气象信息采集系统应用方案

基于GPRS网络

      气象信息采集系统应用方案

         厦门四信通信科技有限公司

      潘雄伟

 

 

一、       需求分析

目前多数气象局分为地、州、市级气象局和数个气象站(含地、州、市局、地方气象站) ，原有的网络省、地、县主要通过X.25和PSTN组网，省中心带宽为64Kbps，地县带宽为9.6Kbps。网络主要用于传输气象实时信息和办公信息(内部web、notes等) 同时国家局与全国的各级台站组建了卫星广播网，用于卫星数字广播。

原有气象信息系统地面网络建设较早，设备性能低、线路速度低、时延长，已很难满足自动站、沙尘暴、雷达等资料传输的要求，很难满足进行数据综合传输的需求；卫星网覆盖面小、速度低，且小站之间无法直接通信，限制了网络功能。因此，构建一个更完善、更快捷、更安全的气象广域网络平台迫在眉睫。全省广域网不仅要在速度、容量上完全满足需求；而且需要将原本松散的网络从规格、管理软件、安全防护等方面进行整合和统一。并且还需要具有可扩展性，未来可以方便地进行升级。而以上的这些不足都可以通过GPRS无线网络来实现。

二、       GPRS网络简介

GPRS是目前解决移动通信信息服务的一种较完美的业务，它是以数据流量计费、覆盖范围广泛、数据传输速度更快。GPRS的推出，为行业和企业用户开展无线办公提供了基础设施平台，为推动移动办公的应用和发展创造了有利条件。与有线网络相比，GPRS网络具有租用费用低、移动办公，不受地域制约等优点。GPRS的出现为企业和行业用户开展无线办公提供了一种新的选择。

GPRS通信方式更适合于气象信息采集业务，目前气象中心与各采集点采用X.25和PSTN进行交互传输，月租费太高，用电话线传送数据按时间计费，带来诸多不便，费用也不便宜。

三、       GPRS网络优点

1、覆盖范围。构建气象信息采集传输系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。由于气象信息采集点数量众多，分布在全省范围内，部分气象信息采集点位于偏僻地区，而且地理位置分散。另外，还必须考虑今后系统扩充的可能，必须具有良好的可扩展性。由于目前GPRS已覆盖省内绝大部分地区，能够满足气象信息采集传输系统对覆盖范围的要求。

2、数据传输速率高。每个气象信息采集点每次数据传输量在10Kbps之内，目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps左右，完全能满足本系统数据传输速率(≥10Kbps)的需求。

3、系统的传输容量大。气象中心站要和每一个气象信息采集点实现实时连接。由于气象信息采集点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。

4、通信费用低。采用传统的有线方式建立气象信息采集传输系统，必须租用专线或电话线进行连接。由于气象信息采集点必须与中心随时保持连线状态，而每次数据发送的数据量很小(在几K至10K之间)，线路资源利用率很低，平均每一个气象信息采集点每月的线路费用为800～1200元。而如果采用GPRS通信方式，由于GPRS采用按数据流量计费的方式，资源利用率高，月通信费用将在200元之内。

5、良好的实时响应与处理能力。与短消息服务比较，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

四、       解决方案与特点

鉴于气象各部门的特殊安全性可靠性要求，气象信息系统在总体建设上采用业务与网络分层构建、逐层保护的指导原则，利用宽带IP（DDN专线）＋GPRS无线网络技术，保证网络的互联互通性，提供具有一定QOS的带宽保证，所采用的设备以及网络构架都具有良好可扩展性，可以根据后续发展的需求，在不改变现有组网方案的情况下，通过增加GPRS DTU设备，实现远程无线数据传输功能。

GPRS气象信息采集系统的网络设计采用星型结构，在省局中心、地、州、市级气象局和气象站各设立核心节点。其中，省局中心作为整网核心，关系到全省气象数据的正常传输，因此在省局中心设立两台核心服务器，一主一备。主要是考虑到骨干网络是承载气象重要数据和承担其他政府重要部门的交换等功能，气象的基础数据是其他许多政府部门决策和执法的基础，因此需要网络设备可靠、稳定，另外，考虑到网络还可用来承载气象OA系统的需求，所以中心设备能很好的保障网络在未来几年的先进性和可扩展性。例如，未来到各地市的带宽扩展到2个2M或者更多，此时只需要通过专线升级方式即可。

地市级主用通过SDH 2M接入省气象中心的通信网络系统，同时，充分考虑到网络设计的安全性和可靠性。在本次设计中，市局节点到各采集点除选用APN专线作为主用外，还选用了ADSL/ISDN网作为备份链路。

各采集点采用GPRS DTU设备接入，将采集到的各种气象数据通过GPRS网络及时的送到地市级气象中心，实现快速、稳定、可靠的网络构建。

该方案的建设既能实现全市气象系统的信息化办公，也实现了安全互联互通、指挥调度、信息共享，端到端的高可靠性设计是本方案建设的特色，具体表现在以下两个方面:

1、设备级的可靠性：在设计中，通过选择具备高可靠性设计的网络设备，减少设备故障率，提高网络可靠性。设备本身的可靠性是决定整个网络系统可靠性的主要因素。特别是采集点的GPRS设备，更是整个系统业务正常运行的重要保障。本次选取厦门四信通信科技有限公司系列的GPRS DTU设备具有高可靠性，通过了国家标准的EMC抗干扰测试，在设备级充分保障了网络可靠性。

