基于GPRS DTU環(huán)保監(jiān)測應用方案
環(huán)境監(jiān)測部門作為國家環(huán)境保護系統(tǒng)的技術部門，是環(huán)境管理工作的重要基礎。隨著市民環(huán)境意識的增強，越來越多的人開始關心所處環(huán)境質量的好壞，要求環(huán)境保護工作透明化；上級主管部門也需要數(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(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足各方面對環(huán)境監(jiān)測信息的需求。
在環(huán)保系統(tǒng)中，常常需要對眾多的污染排放點進行實時監(jiān)測，大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)需要實時發(fā)送到管理中心的后端服務器進行處理。由于監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環(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)絡進行數(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)測設備可將采集到的污染數(shù)據(jù)和告警信息通過GPRS網(wǎng)絡及時發(fā)送到環(huán)保監(jiān)測部門，實現(xiàn)對排污單位或個人的及時管理，可以大大提高環(huán)保部門的工作效率。
一、市場需求
某省現(xiàn)已有16個城市的環(huán)境監(jiān)測站及各縣區(qū)監(jiān)測站納入省級監(jiān)測網(wǎng)，三級以上環(huán)境監(jiān)測站共102個，監(jiān)測主要對象是工業(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14個城市的空氣環(huán)境質量現(xiàn)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(xiàn)狀,9個城市的噪聲污染現(xiàn)狀，并通過綜合指數(shù)等方法進行趨勢分析，最后得出環(huán)境質量結論。
省環(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個由污染源排放監(jiān)測點和監(jiān)測中心組成的污染源監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對污染源進行自動采樣、對主要污染因子進行在線監(jiān)測；掌握城市污染源排放情況及污染源排放總量，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)绞…h(huán)保監(jiān)測中心；由監(jiān)測中心的計算機進行數(shù)據(jù)匯總、整理和綜合分析；監(jiān)測信息傳至省環(huán)保局，由省環(huán)保局對污染源進行監(jiān)督管理。
各污染源排放監(jiān)測點安裝污染源監(jiān)測儀，對污染源進行監(jiān)測。監(jiān)測中心接收監(jiān)測點傳輸?shù)谋O(jiān)測信息；并負責對監(jiān)測信息進行分類、篩選和綜合分析。省環(huán)保局作為系統(tǒng)的決策中心，對從監(jiān)測中心站獲得的監(jiān)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(huán)保監(jiān)測站與各采集點之間的數(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，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(jiān)控點分布范圍廣、數(shù)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(jiān)控點有線線路難以到達。
而GPRS數(shù)據(jù)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(shù)速度可達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、擴展容易、運行費用低投，維護簡單、性價比高等優(yōu)點因此，目前正考慮采用GPRS無線傳輸方式解決污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸問題。
二、方案優(yōu)點
中國移動GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業(yè)務平臺上構建環(huán)保信息采集傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)保信息采集點的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡，縮短建設周期，降低建設成本的優(yōu)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(tǒng)作為環(huán)保信息采集傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺。
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：
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。中心可以與多個監(jiān)測點同時進行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。GPRS網(wǎng)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(tǒng)數(shù)傳電臺的多機頻段“碰撞”現(xiàn)象。
B、實時性強：GPRS具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此GPRS DTU監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以多個監(jiān)測點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數(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)絡已經實現(xiàn)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(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于環(huán)保信息采集點數(shù)量眾多，分布在全省范圍內，部分環(huán)保信息采集點位于偏僻地區(qū)，而且地理位置分散。因此采用GPRS網(wǎng)絡是其理想的選擇。
D、系統(tǒng)建設成本低：由于采用GPRS公網(wǎng)平臺，無需建設網(wǎng)絡，只需安裝設備就即可，建設成本低；也免去了網(wǎng)絡維護費用。
E、系統(tǒng)運營成本低：采用GPRS公網(wǎng)通信，全國范圍內均按統(tǒng)一費率計費，省去昂貴的漫游費用, GPRS網(wǎng)絡可按數(shù)據(jù)實際通信流量計費，(1分-3分/1K字節(jié))，也可以按包月不限流量收費，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。
F、可對各監(jiān)測點儀器設備進行控制：通過GPRS DTU數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，可實現(xiàn)對現(xiàn)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(tài)查詢，遠程參數(shù)配置，遠程固件升級等。
G、系統(tǒng)的傳輸容量，擴容性能好：環(huán)保中心站要和每一個環(huán)保信息采集點實現(xiàn)實時連接。由于環(huán)保信息采集點數(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?，?/span>GPRS技術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，具備良好的擴展性能，一個監(jiān)控中心可輕松支持幾千個現(xiàn)場采集點的通信接入。
H、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環(huán)境：雖然與遠在千里的數(shù)據(jù)中心進行雙向通信，GPRS數(shù)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(tǒng)數(shù)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(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡，因此監(jiān)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信。
