4G RTU在環保數（shù）據采集係統應用解決（jué）方案

環境監（jiān）測部門作為（wéi）國家環境保護係統的技術部門，是環境管理工作的重要基礎。隨著市民環境意（yì）識的增強，越來越多的（de）人開始關心所處環境質（zhì）量的好壞，要求環境保（bǎo）護工作透明化（huà）；上級主管部門也需要數量大、種類多、更新快的信息。所有這一切，給環境監測部門提（tí）出了一個應引起重視的問題：如何建立起實用（yòng）性強、覆蓋麵廣、靈活（huó）性好的環保數據采集係統，滿足各方麵（miàn）對環（huán）境監測信息的需求。

在環保（bǎo）係統中（zhōng），常常需要對眾多的（de）汙染排放點（diǎn）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後端服務器進行處理。由於監測點分散，分布範圍廣，而且大多設置在環境較惡（è）劣的地（dì）區（qū），通過無線（xiàn）通信傳送數據往（wǎng）往事倍功半。通過4G無線網絡進行數據傳輸，成為環（huán）保部門選（xuǎn）擇（zé）的通信手段（duàn）之一。汙染源監測設備可將采集到的汙（wū）染數據和告警信息通過（guò）4G網絡及（jí）時發送到環保監測部門，實（shí）現對排汙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、項目需求

城市的環境（jìng）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，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（jìng）、噪聲（shēng）環境等（děng）。包括：監測城市的空氣環境質量現狀，主要水係、主要湖庫、近（jìn）岸港（gǎng）灣及城市飲（yǐn）用水源的（de）水質現狀,城市的噪聲汙染現狀，並通過綜（zōng）合指數等方法進行趨勢分析，最後得出環境質量結論。

  環保數據采集係統是一個由汙染源排放監測點和監測中心組成的汙染源監測係統。該係統可對汙染源進行自動（dòng）采樣、對主要汙（wū）染因子進（jìn）行在線監測；掌握城市汙染（rǎn）源排（pái）放情況及汙染源排放總（zǒng）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（shù）據匯總、整理和綜合分析；監測信息傳至省（shěng）環保局，由省環保局對汙染源（yuán）進行監督管理。

   目前（qián），各（gè）汙染源排放監測點（diǎn）安裝汙染源監（jiān）測儀，對汙染（rǎn）源進行監（jiān）測。監測中心接收監測點（diǎn）傳輸的監（jiān）測信息；並（bìng）負責對監測信息進行分類、篩選和綜合分析。環保（bǎo）局作為係統的決策中心，對從監測中心站獲得的監測信息進行分析、調（diào）研，及時作出（chū）管理決策，增（zēng）加（jiā）管理力度。

目前，省環保監測站與各采集點之間的數據通信（xìn）主要采用手工抄錄或電話線（xiàn）傳輸。采用電話線傳輸數據時，由於每次撥號都（dōu）需要等待，速度（dù）慢，而且費（fèi）用（yòng）也較高。同時，由於各監控點分布範圍（wéi）廣、數量多、距離遠，個（gè）別點還地處偏僻，因此（cǐ）需（xū）申請很多電話線，而且有些監控點有線線路難以到達。

   4G具有速度快、使用（yòng）費用低的特點，其傳輸速度可達500kb/s。與有線通訊方式相比，采用4G無線通信方式則顯得（dé）非（fēi）常靈活，它（tā）具有組（zǔ）網靈活、擴展容易、運行費用低投，維護（hù）簡單、性價比（bǐ）高等優點因此，目前正考慮采用4G無線傳輸方式（shì）解決（jué）汙染源監測數據的實時傳（chuán）輸問（wèn）題。

二、方案優點

采用4G網絡係統可提供（gòng）廣域的無（wú）線IP連接。在移動通信公司的4G業務平（píng）台上構建環保（bǎo）信息采集傳輸係統，實（shí）現環保（bǎo）信息采集點的無線數據（jù）傳輸具有可充分利用現有網（wǎng）絡（luò），縮短（duǎn）建設周期，降低建（jiàn）設成本的優點，而且（qiě）設備安裝方便、維護（hù）簡單。經過比（bǐ）較分析，我們（men）選擇中國移動的4G係統作為環保（bǎo）信息采集傳輸係統的數據通信平台。

