基于CDMA1X的無線傳輸自動氣象站系統(tǒng)的構(gòu)建

田 佳，駱 漢，田 濤，趙廷寧，高甲榮，孟欣欣，吉崎真司

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083;2.微型計算機系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)有限公司，日本橫濱220-0003;3.東京都市大學(xué)環(huán)境情報學(xué)部，日本橫濱224-8551)

在自動氣象站應(yīng)用以前，對溫度、濕度、大氣壓強、風(fēng)速風(fēng)向、降水等基本氣象要素都是采用人工觀測記錄，但是隨著自動化探測設(shè)備的應(yīng)用和推廣，自動氣象站逐漸替代了傳統(tǒng)的人工觀測。自動氣象站的應(yīng)用降低了觀測的勞動強度，提高了探測精度，增加了時間地域探測密度，對氣象現(xiàn)代化的發(fā)展有重要的意義[1]。近年來隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，氣象部門又正在積極建設(shè)基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的可無線傳輸數(shù)據(jù)的自動氣象站系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的自動氣象站相比無線傳輸自動氣象站系統(tǒng)具有安裝使用方便，實時在線、高速傳輸、節(jié)省出差費用等優(yōu)點[2]。水土保持氣象觀測是水土保持科學(xué)研究的必要環(huán)節(jié)，以往傳統(tǒng)的完全靠人工操作的水土保持氣象觀測已經(jīng)不適合于現(xiàn)代水土保持研究的發(fā)展和氣象觀測的需要。水土保持氣象觀測急需引入先進的、具有自動收集、處理、存儲和無線傳輸氣象信息等功能的自動氣象站系統(tǒng)，使地面氣象觀測工作實現(xiàn)自動化，提高地面觀測資料的可靠性，消除由于人工觀測引起的誤差，從根本上提高我國水土保持氣象觀測的總體水平。據(jù)此，探討了將CDMA1X無線通信技術(shù)與Vantage Pro2自動氣象相結(jié)合，形成適合水土保持氣象觀測和其它氣象觀測的無線傳輸自動氣象站系統(tǒng)。

無線傳輸自動氣象站系統(tǒng)主要有3個部分[3-4]。(1)自動氣象站主機。例如本系統(tǒng)所使用的Vantage Pro2型自動氣象站。(2)移動通信網(wǎng)絡(luò)。例如GPRS與CDMA。(3)遠程控制和數(shù)據(jù)采集。遠程控制和數(shù)據(jù)采集由遠程控制計算機和數(shù)據(jù)采集分析軟件所組成[3]。遠程控制計算機的硬件配置為:Pentium(R)4 CPU 2.80GHz，512M 內(nèi)存(系統(tǒng)為Windows XP)。數(shù)據(jù)采集分析軟件為Vantage Pro2型自動氣象站自帶的WeatherLink軟件。理論上只要能接入Internet的地方都可以作為遠程控制和數(shù)據(jù)采集地點。

1 Vantage Pro2自動氣象站簡介

美國DAVIS公司生產(chǎn)的Vantage Pro2型自動氣象站分為無線站和有線站兩種，它們都是由氣象站主機，無線或有線控制臺兩部分組成。Vantage Pro 2主機采用一體化設(shè)計，通過安裝不同的探測器，可采集風(fēng)、溫、濕、光照、雨量、太陽輻射、紫外輻射、氣壓、露點、土壤水分、土壤溫度、葉面濕度等氣象因子，并可自動生成NOAA氣象報告和趨勢分析。其主要的技術(shù)參數(shù)祥見表1[4]。

Vantage Pro2自動氣象站控制臺的接口分為兩種:一種是 USB接口，另一種是串口(serial port)。在本系統(tǒng)中使用的是串口控制臺，這里要特別注意的是雖然USB口和串口控制臺都可以直接與電腦相連下載氣象站數(shù)據(jù)，但是如果要實現(xiàn)無線遠程傳輸比如通過CDMA1X網(wǎng)絡(luò)，就只能使用串口控制臺。這是因為串口和USB口的數(shù)據(jù)傳輸方式不一樣，而目前Vantage Pro2自動氣象站只支持串口的無線傳輸。表1所示的是Vantage Pro2自動氣象站理論上可以觀測的氣象參數(shù)，但實際應(yīng)用中可觀測的種類要根據(jù)氣象站所安裝的探測器(sensor)來確定。

