王輝

（中國民航飛行校驗中心，北京 100621）

基于GPRS的機場氣象數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)設計

王輝

（中國民航飛行校驗中心，北京 100621）

基于GPRS的機場氣象數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對機場氣象數(shù)據(jù)的定時采集、實時傳輸和遠程監(jiān)控。闡明了系統(tǒng)的通信方式，硬件和軟件構成。在VC++環(huán)境下完成對數(shù)據(jù)服務中心DSC（Data Service Center）和數(shù)據(jù)發(fā)送終端的編程。通過無線傳輸單元DTU（Data Terminal Unit）將采集的機場氣象數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SC，驗證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)為機場跑道除冰、雪奠定技術基礎。

GPRS；機場氣象；數(shù)據(jù)采集；無線傳輸

0 引言

為了保障飛機飛行安全，民航局規(guī)定，任何飛機都不能帶冰、雪、霜起飛。但由于很多地區(qū)冬季氣溫低，相對濕度大，飛機表面很容易結冰，這嚴重影響飛機的飛行安全和航班效率。根據(jù)積冰的嚴重程度，航空公司通常會有不同的應對措施。當機場的積冰程度不嚴重時，可以使用除冰/防冰設備對航班飛機進行除冰和防冰作業(yè)，保證航班順利飛行；當積冰程度很嚴重時，只能修改航班。如果能提前了解機場氣象，并進行積冰預測，進而提前安排好除冰計劃和航班調度，這樣就能最大程度地提高航班效率。

針對以上實際問題的需要，本文設計了機場氣象數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，將氣象變送器采集的氣象信息儲存在下位機上，通過串口編程借助DTU將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到上位機的數(shù)據(jù)服務中心，作為積冰預測的數(shù)據(jù)來源。這些信息作為除冰項目信息來源的一部分存入數(shù)據(jù)庫，這樣就可以實時監(jiān)控機場的氣象條件，為除冰/防冰計劃做好準備。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)整體由四部分組成：氣象變送器、下位機動態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、無線通信模塊和上位機數(shù)據(jù)接收模塊[1]。通過帶有多參數(shù)傳感器的氣象變送器采集溫度、濕度和風力等信息，經(jīng)下位機動態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將信息發(fā)送到串口，DTU將串口中的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送出去，上位機通過訪問Internet與DTU建立連接，從而DSC接收到信息并將其輸出到文本文檔中，以便后期將其存入數(shù)據(jù)庫。

2 硬件組成

2.1 組網(wǎng)方式

（1）Internet結合固定IP地址。數(shù)據(jù)服務中心的計算機可以連接到Internet網(wǎng)絡，并且擁有固定的IP地址。這種情況下，下位機的DTU可通過設置DSC的固定IP地址與其建立連接。此方法的優(yōu)點是不需要在上位機運行域名解析軟件就能接收到采集的數(shù)據(jù)，另外，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，不易出現(xiàn)掉線現(xiàn)象。缺點是申請固定IP的費用相對較高。固定IP的組網(wǎng)方式如圖1所示。

（2）使用VPN專網(wǎng)。如果數(shù)據(jù)服務中心的計算機不具備上網(wǎng)的條件或者有數(shù)據(jù)保密性的需要，可以通過申請VPN專網(wǎng)業(yè)務來組網(wǎng)。上位機端使用配備專網(wǎng)卡的路由器上專網(wǎng)，DTU里面的手機卡允許申請開通專網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務，這樣DTU和服務器就處于同一網(wǎng)絡中，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。這種方式的優(yōu)點是組網(wǎng)方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，缺點是增加了硬件成本和申請VPN專網(wǎng)的費用。使用VPN專網(wǎng)的組網(wǎng)方式如圖2所示。

圖1 固定IP組網(wǎng)Fig.1 Fixed IP network

圖2 VPN專網(wǎng)組網(wǎng)Fig.2 VPN private network

（3）Internet結合動態(tài)域名。 由于固定IP的缺乏，現(xiàn)在大多數(shù)計算機是通過動態(tài)分配的IP來上網(wǎng)的，每次重啟計算機得到的IP地址都是不固定的。這種情況下需要使用動態(tài)域名的組網(wǎng)方式，在數(shù)據(jù)服務中心端安裝運行動態(tài)域名解析軟件客戶端，該軟件把每次分配的動態(tài)IP地址發(fā)送到第三方域名解析服務器。DTU中設置數(shù)據(jù)服務中心的域名，通過訪問解析服務器獲得的對應IP地址建立連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。該方式可以節(jié)省申請固定IP的費用，但其穩(wěn)定性要受域名解析服務器的限制。使用動態(tài)域名的組網(wǎng)方式如圖3所示。

