區(qū)域自動氣象站雙卡備份通信技術(shù)的實現(xiàn)與應(yīng)用

張開華，張遠(yuǎn)洪，姚 熠，謝和林，胡玉娟

(1.貴州省遵義市氣象局,貴州 遵義 563002;2.貴州省綏陽縣氣象局,貴州 綏陽 563300)

1 開發(fā)背景

隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展,區(qū)域自動氣象站(簡稱”區(qū)域站”)建設(shè)不斷增加,從2009年至今，遵義市有區(qū)域兩要素站160個，單雨量自動站182個，五要素自動站27個,六要素自動站80個，3個多要素自動站，1個國家級無人自動站。建站8 a多來，區(qū)域自動氣象站的作用凸顯,為天氣預(yù)報、氣象防災(zāi)減災(zāi)和氣候資源開發(fā)提供了更豐富、更準(zhǔn)確、更及時的探測資料,為地方汛期決策服務(wù)提供可視化依據(jù),為維護(hù)廣大人民群眾的切身利益發(fā)揮著積極的作用。同時也對設(shè)備的維修保障、探測站點(diǎn)資料信息和運(yùn)行質(zhì)量管理帶來了前所未有的壓力和挑戰(zhàn)，由于區(qū)域自動氣象站使用的是一張通訊卡，因該運(yùn)營商基站故障或信號衰減嚴(yán)重導(dǎo)致的傳輸不通暢，造成區(qū)域站氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)逾限、缺報現(xiàn)頻繁,還有公網(wǎng)的不確定性和不可維護(hù)性也是區(qū)域自動站因網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的問題增多的原因，并且不可維護(hù)，基本依靠公網(wǎng)自身的維護(hù)能力,嚴(yán)重影響了區(qū)域站的傳輸及時率和數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)可用性。為了減少區(qū)域站的通訊故障率,提高區(qū)域站觀測資料的傳輸及時率和可用性,試制了區(qū)域站無線傳輸雙卡通訊模塊。無線傳輸雙卡通訊模塊的應(yīng)用,將能解決因單個通訊運(yùn)營商基站故障或信號衰減嚴(yán)重而導(dǎo)致的傳輸不通暢問題,從而提高區(qū)域站資料的傳輸及時率和業(yè)務(wù)可用性。

2 研制思路

研發(fā)GPRS/CDMA雙卡備份的通信模塊。實現(xiàn)2個GPRS/CDMA遠(yuǎn)程通信接口，可以同時自適應(yīng)兩個通信公司的2G、3G或4G通信信號，本模塊具有信號強(qiáng)度自動檢測和自動切換功能，可以實現(xiàn)將信號強(qiáng)度上傳上位機(jī)，讓工作人員了解現(xiàn)場的信號狀態(tài)，保證通信的實時在線。

開發(fā)軟件，在監(jiān)控中心搭建軟件環(huán)境，實現(xiàn)對實驗區(qū)域站通信信號強(qiáng)度的監(jiān)測和控制，通過軟件平臺實現(xiàn)GPRS/CDMA通信模塊自動切換和人工切換。

3 模塊的簡介和使用

本模塊為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)使用4G、3G、2G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸時，由于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)丟失的問題。首先本模塊采用雙 4G 全網(wǎng)通模塊，通過 CPU 智能判斷不同網(wǎng)絡(luò)信號的強(qiáng)弱，優(yōu)先選擇信號好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，保障數(shù)據(jù)傳輸通道效率最佳；其次，智能 CPU 使用大容量緩存數(shù)據(jù)發(fā)送的方式，盡量保證傳輸數(shù)據(jù)的連續(xù)性，做到網(wǎng)絡(luò)切換時通訊數(shù)據(jù)不丟失。

3.1 模塊的性能指標(biāo)及特點(diǎn)

①工作電壓：DC9～36 V；

②功耗：功率<2 W，當(dāng)采用 DC12 V 供電時，建議電流≥1 A;

