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

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(zhì)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)，通過無線通信傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半。通過4G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4G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、項目需求

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，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)等方法進行趨勢分析，最后得出環(huán)境質(zhì)量結論。

  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。

   目前，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。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(diào)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。

   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(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4G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

   采用4G網(wǎng)絡系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的4G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(jīng)過比較分析，我們選擇中國移動的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。

4G無線環(huán)保污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個/所有監(jiān)測點的各種數(shù)據(jù)?？珊芎玫臐M足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。

2、可對各監(jiān)測點儀器設備進行遠程控制：通過4G雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態(tài)報告、開關等控制功能，并可進行系統(tǒng)遠程在線升級。

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

4、監(jiān)控范圍廣：構建環(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(nèi)，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。

5、具有良好的可擴性： 由于目前4G網(wǎng)絡已覆蓋國內(nèi)絕大部分地區(qū)，基本不存在盲區(qū)，可實現(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?G技術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：每個環(huán)保信息采集點每次數(shù)據(jù)傳輸量在10Kbps之內(nèi)。4G網(wǎng)絡傳送速率理論上可達50Mbps，目前4G實際數(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(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡，監(jiān)測中心計算機主機配置固定的IP地址，各個數(shù)據(jù)采集點采用4G模塊和該主機進行通信。

1、環(huán)保信息采集點：

   現(xiàn)場監(jiān)控點通過數(shù)據(jù)采集模塊自動采集污染源信息，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)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GSM網(wǎng)絡。

2、監(jiān)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(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。監(jiān)控中心RADIUS服務器接受到4G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。

3、4G/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(jīng)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4G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4G透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動4G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統(tǒng)一的卡，同時監(jiān)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(jiān)控系統(tǒng)軟件，支持24小時實時在線，實現(xiàn)信息采集點24小時傳送采集的環(huán)保信息數(shù)據(jù)。

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

3、用戶登記：符合環(huán)保局的規(guī)定。

（三）產(chǎn)品特性

1.    提供設備狀態(tài)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(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模塊可實現(xiàn)功能：
1）4G斷線自動重連；
2）根據(jù)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(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)點數(shù)，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(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.    支持專用軟件進行本地和遠程參數(shù)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(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)使用VPN接入到移動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(jīng)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(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公司的GGSN設備上，這種成本高，安全性高、穩(wěn)定可靠。對于安全性要求非常高的系統(tǒng)，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統(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(yè)內(nèi)部虛擬專網(wǎng)的方式與Internet進行隔離，可對整個數(shù)據(jù)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(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、對于特定用戶，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入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進一步增強。

4、數(shù)據(jù)加密：通過VPN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

   采用有線方式，租用靜態(tài)IP目前費用比較高約50元/月。采用4G無線方式，系統(tǒng)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，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。

   采用4G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(diào)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。