、Ｉ生 訇 化 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） 摘要：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。 关键词：灌区；气象监测；ＡＲＭ；方案设计 中图分类号：ＴＨ１ ６６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９－０１ ３４（２０１ ｏ）１ １（下）－００４１—０３ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ０．１１（下）．１ ６ １灌区自动气象监测系统的总体功能要求 散监测”的模式进行设计，整个系统由ＧＰＲＳ通信 １）现场自动气象站要求能够自动采集温度、 网络和气象数据中心、现场自动气象站二大部分 湿度、风速、风向等多个气象要素，各要素的测 构成，系统总体结构如图３－１所示。 量应达到中国气象局的《地面有线综合遥测气象 自动气象站包括两大部分：一是ＧＰＲＳ通信模 仪观测规范》要求。 块，二是采集模块。自动气象站安装在灌区特定 ２）现场自动气象站具有实时时钟，按时间顺 监测点，通过各种传感器对灌区气象参数进行采 序记录历史数据，至少有记录１天历史数据的存储 集；同时将采集到的气象数据进行分析、预处理 容量，有条件的可以预留海量数据存储接口。 以及存储；并通过ＧＰＲＳ模块建立通信链路，实现 ３）现场自动气象站能够将自动采集的各气象 数据的无线传输。 参数按规定的格式要求上传给气象数据中心。 ＧＰＲＳ通信网络是气象数据中心与现场自动气 ４）现场自动气象站能够在潮湿、干燥、低温 象站数据传输的纽带，现场自动气象站采集到的 等恶劣天气情况下可靠的长期工作，并尽量避免 气象参数通过各自的ＧＰＲＳ数据终端打成ＩＰ包，经 因网络出现故障而丢失数据。 由ＧＰＲＳ模块接入无线ＧＰＲＳ网络，由移动服务商 ５）气象数据中心能够实时监测来自各测点的 转接￣ＵＩｎｔｅｒｎｅｔ，最终通过各种网关和路由到达气 气象数据，并具有实时显示、历史数据库查看、 象数据处理中心。 数据导出等功能。 气象数据中心是系统的监控中心，从灌区各 ６）现场自动气象站各项设备要符合结构简 监测点发回的气象数据在监控中心存储并显示， 单、工作可靠、低功耗的原则，所有设备能够在 供灌区相关管理部门查看，同时可以以Ａｃｃｅｓｓ数据 无人值守的条件下工作。 库表的形式将各气象数据整理后保存。它由一台 ７）现场自动气象站具有能够直接与ＰＣ机的 可以上位机软件和登陆公网的ＰＣ机构成。一方面 ＲＳ２３２接口通信的功能以及与移动通讯网（ＧＰＲＳ） 气象数据中心通过现场自动气象站与ＧＰＲＳ网络进 的通讯接口。 行双向通信收发数据，另一方面进行数据库管理 ８）网络通信畅通率应大于９５％，系统误码率 等服务。各测点的气象参数可以通过上位机软件 应小于６×１０—５。 为用户提供的可视化界面进行实时监测。通过此 ２灌区自动气象监测系统的总体框架 软件，可查询历史数据库，查看各测点气象信息 灌区气象自动监测系统采用“集中处理，分 的历史记录和统计曲线，从而清楚地了解观测点 收稿日期：２０１０－０９－２３ 作者简介：赵秀芝（１９７８一），女，浙苍人，讲师，硕士，研究方向为通信自动化。 第３２卷第１１期２０１０－１１（下） ［４１】 务ｌ造 甸 出 的综合气象信息。 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 鋈 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￣Ｉ１随机生成的端口号代替 数据中心 钡０点ｎ。 Ｒ 模块 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 。 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 Ｉ４２１ 第３２卷第１ １期２０１０—１ １（下） 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１Ｐ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￣Ｉ：Ｉ Ｇ ＰＲＳ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５ １、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ＬＰＣ２１ １４，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。 ＬＰＣ２１ １４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、２４＂低功耗模式、６￣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 、Ｉ 品的核心部分（包括电源、微处理器、数据存储 匐 化 ６）重量轻、体积小、功耗低。 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 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， 等，在考虑性价比等情况下最终选用Ｓｉｅｍｅｎｓ公司 生产的ＭＣ５５。 ＡＤＳ￣ＨＳＤＴ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。 ＡＤＳ １．２支持ＡＲＭ１０之前的所有ＡＲＭ系列微控 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 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。 