圖3 動態(tài)域名組網(wǎng)Fig.3 Dynamic domain network

除了上述三種較為常見的組網(wǎng)方式外，還有一種是通過在客戶和移動公司之間拉一條APN專線，雙方采用私有固定IP運行連接，這種方式的數(shù)據(jù)保密性和傳輸穩(wěn)定性都是最好的，當價格昂貴，此處不做詳細介紹。

根據(jù)實際需求，綜合上述幾種組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點，最終選擇動態(tài)域名的組網(wǎng)方式。數(shù)據(jù)服務中心端采用電信3G無線上網(wǎng)卡連接Internet。

2.2 數(shù)據(jù)終端模塊（DTU）

（1）DTU結構。DTU是本系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)暮诵哪K，它主要包括接口模塊、電源模塊和功能模塊。

接口模塊：SIM卡接口用于安裝移動運營商的手機卡，并且手機卡已開通GPRS業(yè)務，用于連接撥號、注冊登錄數(shù)據(jù)服務中心和數(shù)據(jù)的收發(fā)。通用串口包括RS232、RS485和RS422，用于DTU與計算機的連接和數(shù)據(jù)的交互。射頻接口內(nèi)部連接射頻模塊，用于發(fā)射和接收電磁波信號，外部連接天線，使發(fā)射和接收的電磁波更遠，同時能夠避免射頻部分阻抗失配，損壞無線模塊。

電源模塊：DTU應用的外部環(huán)境比較復雜，通常電源的變化范圍都比較大，為了很好地自適應復雜的應用環(huán)境，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，采用了先進的電源技術。外接直流電源的范圍在5～26V之間，可根據(jù)外部供電電源的負載能力來選擇。電源模塊用于給功能模塊供電，以實現(xiàn)對命令和數(shù)據(jù)的控制、轉換和存儲。

功能模塊：I/O控制器負責DTU模塊中命令和數(shù)據(jù)的輸入與輸出，是DTU與外界交互的基礎模塊。AD轉換器用于模擬量與數(shù)字量之間的轉換。實時時鐘是DTU內(nèi)部實現(xiàn)定時檢測數(shù)據(jù)服務中心狀態(tài)和定時發(fā)送數(shù)據(jù)等功能的模塊。處理器是DTU的核心模塊，它負責各種控制命令的下達和各模塊的協(xié)調工作。存儲管理主要是指DTU內(nèi)部的寄存器，用于暫時存放接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)。

（2）DTU配置。要實現(xiàn)DTU與計算機的數(shù)據(jù)通信，首先要對端口參數(shù)和DTU參數(shù)進行正確的配置，用戶可以使用超級終端或串口調試助手對DTU進行參數(shù)配置。加電前，確認DTU電源電纜正確連接，并且務必連接天線，以免射頻部分阻抗失配，從而損壞無線模塊[2,3]。

DTU模塊中除了配置本地的一些參數(shù)外，還需要設置數(shù)據(jù)服務中心的相關信息，通過開通數(shù)據(jù)流量的手機卡撥號建立連接。相關的參數(shù)配置如表1所示。

表1 DTU參數(shù)配置列表Tab.1 DTU parameter configuration list

DTU屬智能性數(shù)據(jù)通信終端，安裝設置完成后，接入用戶數(shù)據(jù)源即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并且用戶可根據(jù)實際需求設置DTU的發(fā)送時間間隔和數(shù)據(jù)包的大小正常運行時無需用戶介入，可以為用戶構建全透明傳輸、永遠在線的數(shù)據(jù)專用網(wǎng)絡[4,5]。

2.3 氣象變送器

氣象變送器是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心組成部分，它能提供包括風速、風向、降水、氣壓、溫度和相對濕度在內(nèi)的六種氣象參數(shù)，其中溫度、濕度和風速是積冰預測的主要依據(jù)。氣象變送器將采集的氣象參數(shù)存儲在下位機電腦，然后通過DTU發(fā)送到服務器，進而為積冰預測做準備。