③網(wǎng)絡(luò)：雙 4G 模塊，兼容 3G、2G 全網(wǎng)通，支持移動、聯(lián)通、電信卡；

④支持 RS232/RS485 通訊，波特率 600～115 200 bps，數(shù)據(jù)雙向透明數(shù)據(jù)傳輸；

⑤自帶硬件看門狗IC，上電、掉線、異常死機(jī)后自動重啟、自動聯(lián)網(wǎng)，無需人工干預(yù)；

⑥支持 TCP、UDP 通訊協(xié)議，支持 DNS 域名解析；

⑦自定義串口設(shè)置協(xié)議，遠(yuǎn)程 IP 和端口可自主設(shè)置，設(shè)置參數(shù)掉電不丟失。

3.2 使用說明

3.2.1 模塊外形：共有 2 組指示燈，分別為2個4G模塊的工作狀態(tài)指示，綠色燈為4G模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)指示，由 4G 模塊硬件直接驅(qū)動輸出，紅色燈為上線過程指示，閃爍時表示撥號上網(wǎng)過程中，常亮表示與遠(yuǎn)程中心建立好了 TCP 連接；

3.2.2 模塊電路板及接口(見圖1)：

1——SIM 卡 1，換卡時，推動旁邊黃色按鍵可以彈出 SIM 卡，按卡槽形狀安裝 SIM 卡；

2——SIM 卡 2；

3——2 根 SMA 陰頭天線接口；

4——選擇設(shè)置功能跳線，3PIN 插針，短接到地并重新上電時，附近 2 個 LED 燈全亮表示進(jìn)入到設(shè)置狀態(tài)；

5——DTU 運(yùn)行指示燈，綠色燈為數(shù)據(jù)傳輸指示燈，紅色表示在線狀態(tài)指示燈，閃爍表示正在聯(lián)網(wǎng)，常亮?xí)r表明 TCP 連接已經(jīng)正常；

6——RS232 串口及電源接口。

圖1 電路板及接口圖Fig.1 Circuit board and interface diagram

3.2.3 初始設(shè)置 ①首先需要使 DTU 進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，打開外殼，找到天線接口附近的 3PIN 跳線，此時跳線應(yīng)該在運(yùn)行狀態(tài)，將跳線換另外 2PIN 短接，重新上電即可使 DTU 進(jìn)入到設(shè)置狀態(tài)，此時跳線附近的 2 個燈應(yīng)全部亮起。

②接通串口線與電腦串口，打開專用設(shè)置軟件，如下圖2。

圖2 模塊設(shè)置 Fig.2 Module Settings

在“參數(shù)設(shè)置”頁中，將波特率調(diào)整至“9 600,N,8,2”，打開對應(yīng)串口，依次填寫“終端ID”、“用戶串口波特率”、“心跳時間”、“端口號及協(xié)議類型”、“數(shù)據(jù)中心 IP 地址”等，其中“用戶串口波特率”、“端口號及協(xié)議類型”、“數(shù)據(jù)中心 IP 地址”為必須設(shè)置項，其余設(shè)置可以忽略，設(shè)置成功后，軟件界面對應(yīng)項后面將出現(xiàn)“√”符號。

當(dāng)需要向多個 IP 傳輸數(shù)據(jù)時，端口號后面的序號和 IP 地址后面的序號填寫一致設(shè)置即可，例如當(dāng)需要發(fā)送到第 2 個 IP 和端口時，先填寫端口號和 IP 地址，然后對應(yīng)序號都填 2 直接設(shè)置即可。當(dāng)刪除不需要傳輸?shù)?IP 和端口時，只需要將端口號填寫為 0，后面的序號填寫對應(yīng)序號設(shè)置即可刪除本組設(shè)置，對應(yīng)的 IP 地址設(shè)置可以不做更改。

