本文提供了一種基於2G/3G/4G無線網路的氣象資訊採集系統原理和實現方案，簡要介紹了2G/3G/4G無線技術的基本知識，描述了2G/3G/4G無線傳輸應用於氣象資訊採集系統的實現方法。通過實際應用，獲得了理想的效果.
專案背景
氣象資訊採集系統利用實時採集的氣象資料，對末來一定時段內的氣象情況作出較為精確的預測和報警，包括進行短期的降雨預報、中期降水預報和洪水的預警預報，是防汛工作中非常重要的環節。 某省氣象局氣象資訊的採集由各氣象觀測站利用氣象採集裝置自動完成採集，通過DDN或者電話線向氣象中心傳送氣象資料，氣象局利用氣象資訊處理程式對各氣象觀測站採集的氣象資料進行加工處理和分析，進而可對短期的降雨和中期降水進行預報，並通過防汛系統向防汛辦報送資料，為洪水預報和防汛提供可靠的決策支援。
目前，某省氣象局現已在全省範圍內建立了300多個氣象觀測資訊採集點，各氣象採集點按照設定的時間間隔採集區域內的各種氣象資訊資料，包括溫度、氣壓、溼度等，測量結果通過DDN或者PSTN電話線向氣象中心傳送氣象資料。採用DDN可充分保證資料傳輸暢通，完整，但缺點是月租費太高；採用PSTN電話線傳輸資料，按時間計費，費用也不便宜。 目前，該省氣象局正考慮建立2G/3G/4G無線氣象資訊採集資料傳輸系統試點。在試點中選擇20多個氣象採集點，採用2G/3G/4G無線資料通訊方式傳輸氣象資料。在試點中，各氣象採集點通過2G/3G/4G無線與中心站主機保持實時連線，自動觀測裝置將獲得的氣象資訊通過2G/3G/4G無線傳給氣象中心主機，氣象中心主機對資訊進行處理，形成氣象預報資訊。
2G/3G/4G無線方案的優勢
移動、聯通、電信2G/3G/4G無線系統可提供廣域的無線IP連線。在移動、聯通、電信通訊公司的2G/3G/4G無線業務平臺上構建氣象資訊採集傳輸系統，實現氣象資訊採集點的無線資料傳輸具有可充分利用現有網路，縮短建設週期，降低建設成本的優點，而且裝置安裝方便、維護簡單。經過比較分析，我們選擇移動、聯通、電信的2G/3G/4G無線系統作為氣象資訊採集傳輸系統的資料通訊平臺。
覆蓋範圍。構建氣象資訊採集傳輸系統要求資料通訊覆蓋範圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。由於氣象資訊採集點數量眾多，分佈在全省範圍內，部分氣象資訊採集點位於偏僻地區，而且地理位置分散。 另外，還必須考慮今後系統擴充的可能，必須具有良好的可擴充套件性。由於目前2G/3G/4G無線已覆蓋全國絕大部分地區，能夠滿足氣象資訊採集傳輸系統對覆蓋範圍的要求。
資料傳輸速率高。每個氣象資訊採集點每次資料傳輸量在10Kbps之內，目前2G/3G/4G無線實際資料傳輸速率在2.8Mbps左右，更快的滿足本系統資料傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
系統的傳輸容量大。氣象中心站要和每一個氣象資訊採集點實現實時連線。由於氣象資訊採集點數量眾多，系統要求能滿足突發性資料傳輸的需要，而2G/3G/4G無線技術能很好地滿足傳輸突發性資料的需要。
通訊費用低。採用傳統的有線方式建立氣象資訊採集傳輸系統，必須租用專線或電話線進行連線。由於氣象資訊採集點必須與中心隨時保持連線狀態，而每次資料傳送的資料量很小（在幾K至10K之間），線路資源利用率很低，平均每一個氣象資訊採集點每月的線路費用為800～1200元。而如果採用2G/3G/4G無線通訊方式，由於2G/3G/4G無線採用按資料流量計費的方式，資源利用率高，月通訊費用將在200元之內。
良好的實時響應與處理能力。與短訊息服務比較，由於2G/3G/4G無線具有實時線上特性，系統無時延，可很好的滿足系統對資料採集和傳輸實時性的要求。
解決方案介紹
（一）系統結構
1、氣象資訊採集點：採用廈門才茂的2G/3G/4G無線資料採集傳輸終端，通過RS232串列埠與計算機相連，接入移動公司為氣象局提供的專用的2G/3G/4G無線網路。氣象資訊採集點的計算機執行系統軟體和應用軟體。網路對氣象資訊採集點的接入地點、時間、數量沒有限制，可以隨時增減。可以滿足山區、偏遠地區和跨地區接入的需求。 2、氣象中心站：採用省移動、聯通、電信通訊公司提供的DDN專線，與2G/3G/4G無線網路相連。由於DDN專線可提供較高的頻寬，當氣象資訊採集點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求。
