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數據采集卡

基于GPRS氣象信息采集系統

發布日期：2022-04-27 點擊率：80

                                           基于GPRS網絡氣象信息采集系統應用方案
一、 需求分析
目前多數氣象局分為地、州、市級氣象局和數個氣象站(含地、州、市局、地方氣象站) ，原有的網絡省、地、縣主要通過X.25和PSTN組網，省中心帶寬為64Kbps，地縣帶寬為9.6Kbps。網絡主要用于傳輸氣象實時信息和辦公信息(內部web、notes等) 同時國家局與全國的各級臺站組建了衛星廣播網，用于衛星數字廣播。
原有氣象信息系統地面網絡建設較早，設備性能低、線路速度低、時延長，已很難滿足自動站、沙塵暴、雷達等資料傳輸的要求，很難滿足進行數據綜合傳輸的需求；衛星網覆蓋面小、速度低，且小站之間無法直接通信，限制了網絡功能。因此，構建一個更完善、更快捷、更安全的氣象廣域網絡平臺迫在眉睫。全省廣域網不僅要在速度、容量上完全滿足需求；而且需要將原本松散的網絡從規格、管理軟件、安全防護等方面進行整合和統一。并且還需要具有可擴展性，未來可以方便地進行升級。而以上的這些不足都可以通過GPRS無線網絡來實現。
二、 GPRS網絡簡介
GPRS是目前解決移動通信信息服務的一種較完美的業務，它是以數據流量計費、覆蓋范圍廣泛、數據傳輸速度更快。GPRS的推出，為行業和企業用戶開展無線辦公提供了基礎設施平臺，為推動移動辦公的應用和發展創造了有利條件。與有線網絡相比，GPRS網絡具有租用費用低、移動辦公，不受地域制約等優點。GPRS的出現為企業和行業用戶開展無線辦公提供了一種新的選擇。
GPRS通信方式更適合于氣象信息采集業務，目前氣象中心與各采集點采用X.25和PSTN進行交互傳輸，月租費太高，用電話線傳送數據按時間計費，帶來諸多不便，費用也不便宜。
三、 GPRS網絡優點
1、覆蓋范圍。構建氣象信息采集傳輸系統要求數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。由于氣象信息采集點數量眾多，分布在全省范圍內，部分氣象信息采集點位于偏僻地區，而且地理位置分散。另外，還必須考慮今后系統擴充的可能，必須具有良好的可擴展性。由于目前GPRS已覆蓋省內絕大部分地區，能夠滿足氣象信息采集傳輸系統對覆蓋范圍的要求。
2、數據傳輸速率高。每個氣象信息采集點每次數據傳輸量在10Kbps之內，目前GPRS實際數據傳輸速率在40Kbps左右，完全能滿足本系統數據傳輸速率(≥10Kbps)的需求。
3、系統的傳輸容量大。氣象中心站要和每一個氣象信息采集點實現實時連接。由于氣象信息采集點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
4、通信費用低。采用傳統的有線方式建立氣象信息采集傳輸系統，必須租用專線或電話線進行連接。由于氣象信息采集點必須與中心隨時保持連線狀態，而每次數據發送的數據量很小(在幾K至10K之間)，線路資源利用率很低，平均每一個氣象信息采集點每月的線路費用為800～1200元。而如果采用GPRS通信方式，由于GPRS采用按數據流量計費的方式，資源利用率高，月通信費用將在200元之內。
5、良好的實時響應與處理能力。與短消息服務比較，由于GPRS具有實時在線特性，系統無時延，可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
四、 解決方案與特點
鑒于氣象各部門的特殊安全性可靠性要求，氣象信息系統在總體建設上采用業務與網絡分層構建、逐層保護的指導原則，利用寬帶IP（DDN專線）＋GPRS無線網絡技術，保證網絡的互聯互通性，提供具有一定QOS的帶寬保證，所采用的設備以及網絡構架都具有良好可擴展性，可以根據后續發展的需求，在不改變現有組網方案的情況下，通過增加GPRS DTU設備，實現遠程無線數據傳輸功能。
GPRS氣象信息采集系統的網絡設計采用星型結構，在省局中心、地、州、市級氣象局和氣象站各設立核心節點。其中，省局中心作為整網核心，關系到全省氣象數據的正常傳輸，因此在省局中心設立兩臺核心服務器，一主一備。主要是考慮到骨干網絡是承載氣象重要數據和承擔其他政府重要部門的交換等功能，氣象的基礎數據是其他許多政府部門決策和執法的基礎，因此需要網絡設備可靠、穩定，另外，考慮到網絡還可用來承載氣象OA系統的需求，所以中心設備能很好的保障網絡在未來幾年的先進性和可擴展性。例如，未來到各地市的帶寬擴展到2個2M或者更多，此時只需要通過專線升級方式即可。
地市級主用通過SDH 2M接入省氣象中心的通信網絡系統，同時，充分考慮到網絡設計的安全性和可靠性。在本次設計中，市局節點到各采集點除選用APN專線作為主用外，還選用了ADSL/ISDN網作為備份鏈路。各采集點采用GPRS DTU設備接入，將采集到的各種氣象數據通過GPRS網絡及時的送到地市級氣象中心，實現快速、穩定、可靠的網絡構建。
該方案的建設既能實現全市氣象系統的信息化辦公，也實現了安全互聯互通、指揮調度、信息共享，端到端的高可靠性設計是本方案建設的特色，具體表現在以下兩個方面:
1、設備級的可靠性：在設計中，通過選擇具備高可靠性設計的網絡設備，減少設備故障率，提高網絡可靠性。設備本身的可靠性是決定整個網絡系統可靠性的主要因素。特別是采集點的GPRS設備，更是整個系統業務正常運行的重要保障。本次選取廈門四信通信科技有限公司系列的GPRS DTU設備具有高可靠性，通過了國家標準的EMC抗干擾測試，在設備級充分保障了網絡可靠性。
2、互連線路的備份設計：每個節點與其他節點之間通過多條線路連接，避免單路故障，提高網絡路徑冗余。本次地市局除選用APN專線作為主用網絡，為了提高鏈路的可靠性，還可選用了ADSL/ISDN網作為備份鏈路。