表1 Vantage Pro2自動氣象站可觀測的氣象參數(shù)

2 CDMA1X與VPN技術(shù)簡介

2.1 CDMA簡介

CDMA(code division multiple access，碼分多址)是以擴頻通信技術(shù)為基礎(chǔ)的第二代移動通信技術(shù)，它具有頻率利用效率高，抗干擾能力強等特點。目前全球有許多國家和地區(qū)，包括中國香港、韓國、日本、美國都已建有CDMA商用網(wǎng)絡(luò)。在美國和日本，CDMA成為國內(nèi)的主要移動通信技術(shù)。在美國，10個移動通信運營公司中有7家選用CDMA。到今年4月，韓國有60%的人口成為CDMA用戶。據(jù)統(tǒng)計中國目前有3 105.2萬人使用CDMA寬帶業(yè)務(wù)[5]。

2.2 CDMA1X網(wǎng)絡(luò)簡介

CDMA1X是在2G(CDMA IS-95系列)基礎(chǔ)上進行升級并建立分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，可以支持153.6 kbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸，CDMA1X屬于2.5 G移動通信技術(shù)，目前中國聯(lián)通建設(shè)的CDMA網(wǎng)絡(luò)已完成了三期工程，全面升級到CDMA1X，網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國各城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及公路。CDMA1X是通過專用載頻和信道，通過PDSN網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接，與話音路由分道提供。CDMA1X傳輸速率對無線環(huán)境的依賴程度不大，因而網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，不容易受到干擾[6]。

2.3 VPN技術(shù)簡介

VPN(virtual private network虛擬專用網(wǎng)絡(luò))，它可以通過特殊的加密的通訊協(xié)議利用公共網(wǎng)絡(luò)建立虛擬私有網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中以CDMA1X網(wǎng)絡(luò)為承載在自動氣象站與遠程控制計算機之間建立虛擬網(wǎng)絡(luò)通道，通過虛擬通道實現(xiàn)自動氣象站與遠程控制計算機數(shù)據(jù)的安全傳輸。使用CDMA1X-VPN進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)租用費、設(shè)備購置費以及網(wǎng)絡(luò)維護費從而減少運營成本。只需在原有的網(wǎng)絡(luò)出口作簡單的配置，便可擁有自己的專網(wǎng)，有效降低投資成本，提高效率。VPN可以通過加密、口令保護、身份驗證、防火墻等措施保障信息安全和數(shù)據(jù)的完整性避免被非法竊取[7]。

3 基于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的自動氣象站的無線數(shù)據(jù)傳輸

在本系統(tǒng)中使用了美國Davis公司生產(chǎn)的Vantage Pro2型自動氣象站(無線站)、北京卓創(chuàng)公司生產(chǎn)的EICPro355Er-CDMA路由器以及北京海豚科技發(fā)展公司生產(chǎn)的CanHigher NC600系列串口設(shè)備服務(wù)器進行自動氣象站的無線數(shù)據(jù)傳輸試驗。以下就以這些設(shè)備為例詳細介紹各部分的安裝與調(diào)試過程。

3.1 Vantage Pro2自動氣象站的安裝與調(diào)試

Vantage Pro2的安裝可參見其隨機附送的安裝手冊(integrated sensor suite installation manual)，該手冊中有詳細的安裝方法和調(diào)試過程，這里不再贅述。

3.2 CDMA路由器的安裝與調(diào)試

CDMA路由器的安裝與調(diào)試比較復(fù)雜，根據(jù)所使用的CDMA路由器的類型不同，安裝與調(diào)試差別很大。但是總體來說都包括以下3個部分。