3、2G/3G/4G無線傳輸氣象站採用移動提供的線路和介面。各氣象資訊採集點使用統一的STK卡，同時氣象中心對各點進行登記，儲存相關資料以便識別和維護處理。氣象資訊採集點使用的STK卡只能用於與氣象資訊採集系統的資料通訊功能。各氣象資訊採集點執行原有的系統軟體和應用軟體，支援24小時實時線上，實現氣象資訊採集點24小時傳送採集的氣象資訊資料。
凡省級氣象局授權的氣象資訊採集點均可以使用本系統：
1、氣象資訊採集點必須使用移動統一的STK卡，使用者使用本卡只能用於與氣象站資料通訊功能。
2、使用的終端裝置用才茂通訊提供的2G/3G/4G無線終端裝置。
3、使用者登記：符合省級氣象局的規定。
（二）產品特性
氣象資訊採集傳輸系統採用才茂通訊CM3150P GPRS DTU。CM3150P 2G/3G/4G DTU採用ARM9高效能工業級嵌入式處理器，以實時作業系統為軟體支撐平臺,超大記憶體,內嵌自主智慧財產權的TCP/IP協議棧。為使用者提供高速，穩定可靠，資料終端永遠線上，多種協議轉換的虛擬專用網路。針對網路流量控制的使用者，產品支援語音，簡訊，資料觸發上線以及超時自動斷線的功能。同時也支援雙資料中心備份，以及多資料中心同步接收資料等功能。公司產品已廣泛應用於金融，水利，環保，電力，郵政，氣象等行業。
工業級設計：1.工業級CPU：工業級高效能嵌入式處理，快取記憶體資料，加快高速資料訪問速度；帶緩村，高速指令快取，加強了指令處理速度。2.工業級無線模組：採用工業級無線模組，抗干擾強，傳輸穩定。3.實時作業系統：採用LINUX2.6作業系統，帶記憶體管理單元，實時性強，功能升級快，系統穩定，帶完善TCP/IP協議棧；或者嵌入式UCOS作業系統。4.強化電路板：PCB採用遵循20H和3W原則，同時公司所有產品電路板都採用生益材質來生產，確保板材的穩定可靠。5.工業級元器件：整機元器件採用嚴格篩選的工業級元器件來生產。6.工業級電源：寬壓電源設計，電源適應範圍為DC6V~DC32V，內建電源反向保護和過壓過流保護。
穩定可靠：1.三層系統保護：在原來兩級（軟體保護+CPU內建看門狗WDT保護）系統保護的基礎上，增加一級系統虛擬值守VWM（Virtual Man Watch）檢測保護功能，確保系統穩定可靠2.UIM/SIM卡ESD保護：1.8V/3V/5V標準的推杆式使用者卡介面，內建15KV ESD保護。3.串列埠ESD保護：RS232/RS485/TTL/RS422,內建15KV ESD保護。4.金屬外殼：採用金屬外殼，防輻射，抗干擾；外殼和系統安全隔離，防雷設計；符合電力安規要求；防護等級為IP41；特別適合於環境惡劣的工業控制領域。5.所有無線模組都有通過CGD認證或者FCC認證或者CE認證。6.高速處理CPU：採用高速效能工業級CPU，可以更加高速地處理各種協議資料轉換；解決了業內“假線上”、“假宕機”、“當機”等疑難問題。7.超大記憶體：FLASH64Mbits，SDRAM，256Mbits（不同型號記憶體不同），有超大的記憶體來快取客戶傳送資料，同時接收超大資料包，資料不丟失。8.DNS自動獲取：自動獲取DNS，不再需要人工配置輸入DNS；規避了因為選擇的DNS伺服器異常，導致DTU裝置當機的嚴重現象。9.完善的協議棧：新系統載入了完善的TCP/IP協議棧，採用了完善的TCP/IP協議棧；使網路通訊效能優異，掉線概率極大降低。10.EMC效能優異：通過電力3000V電擊測試，特別適合在工業領域環境惡劣下使用；系統EMC/EMI優異，系統穩定可靠；通過EMC測試；
功能強大：1.TCP透明資料傳輸和UDP透明資料傳輸；支援多種工作模式2.支援虛擬資料專用網（APN/VPDN）3.支援雙資料中心備份及多資料中心（8個）接受資料，最大支援傳送中心達256個4.智慧防掉線。支援線上檢測，線上維持，掉線自動重撥，確保裝置永遠線上5.遠端喚醒：支援簡訊、語音、資料等喚醒方式以及超時斷開網路連線6.支援固定IP通訊方式；支援DDNS動態域名通訊方式7.支援簡訊遠端配置，遠端控制；支援短訊息告警8.豐富介面：提供RS232介面或者RS485介面或者TTL介面或者RS422介面或者USB介面介面，全介面支援。9.完善的網路支援：提供包括2G網路（GSM網路），2.5G網路（GPRS網路），2.75G網路（EDGE網路），3G網路（WCDMA網路、EVDO網路、TD-SCDMA網路），4G網路（HSPA+網路、LTE網路），全網路的產品支援。10.資料包傳輸狀態報告11.標準的AT命令介面12.可以用做普通撥號MODEM13.支援串列埠軟體升級14.同時支援LINUX、UNIX和WINDOWS作業系統