4G無線環保汙染源在線監控係統具備如下特點（diǎn）：

1、實時性強：與短消息服務比較，由（yóu）於4G具有實時在線特性，係統無時延，無（wú）需輪巡就可以同步接收、處（chù）理多個/所有監測點的（de）各種數據。可很好的滿足係統對數據采集和傳輸實時性的要求。

2、可對各監測點儀器設備進行遠程控製：通過4G雙（shuāng）向係統（tǒng）還可實現對儀器設備進（jìn）行反向控製，如：時間校正、狀（zhuàng）態報告、開關等控製功能，並（bìng）可進行係統遠程在（zài）線升級。

3、建設成本少低： 由於采用4G公網（wǎng）平台，無需建（jiàn）設網絡，隻需安裝（zhuāng）好設備（bèi）就可以（yǐ），建（jiàn）設成本低；

4、監控範圍廣：構（gòu）建環（huán）保信（xìn）息采集傳輸係統要求數（shù）據通（tōng）信覆蓋範圍（wéi）廣，擴容無限（xiàn）製，接入地（dì）點無限（xiàn）製，能滿足山（shān）區、鄉鎮和（hé）跨地區（qū）的接入需求。由於（yú）環保信息采（cǎi）集點數量眾多，分布在全省範圍內，部分環保信息采集點位於偏僻（pì）地區（qū），而且地理位置分散。

5、具有（yǒu）良好的可擴性： 由於目前4G網絡已（yǐ）覆蓋國內絕（jué）大部分地區，基（jī）本不存在盲區（qū），可實現大範圍的在線監控，滿足環保（bǎo）信息采集傳輸係統對覆蓋範圍的要求。

6、係統的（de）傳輸容量大：環保中心站要和每一個環保信息采（cǎi）集點實現實時連接。由於環保信（xìn）息（xī）采集點數量眾多，係統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而4G技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需（xū）要。

7、數據傳送速率高：每個環保（bǎo）信息采集點每次數據傳輸量在10Kbps之內。4G網絡傳送（sòng）速率理論上可達50Mbps，目前4G實際數據傳輸速率在40mbps左右，完全能滿足本係統數據傳輸速率（≥10Kbps）的需求。

8、通信費用低（dī）： 采（cǎi）用包月計費方式，運營（yíng）成本低。

三、解決方案介紹（shào）

   由於（yú）4G通信是基（jī）於IP地（dì）址（zhǐ）的數據分組通信網絡，監測（cè）中心計（jì）算機主（zhǔ）機配置（zhì）固定的（de）IP地址，各個數據采集點（diǎn）采用4G模塊和該主機進行通信。

1、環保信息采集（jí）點：

   現場監控點（diǎn）通過數據采集模塊自動采集汙染源信息，通過RS232接（jiē）口與4G透明數據傳輸終端相連，通過（guò）4G透明（míng）數據傳輸終端內（nèi）置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝後發送到GSM網絡。

2、監控中心：

  服務器申請（qǐng）配置固定IP地址，采（cǎi）用省移動通信公司（sī）提供（gòng）的DDN專線，與4G網（wǎng）絡相連（lián）。由（yóu）於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（róng）即可滿足需求。監（jiān）控中（zhōng）心（xīn）RADIUS服務器接受到4G網絡傳來的數（shù）據（jù）後先進行（háng）AAA認證，後傳送到監控中心計算機主機，通過係統軟件對數據進行（háng）還原顯示，並進（jìn）行數據處理。

3、4G/GSM移動數據傳輸（shū）網絡：

  現場監控點采集的數據經GSM網絡空中接口功能（néng）模塊同時對數據進行解碼處理，轉（zhuǎn）換成在公（gōng）網數據傳送的格式，通過中國移動的4G無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到監控中心IP地址。

（二）係統方案  

   各監控點使用4G透明數據傳輸終端，通（tōng）過移動4G網絡與（yǔ）監控中心相連。各汙染源數據（jù）采集點使用移動（dòng）通（tōng）信公司統一的卡，同時監控中心對各點進行登（dēng）記，保存（cún）相關資料以便識別和維護處理。各信息采集點運行監控係統軟件，支持24小（xiǎo）時（shí）實時在線，實現信息（xī）采集點24小時傳送采集的環保信息（xī）數據。

