪音大、音频丢失和失真现象，使指挥人员较难实时掌握作业现场情况，降低作业效率［5-6］。

GPRS是在GSM基础上发展而来的数据传输网络，具有覆盖范围广、数据传输快、实时性强、通信质量高、费用低的优点，并可直接与Internet互通，较好地满足人工影响天气作业通信的需要［7-9］。通过在地面高炮作业终端架设仰角采集器、方位角和用弹量监测模块，利用GPRS无线传输技术，作业完成后自动将作业时的仰角、方位角、用弹量和起止时间等作业信息上传到中心服务器端的数据库中，并通过Web页面在GIS上展现各作业点的实况信息，有利于指挥人员在大规模指挥地面高炮作业时，实时动态掌握各个高炮点的作业状态［10-13］。

针对目前地面高炮在人工影响天气作业数据信息采集中的随意性和模糊性［14-15］，研发的基于GPRS的高炮作业信息自动采集管理系统已在成都市人工影响天气业务中投入应用，该系统利用传感采集技术、自动控制技术、宽带网络及无线通信技术，结合Web、GIS、数据库等计算机应用技术，依托设备物联网技术，搭建高炮作业信息采集前端和客户端的作业信息收集处理平台，实现成都市人工影响天气作业采集与管理的现代化功能。

1 系统设计

1.1 硬件设计

高炮作业信息自动采集终端由方位角采集器、仰角采集器、用弹量监测模块以及配套供电电源组成，各设备性能指标如表1所示。采集终端及附件具有防雷击措施，能够在-30℃ ～70℃正常工作，具备防水功能，安装及维护简捷方便，内置锂电池达到2000 MAH以上，采用民用充电方式进行充电。作业信息采集终端的仰角监测模块基于微机电系统的高精度、高灵敏度传感器，内部集成MCU(微控制单元)，采用滤波算法，确保仰角数据的可靠性，通过工业RF(433M无线通讯)短距离传输给方位角内的集成通讯模块。用弹量的测量采用三轴重力加速度传感器监测射击动作，利用光电传感器记录弹壳的数量，再通过485总线连接到方位角集成处理器上。方位角测量基于微机电系统的传感器配合高精度角位移测量传感器，通过数据融合算法，实时监测高炮当前方位，系统采样频率达到1KHz以上，最终通过GPRS通讯模块将设备的状态及作业信息上传到人影指挥中心服务器上，采集终端的硬件架构如图1所示。

表1 高炮作业信息采集终端参数表

图1 高炮作业信息采集终端设计架构

1.2 软件设计

高炮作业信息自动采集管理系统采用C++编写，完成作业信息采集、数据传输、人影显示终端数据库的开发，并以Web呈现设备信息和作业信息，程序流程图如图2所示。作业前打开采集终端设备，完成初始化并注册到服务器，用弹量监测模块监测到有发射动作时，记录当前的仰角、方位角、作业时间等信息，通过GPRS通讯方式发送到人影指挥终端的数据库服务器，系统中心平台将作业信息通过手机短信方式向相关人员发送，也可通过Web网页的方式查看作业及设备信息。

图2 高炮作业信息采集管理系统程序流程

通过GPRS模块传输，需对GPRS模块进行设置以下参数:(1)ID号:用以区分不同的高炮作业点采集终端;(2)重拨时间间隔:GPRS模块连接到GPRS网络上，启动每一轮连接的时间间隔;(3)端口和IP地址:设置人影指挥中心平台的端口和主机IP地址;(4)手机号:系统通过短消息将作业及设备信息发送到指定的手机用户;(5)通信端口设置:GPRS数据传输终端RS232支持多个波特率的传输方式。

2 系统组成

地面高炮作业信息自动采集管理系统由作业信息数据采集终端、GPRS数据传输网络、作业信息收集处理平台和作业信息显示与管理终端组成，系统拓扑结构如图3所示。数据采集终端把接收到的方位角、仰角、用弹量、作业起止时间等信息通过GPRS模块，实现与GPRS网络的连接，作业信息经服务支持节点(SGSN)封装后通过GPRS骨干网与网关支持接点(GGSN)进行通信，发送至目标网络及信息收集管理平台服务器，客户终端可以通过手机查看实时作业信息，也可以Web形式登陆服务器查看作业数据，并可对作业信息进行查询管理等操作。