2、互连线路的备份设计：每个节点与其他节点之间通过多条线路连接，避免单路故障，提高网络路径冗余。本次地市局除选用APN专线作为主用网络，为了提高链路的可靠性，还可选用了ADSL/ISDN网作为备份链路。

五、       系统构建拓扑

六、       F2100产品特性

F2100 GPRS DTU（下文简称DTU）

F2100 GPRS DTU采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。公司产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。

(一)            无线参数

1、支持EGSM900/GSM1800无线网络

2、GPRS multi-slot class 10

3、编码方案：CS1~CS4

4、符合SMG31bis技术规范

5、Compliant to GSM phase 2/2+

6、支持数据和短信功能

(二)            硬件系统

7、高性能RISC 嵌入式处理器，主频100M，512K FLASH。

8、接口：

同时支持RS232/RS485串口。串口速率110~230400bits/s。

       指示灯：具有电源、通信及在线指示灯。

       天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。

       SIM卡接口：3V/1.8V标准的推杆式用户卡接口。

       电源接口：标准的3芯火车头电源插座。

9、供电：

外接电源：DC 9V 500mA

宽电压供电：DC 5-35V

通信电流：<350mA (9V)

待机电流：<35mA (9V)

10、            无线模块

采用高性能工业级GPRS无线模块

11、            尺寸

    外形尺寸：91x58.5x22 mm（不包括天线及固定件） 

12、            其他参数:

工作环境温度 -25~+65ºC

储存温度 -40~+85ºC

相对湿度 95%(无凝结)

 

(三)            软件功能

1.    智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。

2.    支持RSA，RC4加密算法

3.    支持虚拟数据专用网（APN）

4.    透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式

5.    支持数据中心动态域名和IP地址访问

6.    支持双数据中心备份

7.    支持多数据中心

8.    支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。

9.    支持短消息备份及告警。

10.多重软硬件看门狗

11.数据包传输状态报告。

12.标准的AT命令界面

13.可以用做普通拨号MODEM

14.支持telnet功能。

15.支持远程配置，远程控制

16.通过串口软件升级

17.同时支持LINUX和WINDOWS操作系统

七、       总结

建成后的整个气象GPRS信息传输系统实现了互联互通与共享，为气象信息体系的完善打下了坚实的基础，同时也将在减灾脱贫及促进人与自然和谐共处等诸多方面发挥着重要的作用。

附注1：GPRS优势

1、良好的实时响应与处理能力。与短消息服务比较，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，系统能够同时实时收取、处理多个/所有监测点的各种数据，无需轮巡就可以同步监测点的时钟可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

2、远程仪器设备控制：由于采用GPRS双向传输系统，监控中心可以反向实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能；

3、建设成本低：可充分利用现有GSM网络，设备安装即接通，而采用超短波通信时需要充分考虑现场环境，还需要配备天线铁架等附属设备。

4、安装调试简单，建设周期短：利用现有成熟GSM网络，系统投入运行时基本不需要调试，安装简捷。采用超短波通信时安装调试工作量大，要先进行现场信号测试，天线铁架架设，天线方向角度调试等工作。

5、覆盖范围广。构建调度监控系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。

由于监控点数量众多，分布在全市范围内，部分管网监控点位于偏僻地区，而且地理位置分散。采用超短波通讯方式，覆盖范围只有30多公里；而采用GPRS方式，理论上在无线GSM/GPRS网络的覆盖范围之内，都可以实现监控。

6、数据传输速率高。GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s，实际应用时数据传输速率在40Kbps左右，而目前一般的超短波数传电台传送速率多为2.4kbit/s或更低。

7、系统的传输容量大。监控中心站要和每一个监控点实时连接。由于监控点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。

8、通信费用低。由于GPRS采用包月计费的方式，运营维护成本低。

附注2：移动专线APN传输方式

根据企业对网络安全的特殊要求，厦门四信通信科技有限公司设计了基于GPRS网络的数据传输方案，采用了多种安全措施，主要包括：

          通过一条2M 专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。

          为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。

          客户可自建一套RADIUS服务器和DHCP服务器，GGSN向RADIUS服务器提供用户主叫号码，采用主叫号码和用户账号相结合的认证方式；用户通过认证后由DHCP服务器分配企业内部的静态IP地址。

          端到端加密：移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。

          双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。

方案名称	通信方式	建设成本	运营成本	监控范围	传输速度	操作方式	实时性	反控性
电话线MODEM监控	电话线拨号	高	较低	窄	56KBPS	轮寻	差	差
ADSL监控	ADSL	高	较高	窄	512KBPS	轮寻	高	一般
SMS方式监控	SMS	较低	较高	较宽	160字节/包	并行	差、不稳定	差
GSM拨号监控	CSD/GSM	较低	很高	较宽	14.4KBPS	并行	差	差
GPRS在线监控	GPRS/GSM	较低	较低	较宽	21.4－－-85.6 KBPS	并行	高	良好

附注3：GPRS无线业务与其他网络业务的性价比较