4G RTU在環保數據采集系統應用解決方案

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，通過無線通信傳送數據往往事倍功半。通過4G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4G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、項目需求

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，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：監測城市的空氣環境質量現狀，主要水系、主要湖庫、近岸港灣及城市飲用水源的水質現狀,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。

  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。

   目前，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。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。

   4G具有速度快、使用費用低的特點，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4G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

   采用4G網絡系統可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的4G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4G系統作為環保信息采集傳輸系統的數據通信平臺。

4G無線環保污染源在線監控系統具備如下特點：

1、實時性強：與短消息服務比較，由于4G具有實時在線特性，系統無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個/所有監測點的各種數據。可很好的滿足系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制：通過4G雙向系統還可實現對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態報告、開關等控制功能，并可進行系統遠程在線升級。

3、建設成本少低： 由于采用4G公網平臺，無需建設網絡，只需安裝好設備就可以，建設成本低；

4、監控范圍廣：構建環保信息采集傳輸系統要求數據通信覆蓋范圍廣，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。

5、具有良好的可擴性： 由于目前4G網絡已覆蓋國內絕大部分地區，基本不存在盲區，可實現大范圍的在線監控，滿足環保信息采集傳輸系統對覆蓋范圍的要求。

6、系統的傳輸容量大：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4G技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。

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

8、通信費用低： 采用包月計費方式，運營成本低。

三、解決方案介紹

   由于4G通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，監測中心計算機主機配置固定的IP地址，各個數據采集點采用4G模塊和該主機進行通信。

1、環保信息采集點：

   現場監控點通過數據采集模塊自動采集污染源信息，通過RS232接口與4G透明數據傳輸終端相連，通過4G透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GSM網絡。

2、監控中心：

  服務器申請配置固定IP地址，采用省移動通信公司提供的DDN專線，與4G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。監控中心RADIUS服務器接受到4G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。

3、4G/GSM移動數據傳輸網絡：

   現場監控點采集的數據經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4G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4G透明數據傳輸終端，通過移動4G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統一的卡，同時監控中心對各點進行登記，保存相關資料以便識別和維護處理。各信息采集點運行監控系統軟件，支持24小時實時在線，實現信息采集點24小時傳送采集的環保信息數據。

凡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、終端設備使用廈門才茂通信 的4G RTU模塊，型號：CM550-52F  

3、用戶登記：符合環保局的規定。

（三）產品特性

1.    提供設備狀態指示燈，方便設備維護；

2.    寬電壓供電范圍：7V-30V；

3.    帶RS232、RS485；

4.    內置大容量SPI-flash；

5.    4路模擬量輸入，采集精度: 12bit

6.    傳輸支持多種協議，我公司自定協議和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：
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）支持的節點數，只要服務器資源允許，理論上不限；
6）減少布線的成本和施工的麻煩；
7）支持短信數據傳輸、短信參數配置功能；
8）支持電話和短信喚醒功能；

8.    支持專用軟件進行本地和遠程參數配置及維護；

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使用VPN接入到移動4G網，采用VPN方式成本比較低，企業不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設備，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加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網絡服務質量。另外，數據中心也可以采用APN接入方式，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。對于安全性要求非常高的系統，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，進一步提高系統的安全性。

1、VPN虛擬專網模式：企業內部網絡中配置VPN服務器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術，用戶通過接入企業內部虛擬專網的方式與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、對于特定用戶，可通過數據中心分配特定的用戶ID和密碼， 其他沒有數據中心分配的用戶ID和密碼的用戶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：通過VPN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

   采用有線方式，租用靜態IP目前費用比較高約50元/月。采用4G無線方式，系統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，而包月制5元/月有5G流量，可滿足省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。

   采用4G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。