簡單易用1.圖形化配置工具：完善的圖形化配置工具，提供快速配置功能，實現客戶快速配置；提供批量配置功能，實現批量裝置的配置。2.中心軟體：提供C#，VC，VB，DEPHI中心端軟體，方便客戶測試。3.提供多種動態庫DLL：公司提供C# ，VC，VB，DEPHI中心端軟體的動態庫支援，並提供使用說明文件，方便客戶自行快速開發中心端應用軟體。4.豐富第三方軟體支援：包括亞控軟體，三維力控軟體在內的業內主要中心端軟體支援（驅動中選擇“廈門才茂（桑榮）”或者“桑榮”的驅動 ），可以直接方便購買第三方軟體來上專案，實現快速穩定低成本地完成專案。5.檢查軟體：提供串列埠除錯軟體，網路速度檢測軟體，提供不同的除錯等級輸出，方便客戶檢視各種資訊，快速定位問題。
（三）安全措施
本系統需要極高的系統安全保障和穩定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環，網路安全防護措施包括通道加密、信源加密、登入防護、訪問防護、接入防護、防火牆等。穩定是指系統能夠7×24小時不間斷執行，即使出現硬體和軟體故障，系統也不能中斷執行。 資料中心可通過公網使用VPN接入到2G/3G/4G無線網路，採用VPN方式成本比較低，企業不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN裝置，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟體。通過VPN方式，客戶端在連線應用伺服器前，要經過Ｒａｄｉｕｓ伺服器的認證整個資料傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網路服務質量。 另外，資料中心也可以採用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN裝置上，這種成本高，安全性高、穩定可靠。 對於安全性要求非常高的系統，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統的安全性。
1、VPN虛擬專網模式：企業內部網路中配置VPN伺服器，移動終端載入具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟體。採用VPN安全技術，使用者通過接入企業內部虛擬專網的方式與Internet進行隔離，可對 整個資料傳送過程進行加密保護，有效避免非法入侵。
2、利用SIM卡的唯一性，對使用者SIM卡手機號碼進行鑑別授權，在網路側對SIM卡號和APN進行繫結，劃定使用者可接入某系統的範圍,只有屬於指定行業的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與資料中心採用中國移動分配的專門的APN進行無線網路接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
3、對於特定使用者，可通過資料中心分配特定的使用者ID和密碼， 其他沒有資料中心分配的使用者ID和密碼的使用者將無法登入進入系統，系統的安全性進一步增強。 4、資料加密：通過VPN對整個資料傳送過程進行加密保護。 5、網路接入安全鑑定機制：採用防火牆軟體，設定網路鑑權和安全防範功能，保障系統安全。
結論
採用2G/3G/4G無線構建氣象資訊採集系統，不僅能很好地滿足氣象資訊採集的需求，而且，做為網路運營商的通訊公司也將因此獲得業務穩定的集團使用者，隨著使用者數量的增加，通訊公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網路建設和網路應用同步發展的要求。 對於氣象局等使用者來說，由於通訊費用較低，享受到了實惠。另外，由於接入裝置可以移動，當氣象觀測站和氣象資訊採集點搬遷時裝置可隨之遷移並可繼續使用，可以保護使用者原有投資，適合於氣象採集工作的特點。