氣象變送器測量風的原理：風傳感器有三個等間距的超聲波變換器位于同一水平面上，它們組成一個變換器陣列。通過測量超聲波從一個變換器傳播到另外兩個變換器所用的時間來確定風速和風向。

氣象變送器測量溫度和濕度的原理：溫度和濕度傳感器的測量原理基于兩個基準電容器，這些傳感器的電容將根據(jù)這兩個基準電容器持續(xù)測量。變送器的微處理器會針對濕度傳感器的溫度依賴性進行補償。

氣象變送器所需的外部電源是5～32V的直流電源，可以通過電腦端的USB進行供電，這樣既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，又不必額外增加電源。

3 軟件組成

本系統(tǒng)中軟件部分包括下位機的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和上位機的數(shù)據(jù)接收、存儲。所需軟件都是在VC++環(huán)境下編譯。

3.1 下位機數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序

本程序中主要涉及到數(shù)據(jù)的分行讀取和定時器等函數(shù)。該函數(shù)的作用是定時讀取氣象變送器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到計算機的串口，再經(jīng)過DTU無線傳輸?shù)缴衔粰C。首先，設置串口參數(shù)，以便DTU讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送；然后設置定時發(fā)送時間，就能實現(xiàn)對動態(tài)文本的發(fā)送。

3.2 上位機數(shù)據(jù)服務中心程序

本程序能夠實現(xiàn)對DTU參數(shù)的遠程設置以及控制DTU的下線，并能夠通過借助Internet網(wǎng)絡接收DTU發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在文件中，便于結冰預測的使用。

4 測試結果

4.1 下位機數(shù)據(jù)發(fā)送測試

為DTU安裝上開通GPRS流量的SIM卡，然后接通24V直流電壓，DTU設備上的數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈閃爍，表明DTU正常讀取串口數(shù)據(jù)并將其發(fā)送出去。氣象變送器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式如圖4所示，數(shù)據(jù)中包括數(shù)據(jù)采集的時間、環(huán)境溫度、濕度以及壓力。

圖4 氣象變送器生成的數(shù)據(jù)Fig.4 Data generated by weather transmitter

4.2 上位機數(shù)據(jù)接收測試

圖5 是上位機數(shù)據(jù)服務中心接收數(shù)據(jù)的界面。當DTU上線后會完成注冊，只要數(shù)據(jù)服務中心端能夠連接互聯(lián)網(wǎng)，就能正常接收數(shù)據(jù)，在軟件界面實時顯示并將接收的數(shù)據(jù)保存成文件。

圖5 遠程監(jiān)控中心采集的數(shù)據(jù)和監(jiān)控界面Fig.5 Remote monitoring center and monitoring interface

5 結束語

以上提出了一種基于GPRS的機場氣象數(shù)據(jù)無線傳輸方案，設計了一套無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性好，組網(wǎng)方便，成本低的優(yōu)點。經(jīng)系統(tǒng)測試，能夠及時穩(wěn)定的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

[1]李文志，王得水.機載任務電子系統(tǒng)裝機工程實踐探討[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，1.

[2]廉小親，張曉力，段振剛，等.基于GPRS的光伏發(fā)電遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].測控技術，2011，5.

[3]陳琦，丁天懷，李成.基于GPRS/GSM的低功耗無線遠程測控終端設計[J].清華大學學報（自然科學版），2009，2.

[4]伍連明，陳世元.基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集模塊[J].現(xiàn)代電子技術，2009，25.

[5]賀迅宇.基于GPRS的整流裝置遠程監(jiān)控系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2008，8.

Design of Airport Meteorological Data Wireless Transmission System Based on GPRS

WANG Hui
（Flight Inspection Center of CAAC,Beijing 100621,China）

Airport meteorological data wireless transmission system based on GPRS can be used to achieve airport meteorological real-time data acquisition and remote monitoring.The communication model,hardware and software configuration was stated.The DCS and the data transmitting terminal programming were completed based on VC platform.The real-time and stability of the system were verified using test data Through the wireless?transmission unit DTU(Data Terminal Unit).The system could provide technology for airport deicing in winter.

GPRS；airport meteorology；data acquisition；wireless transmission

TP27

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.049

1002－6673（2014）03－129－03

2014－04－04

王輝（1982-），男，學士學位，飛機維修電子工程師。