基于GPRS DTU環(huán)保監(jiān)測(cè)應(yīng)用方案

環(huán)境監(jiān)測(cè)部門作為國家環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)部門，是環(huán)境管理工作的重要基礎(chǔ)。隨著市民環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，越來越多的人開始關(guān)心所處環(huán)境質(zhì)量的好壞，要求環(huán)境保護(hù)工作透明化；上級(jí)主管部門也需要數(shù)量大、種類發(fā)多、更新快的信息。所有這一切，給環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提出了一個(gè)應(yīng)引起重視的問題：如何建立起實(shí)用性強(qiáng)、覆蓋面廣、靈活性好的環(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足各方面對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的需求。

在環(huán)保系統(tǒng)中，常常需要對(duì)眾多的污染排放點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)發(fā)送到管理中心的后端服務(wù)器進(jìn)行處理。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散，分布范圍廣，而且大多設(shè)置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過電話線傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半。通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，成為環(huán)保部門選擇的通信手段之一。污染源監(jiān)測(cè)設(shè)備可將采集到的污染數(shù)據(jù)和告警信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)送到環(huán)保監(jiān)測(cè)部門，實(shí)現(xiàn)對(duì)排污單位或個(gè)人的及時(shí)管理，可以大大提高環(huán)保部門的工作效率。

一、市場(chǎng)需求

某省現(xiàn)已有16個(gè)城市的環(huán)境監(jiān)測(cè)站及各縣區(qū)監(jiān)測(cè)站納入省級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，三級(jí)以上環(huán)境監(jiān)測(cè)站共102個(gè)，監(jiān)測(cè)主要對(duì)象是工業(yè)"三廢"的排放及治理情況及大氣環(huán)境、水環(huán)境、噪聲環(huán)境等。包括：監(jiān)測(cè)14個(gè)城市的空氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，12條主要水系、7個(gè)主要湖庫、7個(gè)近岸港灣及16個(gè)城市飲用水源的水質(zhì)現(xiàn)狀,9個(gè)城市的噪聲污染現(xiàn)狀，并通過綜合指數(shù)等方法進(jìn)行趨勢(shì)分析，最后得出環(huán)境質(zhì)量結(jié)論。

省環(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)由污染源排放監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)中心組成的污染源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)污染源進(jìn)行自動(dòng)采樣、對(duì)主要污染因子進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)；掌握城市污染源排放情況及污染源排放總量，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)绞…h(huán)保監(jiān)測(cè)中心；由監(jiān)測(cè)中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、整理和綜合分析；監(jiān)測(cè)信息傳至省環(huán)保局，由省環(huán)保局對(duì)污染源進(jìn)行監(jiān)督管理。

各污染源排放監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝污染源監(jiān)測(cè)儀，對(duì)污染源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)中心接收監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)信息；并負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分類、篩選和綜合分析。省環(huán)保局作為系統(tǒng)的決策中心，對(duì)從監(jiān)測(cè)中心站獲得的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析、調(diào)研，及時(shí)作出管理決策，增加管理力度。

目前，省環(huán)保監(jiān)測(cè)站與各采集點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時(shí)，由于每次撥號(hào)都需要等待，速度慢，而且費(fèi)用也較高。同時(shí)，由于各監(jiān)控點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，個(gè)別點(diǎn)還地處偏僻，因此需申請(qǐng)很多電話線，而且有些監(jiān)控點(diǎn)有線線路難以到達(dá)。

而GPRS數(shù)據(jù)傳輸具有速度快、分布范圍廣、使用費(fèi)用低的特點(diǎn)，其傳輸速度理論上最高可達(dá)171.2kb/s，實(shí)際平均數(shù)速度可達(dá)30kb/s字節(jié)/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(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、運(yùn)行費(fèi)用低投，維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)因此，目前正考慮采用GPRS無線傳輸方式解決污染源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問題。

二、方案優(yōu)點(diǎn)

中國移動(dòng)GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動(dòng)通信公司的GPRS業(yè)務(wù)平臺(tái)上構(gòu)建環(huán)保信息采集傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)保信息采集點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本的優(yōu)點(diǎn)，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單。經(jīng)過比較分析，我們選擇中國移動(dòng)的GPRS系統(tǒng)作為環(huán)保信息采集傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)。

GPRS無線環(huán)保污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)（GPRS DTU）具備如下特點(diǎn)：

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(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。中心可以與多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。GPRS網(wǎng)絡(luò)本身具備完善的頻分復(fù)用機(jī)制，并具備極強(qiáng)的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)的多機(jī)頻段“碰撞”現(xiàn)象。

B、實(shí)時(shí)性強(qiáng)：GPRS具有實(shí)時(shí)在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小，并支持多點(diǎn)同時(shí)傳輸，因此GPRS DTU監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心可以多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間快速，實(shí)時(shí)地進(jìn)行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。目前GPRS實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。

