基于GPRS的机场气象数据无线传输系统设计

王辉

（中国民航飞行校验中心，北京 100621）

基于GPRS的机场气象数据无线传输系统设计

王辉

（中国民航飞行校验中心，北京 100621）

基于GPRS的机场气象数据无线传输系统能够实现对机场气象数据的定时采集、实时传输和远程监控。阐明了系统的通信方式，硬件和软件构成。在VC++环境下完成对数据服务中心DSC（Data Service Center）和数据发送终端的编程。通过无线传输单元DTU（Data Terminal Unit）将采集的机场气象数据传输到DSC，验证了系统的实时性和稳定性。该系统为机场跑道除冰、雪奠定技术基础。

GPRS；机场气象；数据采集；无线传输

0 引言

为了保障飞机飞行安全，民航局规定，任何飞机都不能带冰、雪、霜起飞。但由于很多地区冬季气温低，相对湿度大，飞机表面很容易结冰，这严重影响飞机的飞行安全和航班效率。根据积冰的严重程度，航空公司通常会有不同的应对措施。当机场的积冰程度不严重时，可以使用除冰/防冰设备对航班飞机进行除冰和防冰作业，保证航班顺利飞行；当积冰程度很严重时，只能修改航班。如果能提前了解机场气象，并进行积冰预测，进而提前安排好除冰计划和航班调度，这样就能最大程度地提高航班效率。

针对以上实际问题的需要，本文设计了机场气象数据无线传输系统，将气象变送器采集的气象信息储存在下位机上，通过串口编程借助DTU将数据实时发送到上位机的数据服务中心，作为积冰预测的数据来源。这些信息作为除冰项目信息来源的一部分存入数据库，这样就可以实时监控机场的气象条件，为除冰/防冰计划做好准备。

1 系统总体设计

系统整体由四部分组成：气象变送器、下位机动态数据发送模块、无线通信模块和上位机数据接收模块[1]。通过带有多参数传感器的气象变送器采集温度、湿度和风力等信息，经下位机动态数据发送模块将信息发送到串口，DTU将串口中的数据通过GPRS网络发送出去，上位机通过访问Internet与DTU建立连接，从而DSC接收到信息并将其输出到文本文档中，以便后期将其存入数据库。

2 硬件组成

2.1 组网方式

（1）Internet结合固定IP地址。数据服务中心的计算机可以连接到Internet网络，并且拥有固定的IP地址。这种情况下，下位机的DTU可通过设置DSC的固定IP地址与其建立连接。此方法的优点是不需要在上位机运行域名解析软件就能接收到采集的数据，另外，系统稳定可靠，不易出现掉线现象。缺点是申请固定IP的费用相对较高。固定IP的组网方式如图1所示。

（2）使用VPN专网。如果数据服务中心的计算机不具备上网的条件或者有数据保密性的需要，可以通过申请VPN专网业务来组网。上位机端使用配备专网卡的路由器上专网，DTU里面的手机卡允许申请开通专网数据业务，这样DTU和服务器就处于同一网络中，就能实现数据通讯。这种方式的优点是组网方便，系统稳定可靠，缺点是增加了硬件成本和申请VPN专网的费用。使用VPN专网的组网方式如图2所示。

图1 固定IP组网Fig.1 Fixed IP network

图2 VPN专网组网Fig.2 VPN private network

（3）Internet结合动态域名。 由于固定IP的缺乏，现在大多数计算机是通过动态分配的IP来上网的，每次重启计算机得到的IP地址都是不固定的。这种情况下需要使用动态域名的组网方式，在数据服务中心端安装运行动态域名解析软件客户端，该软件把每次分配的动态IP地址发送到第三方域名解析服务器。DTU中设置数据服务中心的域名，通过访问解析服务器获得的对应IP地址建立连接，从而实现数据通讯。该方式可以节省申请固定IP的费用，但其稳定性要受域名解析服务器的限制。使用动态域名的组网方式如图3所示。

图3 动态域名组网Fig.3 Dynamic domain network

除了上述三种较为常见的组网方式外，还有一种是通过在客户和移动公司之间拉一条APN专线，双方采用私有固定IP运行连接，这种方式的数据保密性和传输稳定性都是最好的，当价格昂贵，此处不做详细介绍。

根据实际需求，综合上述几种组网方式的优缺点，最终选择动态域名的组网方式。数据服务中心端采用电信3G无线上网卡连接Internet。

2.2 数据终端模块（DTU）

（1）DTU结构。DTU是本系统实现数据无线传输的核心模块，它主要包括接口模块、电源模块和功能模块。

接口模块：SIM卡接口用于安装移动运营商的手机卡，并且手机卡已开通GPRS业务，用于连接拨号、注册登录数据服务中心和数据的收发。通用串口包括RS232、RS485和RS422，用于DTU与计算机的连接和数据的交互。射频接口内部连接射频模块，用于发射和接收电磁波信号，外部连接天线，使发射和接收的电磁波更远，同时能够避免射频部分阻抗失配，损坏无线模块。

