基于GPRS DTU環保監測應用方案

 環境監測部門作為國家環境保護系統的技術部門，是環境管理工作的重要基礎。隨著市民環境意識的增強，越來越多的人開始關心所處環境質量的好壞，要求環境保護工作透明化；上級主管部門也需要數量大、種類發多、更新快的信息。所有這一切，給環境監測部門提出了一個應引起重視的問題：如何建立起實用性強、覆蓋面廣、靈活性好的環保數據采集系統，滿足各方面對環境監測信息的需求。

在環保系統中，常常需要對眾多的污染排放點進行實時監測，大部分監測數據需要實時發送到管理中心的后端服務器進行處理。由于監測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環境較惡劣的地區，通過電話線傳送數據往往事倍功半。通過GPRS無線網絡進行數據傳輸，成為環保部門選擇的通信手段之一。污染源監測設備可將采集到的污染數據和告警信息通過GPRS網絡及時發送到環保監測部門，實現對排污單位或個人的及時管理，可以大大提高環保部門的工作效率。

一、市場需求

某省現已有16個城市的環境監測站及各縣區監測站納入省級監測網，三級以上環境監測站共102個，監測主要對象是工業"三廢"的排放及治理情況及大氣環境、水環境、噪聲環境等。包括：監測14個城市的空氣環境質量現狀，12條主要水系、7個主要湖庫、7個近岸港灣及16個城市飲用水源的水質現狀,9個城市的噪聲污染現狀，并通過綜合指數等方法進行趨勢分析，最后得出環境質量結論。

  省環保數據采集系統是一個由污染源排放監測點和監測中心組成的污染源監測系統。該系統可對污染源進行自動采樣、對主要污染因子進行在線監測；掌握城市污染源排放情況及污染源排放總量，監測數據自動傳輸到省環保監測中心；由監測中心的計算機進行數據匯總、整理和綜合分析；監測信息傳至省環保局，由省環保局對污染源進行監督管理。

各污染源排放監測點安裝污染源監測儀，對污染源進行監測。監測中心接收監測點傳輸的監測信息；并負責對監測信息進行分類、篩選和綜合分析。省環保局作為系統的決策中心，對從監測中心站獲得的監測信息進行分析、調研，及時作出管理決策，增加管理力度。

  目前，省環保監測站與各采集點之間的數據通信主要采用手工抄錄或PSTN電話線傳輸。采用電話線傳輸數據時，由于每次撥號都需要等待，速度慢，而且費用也較高。同時，由于各監控點分布范圍廣、數量多、距離遠，個別點還地處偏僻，因此需申請很多電話線，而且有些監控點有線線路難以到達。

  而GPRS數據傳輸具有速度快、分布范圍廣、使用費用低的特點，其傳輸速度理論上最高可達171.2kb/s，實際平均數速度可達30kb/s字節/秒。與有線通訊方式相比，采用GPRS無線通信方式則顯得非常靈活，它具有組網靈活、擴展容易、運行費用低投，維護簡單、性價比高等優點因此，目前正考慮采用GPRS無線傳輸方式解決污染源監測數據的實時傳輸問題。

二、方案優點

中國移動GPRS系統可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業務平臺上構建環保信息采集傳輸系統，實現環保信息采集點的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡，縮短建設周期，降低建設成本的優點，而且設備安裝方便、維護簡單。經過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統作為環保信息采集傳輸系統的數據通信平臺。

  GPRS無線環保污染源在線監控系統（GPRS DTU）具備如下特點：

  A、可靠性高：與SMS短信息方式相比，GPRS DTU采用面向連接的TCP協議通信，避免了數據包丟失的現象，保證數據可靠傳輸。中心可以與多個監測點同時進行數據傳輸，互不干擾。GPRS網絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統數傳電臺的多機頻段“碰撞”現象。

  B、實時性強：GPRS具有實時在線的特性，數據傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此GPRS DTU監測數據中心可以多個監測點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數據傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統數據傳輸速率（≥10Kbps）的需求。

  C、監控范圍廣：GPRS網絡已經實現全國范圍內覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。由于環保信息采集點數量眾多，分布在全省范圍內，部分環保信息采集點位于偏僻地區，而且地理位置分散。因此采用GPRS網絡是其理想的選擇。

  D、系統建設成本低：由于采用GPRS公網平臺，無需建設網絡，只需安裝設備就即可，建設成本低；也免去了網絡維護費用。

  E、系統運營成本低：采用GPRS公網通信，全國范圍內均按統一費率計費，省去昂貴的漫游費用, GPRS網絡可按數據實際通信流量計費，(1分-3分/1K字節)，也可以按包月不限流量收費，從而實現了系統的低成本通信。

  F、可對各監測點儀器設備進行控制：通過GPRS DTU數據監控中心，可實現對現場設備的遠程控制，例如：遠程開關控制，遠程復位控制，遠程狀態查詢，遠程參數配置，遠程固件升級等。

  G、系統的傳輸容量，擴容性能好：環保中心站要和每一個環保信息采集點實現實時連接。由于環保信息采集點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要；由于系統采用成熟的TCP/IP通信架構，具備良好的擴展性能，一個監控中心可輕松支持幾千個現場采集點的通信接入。