C、監(jiān)控范圍廣：GPRS網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容無限制，接入地點(diǎn)無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于環(huán)保信息采集點(diǎn)數(shù)量眾多，分布在全省范圍內(nèi)，部分環(huán)保信息采集點(diǎn)位于偏僻地區(qū)，而且地理位置分散。因此采用GPRS網(wǎng)絡(luò)是其理想的選擇。

D、系統(tǒng)建設(shè)成本低：由于采用GPRS公網(wǎng)平臺(tái)，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需安裝設(shè)備就即可，建設(shè)成本低；也免去了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用。

E、系統(tǒng)運(yùn)營成本低：采用GPRS公網(wǎng)通信，全國范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費(fèi)率計(jì)費(fèi)，省去昂貴的漫游費(fèi)用, GPRS網(wǎng)絡(luò)可按數(shù)據(jù)實(shí)際通信流量計(jì)費(fèi)，(1分-3分/1K字節(jié))，也可以按包月不限流量收費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。

F、可對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器設(shè)備進(jìn)行控制：通過GPRS DTU數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，例如：遠(yuǎn)程開關(guān)控制，遠(yuǎn)程復(fù)位控制，遠(yuǎn)程狀態(tài)查詢，遠(yuǎn)程參數(shù)配置，遠(yuǎn)程固件升級(jí)等。

G、系統(tǒng)的傳輸容量，擴(kuò)容性能好：環(huán)保中心站要和每一個(gè)環(huán)保信息采集點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連接。由于環(huán)保信息采集點(diǎn)數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰鳪PRS技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要；由于系統(tǒng)采用成熟的TCP/IP通信架構(gòu)，具備良好的擴(kuò)展性能，一個(gè)監(jiān)控中心可輕松支持幾千個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集點(diǎn)的通信接入。

H、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環(huán)境：雖然與遠(yuǎn)在千里的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行雙向通信，GPRS數(shù)傳設(shè)備在工作時(shí)卻只需與附近的移動(dòng)基站通信即可,其整體功耗與一臺(tái)普通GSM手機(jī)相當(dāng), 平均功耗僅為200毫瓦左右，比傳統(tǒng)數(shù)傳電臺(tái)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(chǎng)合下使用。

3、解決方案介紹

由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，因此監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)需要一個(gè)固定的IP地址或固定的域名，各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪問該主機(jī)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（一）系統(tǒng)組成

(1)、環(huán)保信息采集點(diǎn)：

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)通過環(huán)保數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)采集污染源信息，通過RS232或RS485接口與GPRS DTU終端相連，環(huán)保數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS 數(shù)據(jù)傳輸終端的內(nèi)置嵌入式處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)。

(2)、監(jiān)控中心：

a）公網(wǎng)接入方案

服務(wù)器采用公網(wǎng)方式接入Internet，如ADSL撥號(hào)/電信專線寬帶上網(wǎng)等，申請(qǐng)公網(wǎng)固定IP地址；可以實(shí)現(xiàn)中小容量的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

b）專網(wǎng)接入方案

服務(wù)器采用省移動(dòng)通信公司提供的DDN專線, 申請(qǐng)配置固定IP地址，與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當(dāng)環(huán)保信息采集點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求，可實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

監(jiān)控中心RADIUS服務(wù)器接受到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)后先進(jìn)行AAA認(rèn)證，后傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)主機(jī)，通過系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信安全性能。

3、GPRS/GSM移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動(dòng)的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。

（二）系統(tǒng)方案

各監(jiān)控點(diǎn)使用GPRS DTU透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。各污染源數(shù)據(jù)采集點(diǎn)使用移動(dòng)通信公司的GPRS普通數(shù)據(jù)卡或APN專用數(shù)據(jù)卡，同時(shí)監(jiān)控中心對(duì)各點(diǎn)GPRS終端編號(hào)進(jìn)行登記, 并與采集點(diǎn)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便識(shí)別和維護(hù)處理。信息采集中心運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)時(shí)采集環(huán)保信息數(shù)據(jù)。

凡省環(huán)保局授權(quán)的信息采集點(diǎn)均可以使用本系統(tǒng)：

1、環(huán)保信息采集點(diǎn)必須使用移動(dòng)統(tǒng)一的APN卡，用戶使用本卡只能用于與環(huán)保站數(shù)據(jù)通信功能。

2、終端設(shè)備使用北京禹風(fēng)時(shí)代信息技術(shù)有限公司提供的GPRS DTU移動(dòng)數(shù)據(jù)通信終端。

3、用戶登記：符合省級(jí)環(huán)保局的規(guī)定。

（三）產(chǎn)品特性

本系統(tǒng)采用EC2161系列GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端。產(chǎn)品基于中國移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，提供標(biāo)準(zhǔn)232數(shù)據(jù)接口可直接與計(jì)算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)、RTU測(cè)控終端、PLC、GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)集中器等連接，傳輸速率達(dá)171Kbps，具有遠(yuǎn)程診斷、測(cè)試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調(diào)度或控制中心與眾多遠(yuǎn)端站之間的數(shù)據(jù)采集和控制。

