4G RTU在環(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用解決方案

環(huán)境監(jiān)測(cè)部門作為國(guó)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)，通過無線通信傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半。通過4G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4G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、項(xiàng)目需求

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，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)城市的空氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，主要水系、主要湖庫、近岸港灣及城市飲用水源的水質(zhì)現(xiàn)狀,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。

  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。

   目前，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。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)。

   4G具有速度快、使用費(fèi)用低的特點(diǎn)，其傳輸速度可達(dá)500kb/s。與有線通訊方式相比，采用4G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4G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)

采用4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動(dòng)通信公司的4G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(guó)移動(dòng)的4G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)。

4G無線環(huán)保污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

1、實(shí)時(shí)性強(qiáng)：與短消息服務(wù)比較，由于4G具有實(shí)時(shí)在線特性，系統(tǒng)無時(shí)延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個(gè)/所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)?？珊芎玫臐M足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。

2、可對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制：通過4G雙向系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行反向控制，如：時(shí)間校正、狀態(tài)報(bào)告、開關(guān)等控制功能，并可進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線升級(jí)。

3、建設(shè)成本少低： 由于采用4G公網(wǎng)平臺(tái)，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需安裝好設(shè)備就可以，建設(shè)成本低；

4、監(jiān)控范圍廣：構(gòu)建環(huán)保信息采集傳輸系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)通信覆蓋范圍廣，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。

5、具有良好的可擴(kuò)性： 由于目前4G網(wǎng)絡(luò)已覆蓋國(guó)內(nèi)絕大部分地區(qū)，基本不存在盲區(qū)，可實(shí)現(xiàn)大范圍的在線監(jiān)控，滿足環(huán)保信息采集傳輸系統(tǒng)對(duì)覆蓋范圍的要求。

6、系統(tǒng)的傳輸容量大：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?G技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。

7、數(shù)據(jù)傳送速率高：每個(gè)環(huán)保信息采集點(diǎn)每次數(shù)據(jù)傳輸量在10Kbps之內(nèi)。4G網(wǎng)絡(luò)傳送速率理論上可達(dá)50Mbps，目前4G實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率在40mbps左右，完全能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。

8、通信費(fèi)用低： 采用包月計(jì)費(fèi)方式，運(yùn)營(yíng)成本低。

三、解決方案介紹

   由于4G通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)主機(jī)配置固定的IP地址，各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采用4G模塊和該主機(jī)進(jìn)行通信。

1、環(huán)保信息采集點(diǎn)：

   現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)通過數(shù)據(jù)采集模塊自動(dòng)采集污染源信息，通過RS232接口與4G透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連，通過4G透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(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GSM網(wǎng)絡(luò)。

2、監(jiān)控中心：

  服務(wù)器申請(qǐng)配置固定IP地址，采用省移動(dòng)通信公司提供的DDN專線，與4G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。監(jiān)控中心RADIUS服務(wù)器接受到4G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。

3、4G/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)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(guó)移動(dòng)的4G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4G透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動(dòng)4G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)通信公司統(tǒng)一的卡，同時(shí)監(jiān)控中心對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行登記，保存相關(guān)資料以便識(shí)別和維護(hù)處理。各信息采集點(diǎn)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)軟件，支持24小時(shí)實(shí)時(shí)在線，實(shí)現(xiàn)信息采集點(diǎn)24小時(shí)傳送采集的環(huán)保信息數(shù)據(jù)。

凡環(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)備使用武漢朗宇智能科技的4G RTU模塊，型號(hào)：CM550-52F  

3、用戶登記：符合環(huán)保局的規(guī)定。

（三）產(chǎn)品特性

1.提供設(shè)備狀態(tài)指示燈，方便設(shè)備維護(hù)；

2.寬電壓供電范圍：7V-30V；

3.帶RS232、RS485；

4.內(nèi)置大容量SPI-flash；

5.4路模擬量輸入，采集精度: 12bit

6.傳輸支持多種協(xié)議，我公司自定協(xié)議和Modbus協(xié)議(ASCII、RTU、Modbus TCP)完美支持；

7.數(shù)據(jù)傳輸采用GSM模塊可實(shí)現(xiàn)功能：

1）4G斷線自動(dòng)重連；

2）根據(jù)需要最多可同時(shí)連接6個(gè)中心服務(wù)器；

3）支持固定IP、域名解析和APN專網(wǎng)的尋址方式；

4）支持TCP、UDP、PPP、ICMP、DNS、FTP等協(xié)議；

5）支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)，只要服務(wù)器資源允許，理論上不限；

6）減少布線的成本和施工的麻煩；

7）支持短信數(shù)據(jù)傳輸、短信參數(shù)配置功能；

8）支持電話和短信喚醒功能；

8.支持專用軟件進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程參數(shù)配置及維護(hù)；

9.支持本地和遠(yuǎn)程固件升級(jí)

（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)使用VPN接入到移動(dòng)4G網(wǎng)，采用VPN方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設(shè)備，移動(dòng)終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號(hào)的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應(yīng)用服務(wù)器前，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。另外，數(shù)據(jù)中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動(dòng)公司的GGSN設(shè)備上，這種成本高，安全性高、穩(wěn)定可靠。對(duì)于安全性要求非常高的系統(tǒng)，可考慮在專用APN接入的基礎(chǔ)上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

1、VPN虛擬專網(wǎng)模式：企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置VPN服務(wù)器，移動(dòng)終端加載具有VPN二次虛擬撥號(hào)的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術(shù)，用戶通過接入企業(yè)內(nèi)部虛擬專網(wǎng)的方式與Internet進(jìn)行隔離，可對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過程進(jìn)行加密保護(hù)，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(guó)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、對(duì)于特定用戶，可通過數(shù)據(jù)中心分配特定的用戶ID和密碼， 其他沒有數(shù)據(jù)中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進(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：通過VPN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

 采用有線方式，租用靜態(tài)IP目前費(fèi)用比較高約50元/月。采用4G無線方式，系統(tǒng)流量費(fèi)用目前有包月制和按數(shù)據(jù)量?jī)煞N收費(fèi)方式，按流量計(jì)算，而包月制5元/月有5G流量，可滿足省環(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)。

采用4G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(yíng)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(yíng)收也隨之增加，調(diào)動(dòng)了運(yùn)營(yíng)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。