H、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環境：雖然與遠在千里的數據中心進行雙向通信，GPRS數傳設備在工作時卻只需與附近的移動基站通信即可,其整體功耗與一臺普通GSM手機相當, 平均功耗僅為200毫瓦左右，比傳統數傳電臺小得多。因此GPRS傳輸方式非常適合在野外使用太陽能供電或蓄電池供電的場合下使用。

3、解決方案介紹

由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，因此監測中心計算機需要一個固定的IP地址或固定的域名，各個數據采集點采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪問該主機，從而進行數據通信。

  （一）系統組成

  (1)、環保信息采集點：

  現場監控點通過環保數據采集器自動采集污染源信息，通過RS232或RS485接口與才茂通信的 GPRS DTU終端相連，環保數據采集器采集到的數據通過GPRS 數據傳輸終端的內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GPRS無線網絡。

  (2)、監控中心：

  a）公網接入方案

  服務器采用公網方式接入Internet，如ADSL撥號/電信專線寬帶上網等，申請公網固定IP地址；可以實現中小容量的數據采集應用。

  b）專網接入方案

  服務器采用省移動通信公司提供的DDN專線, 申請配置固定IP地址，與GPRS網絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當環保信息采集點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求，可實現大容量數據采集應用。

  監控中心RADIUS服務器接受到GPRS網絡傳來的數據后先進行AAA認證，后傳送到監控中心計算機主機，通過系統軟件對數據進行還原顯示，并進行數據處理，這樣進一步增強了系統數據通信安全性能。

  3、GPRS/GSM移動數據傳輸網絡：

  現場監控點采集的數據經GPRS/GSM網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到監控中心IP地址。

  （二）系統方案

  各監控點使用GPRS DTU透明數據傳輸終端，通過移動GPRS網絡與監控中心相連。各污染源數據采集點使用移動通信公司的GPRS普通數據卡或APN專用數據卡，同時監控中心對各點GPRS終端編號進行登記, 并與采集點信息進行關聯，以便識別和維護處理。信息采集中心運行監控系統軟件，實時采集環保信息數據。

  凡省環保局授權的信息采集點均可以使用本系統：

  1、環保信息采集點必須使用移動統一的APN卡，用戶使用本卡只能用于與環保站數據通信功能。

  2、終端設備使用北京禹風時代信息技術有限公司提供的GPRS DTU移動數據通信終端。

  3、用戶登記：符合省級環保局的規定。

  （三）產品特性

  本系統采用才茂通信 的GPRS無線數據傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網絡，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標準232數據接口可直接與計算機、單片機系統、RTU測控終端、PLC、GPS接收機、數據集中器等連接，傳輸速率達171Kbps，具有遠程診斷、測試、監管功能，滿足各行業調度或控制中心與眾多遠端站之間的數據采集和控制。

  1、支持GSM/GPRS 900／1800／1900MHz三頻

  2、符合ETSI GSM Phase 2+標準

  3、提供RS232接口

  4、系統理論傳輸速率171Kbps，實際傳輸速率40Kbps。

  5、支持透明數據傳輸、數據終端永遠在線或工作模式選擇

  6、支持中心為固定IP或動態數據中心域名

  7、支持APN數據專網業務

  8、支持自動心跳，保持永久在線

  9、心跳報告時間間隔用戶可自行設定

  10、支持近端/遠程配置與維護

  11、短信息服務，支持PDU和BLOCK模式

  12、全部采用工業接口

  13、整機低功耗技術，在線待機電流<20mA

  14、先進的電源技術，輸入電壓范圍寬

  15、內置防浪涌、防過流設計

  16、硬件看門狗設計，防止死機

  17、優化電磁兼容設計，適合電磁環境惡劣和要求較高的應用需求

  18、適應低溫、高溫等特殊工作環境

  19、 安裝靈活、使用方便、可靠。

  （四）安全措施

  由于環保數據采集系統的特殊性，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，網絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩定是指系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。

  數據中心可通過公網接入,或者到移動專網接入，采用公網接入方式成本比較低，企業不用租用專線，而使用數據專線接入時，GPRS DTU數據傳輸設備要經過Radius服務器的認證, 整個數據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絡服務質量。

  1、APN數據專網模式：企業內部網絡中配置APN服務器，移動終端使用APN數據專網，由于采用數據專網,服務器與公網Internet隔離,可以有效避免非法入侵。

  2、用SIM卡的唯一性，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。

  3、可以為每個GPRS DTU數據傳設備單獨配置ID號和密碼，通過數據中心在其登陸時進行應用層認證，其他沒有數據中心分配的ID號和密碼的GPRS的設備將無法登錄進入系統，系統的安全性進一步增強。

  4、數據加密：可對整個數據傳送過程進行加密保護。

  5、網絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。

四、結論

  數據中心采用有線方式，租用靜態IP目前費用約800~1500元/月。采集點采用GPRS無線方式，流量費用目前有包月制和按數據量兩種收費方式，按流量計算0.01元-0.03元/KB，而包月制5元/月有30M流量，可滿足環保局目前環保數據采集系統的實際數據量，估計日后其費用會逐步降低。

  對于環保局等用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于接入設備可以移動，當環保觀測站和環保信息采集點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續使用，可以保護用戶原有投資，適合于環保采集工作的特點。

  因此, 采用GPRS構建環保數據采集系統，不僅能很好地滿足環保信息采集的需求，而且，做為網絡運營商的移動通信公司也將因此獲得業務穩定的集團用戶，隨著用戶數量的增加，移動通信公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網絡建設和網絡應用同步發展的要求。