1、支持GSM/GPRS 900／1800／1900MHz三頻

2、符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)

3、提供RS232接口

4、系統(tǒng)理論傳輸速率171Kbps，實(shí)際傳輸速率40Kbps。

5、支持透明數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線或工作模式選擇

6、支持中心為固定IP或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中心域名

7、支持APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)業(yè)務(wù)

8、支持自動(dòng)心跳，保持永久在線

9、心跳報(bào)告時(shí)間間隔用戶可自行設(shè)定

10、支持近端/遠(yuǎn)程配置與維護(hù)

11、短信息服務(wù)，支持PDU和BLOCK模式

12、全部采用工業(yè)接口

13、整機(jī)低功耗技術(shù)，在線待機(jī)電流<20mA

14、先進(jìn)的電源技術(shù)，輸入電壓范圍寬

15、內(nèi)置防浪涌、防過流設(shè)計(jì)

16、硬件看門狗設(shè)計(jì)，防止死機(jī)

17、優(yōu)化電磁兼容設(shè)計(jì)，適合電磁環(huán)境惡劣和要求較高的應(yīng)用需求

18、適應(yīng)低溫、高溫等特殊工作環(huán)境

19、 安裝靈活、使用方便、可靠。

（四）安全措施

由于環(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊性，本系統(tǒng)需要極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無意的破環(huán)，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施包括信道加密、信源加密、登錄防護(hù)、訪問防護(hù)、接入防護(hù)、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時(shí)不間斷運(yùn)行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運(yùn)行。

數(shù)據(jù)中心可通過公網(wǎng)接入,或者到移動(dòng)專網(wǎng)接入，采用公網(wǎng)接入方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，而使用數(shù)據(jù)專線接入時(shí)，GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備要經(jīng)過Radius服務(wù)器的認(rèn)證, 整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護(hù)，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

1、APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)模式：企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置APN服務(wù)器，移動(dòng)終端使用APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)專網(wǎng),服務(wù)器與公網(wǎng)Internet隔離,可以有效避免非法入侵。

2、用SIM卡的唯一性，對(duì)用戶SIM卡手機(jī)號(hào)碼進(jìn)行鑒別授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對(duì)SIM卡號(hào)和APN進(jìn)行綁定，劃定用戶可接入某系統(tǒng)的范圍,只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機(jī)號(hào)才能訪問專用APN，移動(dòng)終端與數(shù)據(jù)中心采用中國移動(dòng)分配的專門的APN進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)接入，普通手機(jī)的SIM卡號(hào)無法呼叫專門的APN。

3、可以為每個(gè)GPRS DTU數(shù)據(jù)傳設(shè)備單獨(dú)配置ID號(hào)和密碼，通過數(shù)據(jù)中心在其登陸時(shí)進(jìn)行應(yīng)用層認(rèn)證，其他沒有數(shù)據(jù)中心分配的ID號(hào)和密碼的GPRS的設(shè)備將無法登錄進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進(jìn)一步增強(qiáng)。

4、數(shù)據(jù)加密：可對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過程進(jìn)行加密保護(hù)。

5、網(wǎng)絡(luò)接入安全鑒定機(jī)制：采用防火墻軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。

四、結(jié)論

數(shù)據(jù)中心采用有線方式，租用靜態(tài)IP目前費(fèi)用約800~1500元/月。采集點(diǎn)采用GPRS無線方式，流量費(fèi)用目前有包月制和按數(shù)據(jù)量兩種收費(fèi)方式，按流量計(jì)算0.01元-0.03元/KB，而包月制5元/月有30M流量，可滿足環(huán)保局目前環(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)量，估計(jì)日后其費(fèi)用會(huì)逐步降低。

對(duì)于環(huán)保局等用戶來說，由于通信費(fèi)用較低，享受到了實(shí)惠。另外，由于接入設(shè)備可以移動(dòng)，當(dāng)環(huán)保觀測(cè)站和環(huán)保信息采集點(diǎn)搬遷時(shí)設(shè)備可隨之遷移并可繼續(xù)使用，可以保護(hù)用戶原有投資，適合于環(huán)保采集工作的特點(diǎn)。

因此, 采用GPRS構(gòu)建環(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅能很好地滿足環(huán)保信息采集的需求，而且，做為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的移動(dòng)通信公司也將因此獲得業(yè)務(wù)穩(wěn)定的集團(tuán)用戶，隨著用戶數(shù)量的增加，移動(dòng)通信公司的營收也隨之增加，調(diào)動(dòng)了運(yùn)營商的積極性，符合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用同步發(fā)展的要求。