电源模块：DTU应用的外部环境比较复杂，通常电源的变化范围都比较大，为了很好地自适应复杂的应用环境，提高系统的工作稳定性，采用了先进的电源技术。外接直流电源的范围在5～26V之间，可根据外部供电电源的负载能力来选择。电源模块用于给功能模块供电，以实现对命令和数据的控制、转换和存储。

功能模块：I/O控制器负责DTU模块中命令和数据的输入与输出，是DTU与外界交互的基础模块。AD转换器用于模拟量与数字量之间的转换。实时时钟是DTU内部实现定时检测数据服务中心状态和定时发送数据等功能的模块。处理器是DTU的核心模块，它负责各种控制命令的下达和各模块的协调工作。存储管理主要是指DTU内部的寄存器，用于暂时存放接收或发送的数据。

（2）DTU配置。要实现DTU与计算机的数据通信，首先要对端口参数和DTU参数进行正确的配置，用户可以使用超级终端或串口调试助手对DTU进行参数配置。加电前，确认DTU电源电缆正确连接，并且务必连接天线，以免射频部分阻抗失配，从而损坏无线模块[2,3]。

DTU模块中除了配置本地的一些参数外，还需要设置数据服务中心的相关信息，通过开通数据流量的手机卡拨号建立连接。相关的参数配置如表1所示。

表1 DTU参数配置列表Tab.1 DTU parameter configuration list

DTU属智能性数据通信终端，安装设置完成后，接入用户数据源即可实现数据的接收与发送，并且用户可根据实际需求设置DTU的发送时间间隔和数据包的大小正常运行时无需用户介入，可以为用户构建全透明传输、永远在线的数据专用网络[4,5]。

2.3 气象变送器

气象变送器是本系统数据采集的核心组成部分，它能提供包括风速、风向、降水、气压、温度和相对湿度在内的六种气象参数，其中温度、湿度和风速是积冰预测的主要依据。气象变送器将采集的气象参数存储在下位机电脑，然后通过DTU发送到服务器，进而为积冰预测做准备。

气象变送器测量风的原理：风传感器有三个等间距的超声波变换器位于同一水平面上，它们组成一个变换器阵列。通过测量超声波从一个变换器传播到另外两个变换器所用的时间来确定风速和风向。

气象变送器测量温度和湿度的原理：温度和湿度传感器的测量原理基于两个基准电容器，这些传感器的电容将根据这两个基准电容器持续测量。变送器的微处理器会针对湿度传感器的温度依赖性进行补偿。

气象变送器所需的外部电源是5～32V的直流电源，可以通过电脑端的USB进行供电，这样既可以实现数据的收发，又不必额外增加电源。

3 软件组成

本系统中软件部分包括下位机的数据采集、发送和上位机的数据接收、存储。所需软件都是在VC++环境下编译。

3.1 下位机数据采集发送程序

本程序中主要涉及到数据的分行读取和定时器等函数。该函数的作用是定时读取气象变送器产生的数据，然后发送到计算机的串口，再经过DTU无线传输到上位机。首先，设置串口参数，以便DTU读取数据并发送；然后设置定时发送时间，就能实现对动态文本的发送。

3.2 上位机数据服务中心程序

本程序能够实现对DTU参数的远程设置以及控制DTU的下线，并能够通过借助Internet网络接收DTU发送的数据，并将数据存储在文件中，便于结冰预测的使用。

4 测试结果

4.1 下位机数据发送测试

为DTU安装上开通GPRS流量的SIM卡，然后接通24V直流电压，DTU设备上的数据发送指示灯闪烁，表明DTU正常读取串口数据并将其发送出去。气象变送器产生的数据格式如图4所示，数据中包括数据采集的时间、环境温度、湿度以及压力。

图4 气象变送器生成的数据Fig.4 Data generated by weather transmitter

4.2 上位机数据接收测试

图5 是上位机数据服务中心接收数据的界面。当DTU上线后会完成注册，只要数据服务中心端能够连接互联网，就能正常接收数据，在软件界面实时显示并将接收的数据保存成文件。

图5 远程监控中心采集的数据和监控界面Fig.5 Remote monitoring center and monitoring interface

5 结束语

以上提出了一种基于GPRS的机场气象数据无线传输方案，设计了一套无线传输系统。该系统具有数据传输稳定性好，组网方便，成本低的优点。经系统测试，能够及时稳定的发送和接收数据，保证了系统的实时性和稳定性。

[1]李文志，王得水.机载任务电子系统装机工程实践探讨[J].机电产品开发与创新，2014，1.

[2]廉小亲，张晓力，段振刚，等.基于GPRS的光伏发电远程监测系统的设计[J].测控技术，2011，5.

[3]陈琦，丁天怀，李成.基于GPRS/GSM的低功耗无线远程测控终端设计[J].清华大学学报（自然科学版），2009，2.

[4]伍连明，陈世元.基于GPRS的远程数据采集模块[J].现代电子技术，2009，25.

[5]贺迅宇.基于GPRS的整流装置远程监控系统[J].仪表技术与传感器，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

王辉（1982-），男，学士学位，飞机维修电子工程师。