五、 系統構建拓撲
六、 F2103產品特性
F2103 GPRS DTU（下文簡稱DTU）
F2103 GPRS DTU采用高性能嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，內嵌自主知識產權的TCP/IP協議棧。為用戶提供高速，穩定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬專用網絡。針對網絡流量控制的用戶，產品支持語音，短信，數據觸發上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數據中心備份，以及多數據中心同步接收數據等功能。公司產品已廣泛應用于金融，水利，環保，電力，郵政，氣象等行業。
(一) 無線參數
1、支持EGSM900/GSM1800無線網絡
2、GPRS multi-slot class 10
3、編碼方案：CS1~CS4
4、符合SMG31bis技術規范
5、Compliant to GSM phase 2/2+
6、支持數據和短信功能
(二) 硬件系統
7、高性能RISC 嵌入式處理器，主頻100M，512K FLASH。
8、接口：
同時支持RS232/RS485串口。串口速率110~230400bits/s。
指示燈：具有電源、通信及在線指示燈。
天線接口：標準SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐。
SIM卡接口：3V/1.8V標準的推桿式用戶卡接口。
電源接口：標準的3芯火車頭電源插座。
9、供電：
外接電源：DC 12V 500mA
寬電壓供電：DC 5-35V
通信電流：<250mA (12V)
10、無線模塊
采用高性能工業級GPRS無線模塊
11、尺寸
外形尺寸：91x58.5x22 mm（不包括天線及固定件）
12、其他參數:
工作環境溫度-25~+65oC
儲存溫度 -40~+85oC
相對濕度 95%(無凝結)
(三) 軟件功能
1. 智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線。
2. 支持RSA，RC4加密算法
3. 支持虛擬數據專用網（APN）
4. 透明數據傳輸與協議轉換，支持多種工作模式
5. 支持數據中心動態域名和IP地址訪問
6. 支持雙數據中心備份
7. 支持多數據中心
8. 支持短信、語音、數據等喚醒方式以及超時斷開網絡連接。
9. 支持短消息備份及告警。
10.多重軟硬件看門狗
11.數據包傳輸狀態報告。
12.標準的AT命令界面
13.可以用做普通撥號MODEM
14.支持telnet功能。
15.支持遠程配置，遠程控制
16.通過串口軟件升級
17.同時支持LINUX和WINDOWS操作系統
七、 總結
建成后的整個氣象GPRS信息傳輸系統實現了互聯互通與共享，為氣象信息體系的完善打下了堅實的基礎，同時也將在減災脫貧及促進人與自然和諧共處等諸多方面發揮著重要的作用。
附注1：GPRS優勢
1、良好的實時響應與處理能力。與短消息服務比較，由于GPRS具有實時在線特性，系統無時延，系統能夠同時實時收取、處理多個/所有監測點的各種數據，無需輪巡就可以同步監測點的時鐘可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
2、遠程儀器設備控制：由于采用GPRS雙向傳輸系統，監控中心可以反向實現對儀器設備的時間校正、狀態報告、開關以及其他監測、控制等功能；
3、建設成本低：可充分利用現有GSM網絡，設備安裝即接通，而采用超短波通信時需要充分考慮現場環境，還需要配備天線鐵架等附屬設備。
4、安裝調試簡單，建設周期短：利用現有成熟GSM網絡，系統投入運行時基本不需要調試，安裝簡捷。采用超短波通信時安裝調試工作量大，要先進行現場信號測試，天線鐵架架設，天線方向角度調試等工作。
5、覆蓋范圍廣。構建調度監控系統要求數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。
由于監控點數量眾多，分布在全市范圍內，部分管網監控點位于偏僻地區，而且地理位置分散。采用超短波通訊方式，覆蓋范圍只有30多公里；而采用GPRS方式，理論上在無線GSM/GPRS網絡的覆蓋范圍之內，都可以實現監控。
6、數據傳輸速率高。GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，實際應用時數據傳輸速率在40Kbps左右，而目前一般的超短波數傳電臺傳送速率多為2.4kbit/s或更低。
7、系統的傳輸容量大。監控中心站要和每一個監控點實時連接。由于監控點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
8、通信費用低。由于GPRS采用包月計費的方式，運營維護成本低。
附注2：移動專線APN傳輸方式
根據企業對網絡安全的特殊要求，廈門四信通信科技有限公司設計了基于GPRS網絡的數據傳輸方案，采用了多種安全措施，主要包括：
通過一條2M 專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。
為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。
客戶可自建一套RADIUS服務器和DHCP服務器，GGSN向RADIUS服務器提供用戶主叫號碼，采用主叫號碼和用戶賬號相結合的認證方式；用戶通過認證后由DHCP服務器分配企業內部的靜態IP地址。
端到端加密：移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。

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