图3 高炮作业信息采集管理系统拓扑图

2.1 地面作业信息管理

地面作业信息管理自动接收处理由信息采集终端发送的作业信息，实时呈现在作业信息列表中，实现了国家编码、作业点代号及名称、作业信息等要素的及时上传，在审核通过后存入数据库中。另外，可以通过人工方式对数据进行维护，具有新增、编辑、删除、导入、导出数据等功能，利用查询条件，实现了作业点所属区市县、作业类别、作业时间、作业工具的统计功能，快速对各类数据进行统计汇总。

2.2 设备信息管理

设备管理可查看作业点数据采集终端的设备信息，包括使用的设备名称、仰角和方位角的电量状态、通讯状况等相关的设备信息。依据设备所属站点、设备类型、设备名称、设备编号进行模糊查询，并以列表的形式呈现或EXCEL表格导出。同时根据设备的使用状态，可对相关数据进行编辑，方便后期的维护升级和管理服务。

2.3 基础数据管理

基础数据管理主要包括人员信息、站点信息和供应商信息管理，具有作业人员证书编号、作业性质、通讯方式、站点经纬度、作业点类型等要素的编辑、删除功能，图4为作业信息自动采集管理系统中的基础数据管理界面。

图4 基础数据管理图

3 系统测试

为判断基于GPRS的高炮作业信息自动采集管理系统在数据采集终端与管理网络之间是否能稳定高效的运行，对基于TCP协议的重要参数吞吐量和响应时间进行了测试(表2)。实验数据分析表明在测试时间30分钟内吞吐量平均为0.018 Mbps，没有发生丢包现象，而响应时间在0.7～1.3秒，平均约1秒，达到了数据传输及时高效的目的，满足业务需求。

表2 GPRS网络通信测试结果表

4 结束语

基于GPRS无线数据的远程传输特点，实现了地面高炮作业信息的自动采集，系统具有实时性高、可靠性强等特点。对GPRS信号较弱的作业点，在信息采集终端模块设置较高的天线增益或在作业点周围架设GPRS信号功率放大器，也可通过与网络服务商联系建立基站，以增强数据的无线传输能力。开发的作业信息管理服务平台通过Web方式可供人工影响天气作业指挥人员实时动态掌握作业点作业状况，高效地了解作业信息采集终端的设备状态，对各类数据的汇总统计方面提供了便捷，在各类人工影响天气业务中具有较广的推广价值和借鉴作用。

［1］杨凡，黄明政，薛允传，等.基于高分辨率卫星影像的高炮作业点安全射界图的制作［J］.气象，2008，34(4)：124-126.

［2］邵洋，刘伟，孟旭，等.人工影响天气作业装备研发和应用进展［J］.干旱气象，2014，32(4)：649-658.

［3］李宏宇，胡朝霞，肖辉，等.人工防雹实用催化方法数值研究［J］.大气科学，2003，27(2)：212-222.

［4］范广平，王建，扬继安，等.雷达与闪电定位资料在高炮人工防雹中的应用［J］.气象，2002，28(4)：40-41.

［5］郭学良，付丹红，胡朝霞.云降水物理与人工影响天气研究进展［J］，2013，37(2)：351-363.

［6］邹书平.地面人工增雨防雹作业信息采集系统［J］.气象，2011，37(3)：373-378.

［7］刘聪，顾建，吴国平，等.基于GPRS的远程气象观测数据实时采集传输系统及其应用［J］.应用气象学报，2004，15(6)：712-718.

［8］刘兴丽.基于GPRS的多要素自动气象站的设计与实现［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

［9］胡利军，冯小虎.多种连接方式在自动站数据传输中的应用［J］.气象，2008，34(7)：114-117.

［10］龙兴波，樊昌元，黄敏.人影高炮作业数据采集器的移动电源设计［J］.成都信息工程学院学报，2014，29(2)：179-185.

［11］毛节泰，郑国光.对人工影响天气若干问题的探讨［J］.应用气象学报，2006，17(5)：643-646.

［12］吴林林，刘黎平，徐海军，等.基于MICAPS 3核心的人影业务平台设计与开发［J］.气象，2013，39(3)：383-388.