(1)CDMA路由器上網(wǎng)的配置。要實現(xiàn)CDMA路由器上網(wǎng)首先需要辦理一張中國聯(lián)通公司的CDMA-SIM卡，將卡正確插入CDMA路由器后與電腦相連，按照說明書中的步驟來配置路由器的各項參數(shù)。在這里要說明的是為了實現(xiàn)局域網(wǎng)(LAN)與廣域網(wǎng)(WAN)的互聯(lián)CDMA路由器的上網(wǎng)模式要采用網(wǎng)關(guān)模式(gateway mode)。

(2)DDNS(dynamic domain name server動態(tài)域名服務(wù))的申請。DDNS是將用戶的動態(tài)IP地址映射到一個固定的域名解析服務(wù)上，用戶每次連接網(wǎng)絡(luò)的時候客戶端程序就會通過信息傳遞把該主機的動態(tài)IP地址傳送給位于服務(wù)商主機上的服務(wù)器程序，服務(wù)器程序負責(zé)提供DNS服務(wù)并實現(xiàn)動態(tài)域名解析。也就是說DDNS捕獲用戶每次變化的IP地址，然后將其與用戶自己選定的域名相對應(yīng)，這樣其他上網(wǎng)用戶就可以通過域名來進行交流了[8]。目前可以提供DDNS服務(wù)的網(wǎng)站很多，本系統(tǒng)采用的是Vier(http://ddns.vier.com.cn)域名服務(wù)網(wǎng)站所提供的域名:fangshan.vier.cn。通過該網(wǎng)站所提供的動態(tài)域名解析服務(wù)器將CDMA路由器所分配到的動態(tài)IP與域名fangshan.vier.cn綁定，這樣就可以實現(xiàn)遠程控制計算機與CDMA路由器通過VPN虛擬通道連接。

(3)CDMA路由器VPN的設(shè)置。目前市場上大多數(shù)的CDMA路由器都提供VPN功能，VPN的設(shè)置比較簡單一般來說只要按照說明書的要求用戶都可以自己設(shè)置。

3.3 遠程控制計算機的調(diào)試

CDMA路由器與Vantage Pro2自動氣象站的無線控制臺是通過串口設(shè)備服務(wù)器(CanHigher NC600)相連，氣象站的主機與無線控制臺通過無線信號進行連接。串口設(shè)備服務(wù)器一端為串口與無線控制臺相連接，另一端是以太網(wǎng)端口與CDMA路由器相連。這樣就相當(dāng)于將無線控制臺所收集到的氣象數(shù)據(jù)聯(lián)入了CDMA1X網(wǎng)絡(luò)。圖1所表示的就是整個無線傳輸自動氣象站的系統(tǒng)組成。

圖1 基于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸自動氣象站系統(tǒng)

通過對遠程控制計算機虛擬專用網(wǎng)絡(luò)連接(VPN)的設(shè)置，將遠程控制計算機與CDMA路由器建立專有通道，進行數(shù)據(jù)傳輸和氣象數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。本系統(tǒng)遠程控制計算機設(shè)置在北京林業(yè)大學(xué)，用來收集和處理氣象數(shù)據(jù)，CDMA路由器以及氣象站設(shè)置在山西省方山縣。

3.4 氣象數(shù)據(jù)的接收與處理

在遠程控制計算機上先安裝串口設(shè)備服務(wù)器軟件(安裝方法參見相關(guān)軟件安裝說明)，然后再安裝Vantage Pro2應(yīng)用軟件(WeatherLink)。這樣遠程控制計算機就可以通過WeatherLink來接收和分析氣象站的氣象數(shù)據(jù)了，利用該軟件還可以對遠端氣象站的氣象參數(shù)進行實時監(jiān)控。