凡環保局授權的信息采集點均可以使用本係統：

  1、環保信息采集點必須（xū）使用移動統一的卡，用戶使（shǐ）用本卡隻能用（yòng）於與環保站數據通信功能。

  2、終端設備使用（yòng）武漢朗宇（yǔ）智能科技的4G RTU模塊，型號：CM550-52F  

3、用戶登記：符合環保局的規定。

（三（sān））產品特性

1.提（tí）供設備狀態指示燈，方（fāng）便（biàn）設備維護；

2.寬電壓供電範圍：7V-30V；

3.帶RS232、RS485；

4.內置大（dà）容量（liàng）SPI-flash；

5.4路（lù）模擬量輸入，采集精度: 12bit

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

7.數據傳輸采用GSM模塊可實現功能（néng）：

1）4G斷線自動重連；

2）根據需要最多可同時連接6個中心服務器；

3）支持固定IP、域名解析和APN專網的尋址方式；

4）支持TCP、UDP、PPP、ICMP、DNS、FTP等協議；

5）支持（chí）的節點（diǎn）數，隻要服務器資（zī）源允許，理論上不（bú）限；

6）減少布（bù）線的成本和施工的麻煩；

7）支持短信數據傳輸（shū）、短（duǎn）信參數配置功能；

8）支（zhī）持電話和短信（xìn）喚醒功能；

8.支持專用軟件進行本地和遠程（chéng）參數配置及維護；

9.支持本地和遠程固件升級

（四）安全措施  

由於（yú）環保（bǎo）數據（jù）采（cǎi）集係統的特殊性，本係統需要極高的係統安全保障和穩定性。安全保障主要是防止來自係統（tǒng）內外（wài）的（de）有（yǒu）意和無意的破環，網絡安全防護措施（shī）包括信道加（jiā）密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火牆等。穩定是指係統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，係統也不能中斷運行。 數據中心可通過公網使用VPN接入（rù）到移動4G網，采用（yòng）VPN方式成（chéng）本比較低，企（qǐ）業不用租用專（zhuān）線，還可以利（lì）舊使用原（yuán）有的VPN設（shè）備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應用服務器前，要經過Radius服務器的認證整個數據傳送過程得到了（le）加密保護，安全性比（bǐ）較（jiào）高，可充分保障（zhàng）速度和網絡服務（wù）質量。另外，數據中心也（yě）可以采用APN接入（rù）方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設備上，這種成本高，安全性高、穩定可靠。對於安全性要求非常高的（de）係統（tǒng），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（shì），進一步提高係統的安全性。

1、VPN虛擬專網模式：企業內部網絡中（zhōng）配置VPN服務器，移動終端加載具有VPN二次虛（xū）擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術（shù），用戶通過接入企業內部虛擬（nǐ）專網的方（fāng）式（shì）與Internet進行隔離，可對整個數據傳送過程進行加密保護，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（shòu）權，在網絡側對SIM卡號和APN進行（háng）綁定，劃定用戶可接入某係統的（de）範圍,隻有屬於指定（dìng）行業的SIM卡（kǎ）手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中（zhōng）心（xīn）采用中（zhōng）國移動分配（pèi）的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡（kǎ）號無法呼叫專門的APN。

3、對於特定用戶，可通過數據中心分配特定的用戶ID和（hé）密碼， 其他沒有數據中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無（wú）法登（dēng）錄進入係統，係統的安全性進一（yī）步增強。

4、數據加密：通過VPN對整個數據傳（chuán）送過程進行加密保護。

5、網絡接入安全（quán）鑒定機製（zhì）：采用防火牆軟件，設置網絡鑒權和安全防範功能，保障係統安全。

四、結論

 采用有線方式，租用靜態IP目前費用比較高約50元（yuán）/月。采用4G無線（xiàn）方式，係統流量費（fèi）用（yòng）目前有包月製和按數據量兩種收費方式，按流量計算，而包月製5元/月有5G流量，可滿足省環保局目前環保數據采集係統的（de）實際數據量，估（gū）計日後其費用會逐（zhú）步（bù）降低。對於環保局等用戶來說，由（yóu）於通（tōng）信費用（yòng）較低，享受到了實惠。另外，由於接入設備可（kě）以移動，當環保觀測站和環保信息（xī）采集點搬遷時設備可隨之遷移並可繼續使（shǐ）用，可以保護用戶原有投（tóu）資，適合於環保采集工作（zuò）的特點。

采用4G構建環保數據采集係統，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（de）集團用戶（hù），隨著用戶數量的（de）增加，移動通（tōng）信公司（sī）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（bù）發展的要求。