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 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 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 仿真器，支持单步、全速及断点等调试功能，支 持ＡＤＳ １．２集成开发环境，支持下载程序到片内 ＦＬＡＳＨ和特定型号的片９ｂＦＬＡＳＨ，采用ＡＲＭ公司 提出的标准２０脚ＪＴＡＧ仿真调试接口［２】。我们选择 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 其作为本系统的仿真和调试工具。 参考文献： 【１】ＧＰＲＳ／ＣＤＭＡ应用方案．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｍｔｒｏｎｉｘ．ｃｏｍ／ｃａｓｅ／ ｃａｓｅ２００８１９３．ｈｔｍ１． 的缩短ＧＰＲＳ产品的研发周期； 岛‘ 岛‘ 岛‘ 岛‘ 出 出‘ 岛‘ 是‘ 出‘｛蠢‘毒品 【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． 岛‘ 岛Ｉ 矗‘ 主‘ 盘‘｛是‘． ．｛翕‘｛品Ｉ｛＆‘｛岛‘ 岛‘ 【上接第３２页】 检测精度优于ＰＳＯ—ＳＶＭ，ＢＰＮＮ。 类及译码［Ｊ］．计算机工程．２００９，３５（２０）：１９７—１９９． ［８】Ｓｕｂｉｍａｌ Ｇｈｏｓｈ，Ｐ．Ｐ．Ｍｕｊｕｍｄａｒ．Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｄｏｗｎｓｃａｌｉｎｇ ｏｆ ＧＣＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｓｔｒｅａｍｆｌｏｗ ｕｓｉｎｇ ｒｅｌｅｖａｎｃｅ ｖｅｃｔｏｒ 参考文献： ［１］邱天，刘吉臻．提高传感器故障检测能力的研究［Ｊ］＿动力工 程，２００８，２８（１）：８０—８３． ｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，２００８，３１（１）：１３２—１４６． ［９］Ｃｌｏｄｏａｌｄｏ Ａ．Ｍ．Ｌｉｍａ，Ａｎｄｒ４ Ｌ．Ｖ．Ｃｏｅｌｈｏ，Ｓａｎｄｒｏ Ｃｈａｇａｓ． Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＥＥＧ ｓｉｇｎａｌ ｃｌａｓｓｉｉｃａｔｉｆｏｎ ｆｏｒ ｅｐｉｌｅｐｓｙ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ［２］彭红星，陈祥光，徐巍，张玮．多变量过程传感器故障检测的 ＳＶＭ方法［Ｊ１．北京理工大学学报，２００８，２８（８）：７２７—７３０． ｗｉｔｈ Ｒｅｌｅｖａｎｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｊ１．Ｅｘｐｅｒｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００９，３６（６）：１００５４—１００５９． 【３】王强，陈欢欢，王埏．一种基于多类支持向量机的故障诊断 算法［Ｊ１＿电机与控制学报．２００９，１３（２）：３０２—３０６． 【１０］Ｊｏｈｎ Ｆｌａｋｅ，Ｔｏｄｄ Ｋ．Ｍｏｏｎ，Ｍａｃ ＭｃＫｅｅ，Ｊａｃｏｂ Ｈ．Ｇｕｎｔｈｅｒ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏ ｃａｎａｌ ｆｌｏｗ 【４】赫英明，王汉杰，姜祝辉．支持向量机在云检测中的应用『Ｊ］． 解放军理工大学学报（自然科学版），２００９，ｌ０（２）：１９１—１９４． ［５】许少华，何新贵，周继，王兵．一种过程支持向量机及其在动 态模式分类中的应用［Ｊ１．控制与决策，２００９，２４（２）：３０９ ３ １ １． ［６］Ｓａｎｋａｒ Ｍａｈａｄｅｖａｎ，Ｓｉｒｉｓｈ Ｌ．Ｓｈａｈ．Ｆａｕｌｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉａｇ ｎｏｓｉｓ ｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄａｔａ ｕｓｉｎｇ ｏｎｅ—ｃｌａｓｓ ｓｕｐｐｏｒｔ ｖｅｃｔｏｒ ｍａｃｈｉｎｅｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＰｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏ１．２００９，１９（１０）：１６２７—１６３９． ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｅｖｉｅｒ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ【Ｊ１．Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｗａｔｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０１０，９７（２）：２０８—２１４． ［１ １］陈白帆，蔡自兴，袁成．基于粒子群优化的移动机器人ＳＬＡＭ 方法ｆＪ］．机器人，２００９，３ｌ（６）：５１３—５１７． ［１２］Ｓ．Ｓｕｒｅｓｈ，Ｐ．Ｂ．Ｓｕｊｉｔ，Ａ．Ｋ．Ｒａｏ．Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｌＴＩ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ・－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｂｏｘ・－ｂｅａｍ ｄｅｓｉｇｎ ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００７，８１（４）：５９８—６０５． 【７】张磊，刘建伟，徐翔，罗雄麟．基于相关向量机的神经活动分 第３２卷第１１期２０１０—１１（下） ！＂４３１