4 使用測試

設(shè)置完成后，對數(shù)據(jù)雙向通訊測試進(jìn)行。先打開軟件的“串口通訊測試頁”，根據(jù)設(shè)定的用戶串口波特率選擇串口參數(shù)，打開串口，準(zhǔn)備進(jìn)行串口通訊測試；然后將跳線短接到另一側(cè)，此時指示燈由常亮變閃爍，通過“串口通訊測試頁”可以查看到 2 個DTU 的上線過程及狀態(tài)。為正常測試 TCP 連接數(shù)據(jù)傳輸功能，需要將本軟件在 DTU 設(shè)置的數(shù)據(jù)中心 IP 地址的主機(jī)上安裝，并打開“網(wǎng)絡(luò)通訊測試頁”，填寫指定 IP 和目標(biāo)端口后，選擇“服務(wù)端”，啟動 TCP 服務(wù)，等待 DTU 的 TCP 連接請求。

4.1 TCP 通訊測試

在當(dāng)?shù)剡x擇了3個區(qū)域自動站傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的站點(diǎn)開展2個月的測試。

當(dāng) DTU 連接好 TCP 以后，只需要分別在軟件的串口發(fā)送框中輸入一串任意字符，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)送框輸入一串任意字符，通過手動點(diǎn)“發(fā)送”或設(shè)置成“定時發(fā)送”模式就能在對方的數(shù)據(jù)接收框中查看到對方發(fā)送的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為透明數(shù)據(jù)傳輸。可以適當(dāng)改變發(fā)送頻率查看數(shù)據(jù)發(fā)送效果，以此測試方式即可判斷 DTU 是否正常。

4.1.1 心跳包的格式 發(fā)送到省信息中心接收平臺和無錫無線電研究所數(shù)據(jù)監(jiān)控接收平臺進(jìn)行不同組合的測試，測試結(jié)果如下表1：

表1 測試結(jié)果Tab.1 test results

4.1.2 測試結(jié)果 通過遠(yuǎn)程和現(xiàn)場對通訊模塊進(jìn)行測試。當(dāng)通訊模塊通電啟動的時，對使用的兩種通訊信號卡進(jìn)行檢測，自動選擇信號好的通訊卡傳輸資料，另一張卡就處于待命狀態(tài)。待工作的通訊卡信號降低到一定的值的時候，通訊模塊自動啟動另一張卡，檢測其信號，如該卡信號比較好，則自動切換到該卡傳輸資料。通訊模塊的功耗在0.96～1.08 W之間,目前區(qū)域自動站的供電能滿足該通訊模塊的需求。

4.2 通訊模塊數(shù)據(jù)傳輸測試

通過對單要素、兩要素和多要素自動站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試，數(shù)據(jù)均能完整的傳輸在監(jiān)控中心。

5 軟件監(jiān)控平臺功能實現(xiàn)

通過開發(fā)軟件，在監(jiān)控中心搭建軟件環(huán)境，實現(xiàn)對實驗區(qū)域站通信信號強(qiáng)度的監(jiān)測和控制，通過軟件平臺實現(xiàn)GPRS/CDMA通信模塊各通訊運(yùn)營商基站信號強(qiáng)度監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸情況監(jiān)控，并實現(xiàn)人工切換信號強(qiáng)的通訊卡傳輸資料(見圖3～圖5)。

圖5 電信卡運(yùn)行監(jiān)控Fig.5 China Telecom card operation monitoring

6 結(jié)束語

通過實現(xiàn)GPRS/CDMA通信模塊雙卡自動備份并自適應(yīng)4G、3G和2G信號，解決因單個通訊運(yùn)營商基站故障導(dǎo)致的傳輸不通暢問題。大大提高區(qū)域自動站數(shù)據(jù)傳輸及時率和可用性。該GPRS/CDMA通信模塊設(shè)置簡單，功耗小，能滿足貴州山區(qū)業(yè)務(wù)運(yùn)行要求，適合全面推廣運(yùn)用。