（一）系統(tǒng)組成
(1)、環(huán)保信息采集點：
現(xiàn)場監(jiān)控點通過環(huán)保數(shù)據(jù)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(huán)保數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS 數(shù)據(jù)傳輸終端的內置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡。
(2)、監(jiān)控中心：
a）公網(wǎng)接入方案
服務器采用公網(wǎng)方式接入Internet，如ADSL撥號/電信專線寬帶上網(wǎng)等，申請公網(wǎng)固定IP地址；可以實現(xiàn)中小容量的數(shù)據(jù)采集應用。
b）專網(wǎng)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(wǎng)絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當環(huán)保信息采集點數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求，可實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)采集應用。
監(jiān)控中心RADIUS服務器接受到GPRS網(wǎng)絡傳來的數(shù)據(jù)后先進行AAA認證，后傳送到監(jiān)控中心計算機主機，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進行還原顯示，并進行數(shù)據(jù)處理，這樣進一步增強了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信安全性能。
3、GPRS/GSM移動數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡：
現(xiàn)場監(jiān)控點采集的數(shù)據(jù)經GPRS/GSM網(wǎng)絡空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進行解碼處理，轉換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。
（二）系統(tǒng)方案
各監(jiān)控點使用GPRS DTU透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動GPRS網(wǎng)絡與監(jiān)控中心相連。各污染源數(shù)據(jù)采集點使用移動通信公司的GPRS普通數(shù)據(jù)卡或APN專用數(shù)據(jù)卡，同時監(jiān)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(lián)，以便識別和維護處理。信息采集中心運行監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實時采集環(huán)保信息數(shù)據(jù)。
凡省環(huán)保局授權的信息采集點均可以使用本系統(tǒng)：
1、環(huán)保信息采集點必須使用移動統(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(shù)據(jù)通信終端。
3、用戶登記：符合省級環(huán)保局的規(guī)定。
（三）產品特性
本系統(tǒng)采用才茂通信 的GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網(wǎng)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(shù)據(jù)接口可直接與計算機、單片機系統(tǒng)、RTU測控終端、PLC、GPS接收機、數(shù)據(jù)集中器等連接，傳輸速率達171Kbps，具有遠程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調度或控制中心與眾多遠端站之間的數(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+標準
3、提供RS232接口
4、系統(tǒng)理論傳輸速率171Kbps，實際傳輸速率40Kbps。
5、支持透明數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)終端永遠在線或工作模式選擇
6、支持中心為固定IP或動態(tài)數(shù)據(jù)中心域名
7、支持APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)業(yè)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(yè)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(yōu)化電磁兼容設計，適合電磁環(huán)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(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)內外的有意和無意的破環(huán)，網(wǎng)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(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運行。
數(shù)據(jù)中心可通過公網(wǎng)接入,或者到移動專網(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，GPRS DTU數(shù)據(jù)傳輸設備要經過Radius服務器的認證, 整個數(shù)據(jù)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(wǎng)絡服務質量。
1、APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)模式：企業(yè)內部網(wǎng)絡中配置APN服務器，移動終端使用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，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網(wǎng)絡側對SIM卡號和APN進行綁定，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卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數(shù)據(jù)中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網(wǎng)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(shù)據(jù)傳設備單獨配置ID號和密碼，通過數(shù)據(jù)中心在其登陸時進行應用層認證，其他沒有數(shù)據(jù)中心分配的ID號和密碼的GPRS的設備將無法登錄進入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進一步增強。
4、數(shù)據(jù)加密：可對整個數(shù)據(jù)傳送過程進行加密保護。
5、網(wǎng)絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網(wǎng)絡鑒權和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。
四、結論
數(shù)據(jù)中心采用有線方式，租用靜態(tài)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(shù)據(jù)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(huán)保局目前環(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)量，估計日后其費用會逐步降低。
對于環(huán)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(huán)保觀測站和環(huán)保信息采集點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續(xù)使用，可以保護用戶原有投資，適合于環(huán)保采集工作的特點。
因此, 采用GPRS構建環(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)絡運營商的移動通信公司也將因此獲得業(yè)務穩(wěn)定的集團用戶，隨著用戶數(shù)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(wǎng)絡建設和網(wǎng)絡應用同步發(fā)展的要求。