3.5 自動氣象站的日常維護

氣象站設(shè)備維護是保證氣象站正常運行的重要環(huán)節(jié)，其直接影響每個觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)該予以重視和熟練掌握維護方法。(1)要定期清洗雨量器與防輻射罩。在清洗雨量筒前，要先拔下傳感器數(shù)據(jù)插頭。當(dāng)防輻射罩灰塵過多時，用濕棉布擦洗。(2)為保證精度，至少每月清洗一次太陽輻射和紫外光傳感器[4]。太陽輻射和紫外光傳感器在出廠時已經(jīng)被校正，允許每年小于2%的誤差，如果希望得到更高的精確度，傳感器應(yīng)每年校正一次。(3)經(jīng)常注意留心查看雨量桶內(nèi)的過濾網(wǎng)上有無塵土、小蟲等堵塞、及時清理、保持小孔暢通[9]。(4)由于自動氣象站采集器每分鐘都要采集、存儲和傳輸數(shù)據(jù)，必須要保持電源的穩(wěn)定，經(jīng)常檢查無線控制臺的電池電量或外接電源是否正常。(5)每天檢查網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、計算機運行和自動氣象站數(shù)據(jù)采集情況，如有異常及時進行處理[10]。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)構(gòu)建了可無線傳輸數(shù)據(jù)的自動氣象站系統(tǒng)。實踐證明該系統(tǒng)不僅能夠很好地滿足無線遠程氣象數(shù)據(jù)傳輸和實時監(jiān)控的要求，而且具有安裝使用方便，實時在線、登陸快捷、收費合理、監(jiān)控方便和安全可靠等優(yōu)點。與同類技術(shù)相比優(yōu)勢明顯。

(1)傳輸速度快特別是與基于GPRS的自動氣象站相比，CDMA1X的傳輸速率可達到153.6 kbps而GPRS只有40 kbps[3]，同時GPRS數(shù)據(jù)傳輸是與語音傳輸采用共同的傳輸信道，語音優(yōu)先的機制不能保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，而且GPRS單個基站容量較CDMA1X少，不能滿足數(shù)據(jù)量突增的需求[6]。

(2)該系統(tǒng)與基于ADSL撥號上網(wǎng)的自動氣象站相比克服了每次只能通過電話撥號方式向采集中心傳送觀測數(shù)據(jù)的弊端，而且ADSL電話通信線路易受到干擾給自動氣象站資料的正常采集帶來影響，抑制了自動氣象站的高密度觀測和資料的高效可靠傳輸，在一些條件惡劣、地域偏僻的地區(qū)，電話通信無法到達，使自動氣象站的合理布點有一定的局限性。而基于CDMA1X技術(shù)的自動氣象站則可以克服以上這些缺點，使自動氣象站的布設(shè)更加自由和靈活[11]。

(3)由于大部分高校都設(shè)有校園防火墻，阻擋了從校園局域網(wǎng)直接訪問遠程氣象站下載數(shù)據(jù)，為了解決這個問題本系統(tǒng)采用了VPN技術(shù)，直接在Internet上建立一個虛擬網(wǎng)路通道聯(lián)入校園局域網(wǎng)內(nèi)，并通過加密、口令保護、身份驗證等措施保障數(shù)據(jù)的安全。

(4)本系統(tǒng)完全實現(xiàn)了太陽能供電，即使在野外沒有電源的情況下，氣象站仍然可以正常工作。

隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，3G技術(shù)即將在各行業(yè)中推廣應(yīng)用，3G技術(shù)可以將目前CDMA1X的傳輸速率提高幾十倍，速度的提高不僅使下載數(shù)據(jù)更快，也使安裝基于CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的攝像頭成為可能(以目前CDMA1X的傳輸速度還未能達到實現(xiàn)圖像和音頻的實時傳輸)。有了網(wǎng)絡(luò)攝像頭便可以及時對氣象站周圍環(huán)境的變化做出反應(yīng)，對破壞氣象站的行為進行拍照和錄像，保障氣象站的安全。同時也可以針對氣象站各部分進行檢查，比如風(fēng)速傳感儀是否正常，雨量筒是否被堵塞，支架是否發(fā)生傾倒等。甚至還可將網(wǎng)絡(luò)攝像頭做為對講機來使用，實現(xiàn)外業(yè)人員與遠程控制端人員的實時語音通話，指導(dǎo)外業(yè)人員的操作和處理突發(fā)情況。總之隨著移動通訊技術(shù)和氣象觀測設(shè)備的發(fā)展，一定會有更多更加靈活、穩(wěn)定的無線傳輸自動氣象站系統(tǒng)的出現(xiàn)。

致謝 本文的寫作過程中得到了希來凱思(Silex)技術(shù)北京有限公司的技術(shù)支持，在這里表示衷心的感謝。

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