GPRS環(huán)保污染源在線監(jiān)控系統(tǒng)解決方案
提供方：中聯(lián)科技
摘要：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。利用GPRS網(wǎng)絡進行無線數(shù)據(jù)傳輸，成為環(huán)保部門選擇的通信手段亮點之一。
一、需求分析
在人類生存環(huán)境日益惡化的今天，建立完整的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的，處理分布在各處的環(huán)境檢測點的數(shù)據(jù)傳輸問題一直是建立環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的難點，建立獨立的無線擴頻系統(tǒng)和使用專線都有龐大的建設、運營費用問題。
GPRS 是通用分組無線業(yè)務(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS拋棄了傳統(tǒng)的獨占電路交換模式，采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，有效地利用了信道資源，帶寬最高可達 171.2Kb/s。目前中國移動的GPRS覆蓋范圍在中心城市幾乎達到了100%，在邊遠地區(qū)也達到了80%以上，實際應用帶寬大約在20- 40Kb/s，特別適合像金融交易、遠程監(jiān)測等行業(yè)的通信需求，完全取代過去傳統(tǒng)的有線MODEM、X.25、數(shù)傳電臺、短信等通信方式。
GPRS通信方式更適合于環(huán)保數(shù)據(jù)采集業(yè)務，目前各省環(huán)保監(jiān)測站與各采集點采用電話線傳送數(shù)據(jù)或手工抄錄，實時性差，費用也不便宜。GPRS無線傳輸數(shù)據(jù)有以下優(yōu)勢：
1）GPRS用戶可隨意分布和移動自己的網(wǎng)點，無需擔心線路的維護或有線在移機時導致的通訊中斷。建設新的監(jiān)測點無需進行拉線、埋線等工作。較光纖或專線系統(tǒng)投資較少，設備安裝方便。
2）終端價格比較低。與DDN相比，較DTU或DDN專線Modem其終端價格便宜很多。
3） GPRS資費便宜，計費合理。GPRS 資費包月比有線電話網(wǎng)絡資費還便宜。環(huán)保數(shù)據(jù)采集業(yè)務沒有大數(shù)據(jù)量的信息傳輸，不必要采用資費很高的專線（DDN、幀中繼）。GPRS還可根據(jù)通信的數(shù)據(jù)量和提供的服務質量進行計費。在GPRS網(wǎng)中，用戶只需與網(wǎng)絡建立一次連接，就可長時間的保持這種連接，并只在傳輸數(shù)據(jù)時才占用信道并被計費，保持時不占用信道不計費。這樣，監(jiān)測點既不用頻繁建立連接，也不必支付傳輸間隙時的費用。
4）GPRS能最好地支持頻繁的、少量突發(fā)型數(shù)據(jù)業(yè)務。通信質量穩(wěn)定可靠，永不掉線。
5） GPRS網(wǎng)絡接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。由于GPRS網(wǎng)本身就是一個分組型數(shù)據(jù)網(wǎng), 支持TCP/IP、X.25協(xié)議，因此無需經(jīng)過PSTN等網(wǎng)絡的轉接，直接與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（IP網(wǎng)或X.25網(wǎng)）互通，接入速度僅幾秒鐘，快于電路型數(shù)據(jù)業(yè)務。采用TCP/IP協(xié)議，較以前的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（集群，雙向傳呼，GSM短信息）而言，網(wǎng)絡接入更加直接方便。
6）覆蓋較好。比較很多無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（集群，雙向傳呼，CDPD，CDMA）而言，其網(wǎng)絡覆蓋是最好的。
二、解決方案
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。利用GPRS網(wǎng)絡進行無線數(shù)據(jù)傳輸，成為環(huán)保部門選擇的通信手段亮點之一。污染監(jiān)測設備將采集到的污染數(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)察部門，可以實現(xiàn)對排污單位或個人的及時管理，大大提高了工作效率，為環(huán)境保護提供了嶄新方式。
2.1 系統(tǒng)結構圖
 圖1 GPRS 環(huán)保污染源監(jiān)控系統(tǒng) |
2.2 系統(tǒng)方案組成
2.2.1 環(huán)保監(jiān)控中心
監(jiān)控中心服務器申請配置Internet上固定的IP地址，或申請配置專線，通過光纖、DDN 等數(shù)據(jù)專線直接和移動中心機房的GPRS 網(wǎng)絡連接。監(jiān)控中心服務器上安裝相關監(jiān)控系統(tǒng)軟件。監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括通信服務器、監(jiān)控中心服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、WEB服務器四個部分。
通信服務器負責實現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)通信協(xié)議、數(shù)據(jù)代理轉發(fā)、通信設備狀態(tài)監(jiān)控等功能；
監(jiān)控中心服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、存儲、反控等功能；
數(shù)據(jù)庫服務器進行數(shù)據(jù)存儲、備份；
WEB服務器實現(xiàn)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務管理等功能。
具體實現(xiàn)時，通信服務器、監(jiān)控中心服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、WEB 服務器可以安裝在一臺服務器中，也可以安裝在不同服務器中。如果行業(yè)客戶要求對終端進行終端IP綁定，需要安裝RADIUS服務器，為系統(tǒng)提供AAA 認證和IP綁定功能。
2.2.2 移動網(wǎng)絡
利用中國移動現(xiàn)有的GPRS/GSM 網(wǎng)絡，監(jiān)控點和監(jiān)控中心系統(tǒng)的所有交換信息通過中國移動的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)傳輸.
2.2.3 GPRS IP Modem
圖2 GPRS IP Modem功能示意圖
GPRS IP MODEM 是一款集成了GPRS MODEM傳輸功能和TCP/IP網(wǎng)絡、路由功能于一體的新型無線移動通信網(wǎng)絡設備。廣域網(wǎng)絡采用GPRS，內部網(wǎng)絡采用標準100BaseT 和串口（包括RS232、RS485 等）連接兩種方式。根據(jù)不同的應用環(huán)境，物理上的這三個接口能夠靈活運用，采用不同的連接方式，使該設備具備了三大功能：以太網(wǎng)→GPRS 網(wǎng)絡的路由功能；串口→以太網(wǎng)網(wǎng)絡轉換功能；串口→GPRS 網(wǎng)絡轉換功能。
以太網(wǎng)→GPRS網(wǎng)絡的路由功能
連接內部局域網(wǎng)絡（LAN）和GPRS 無線廣域網(wǎng)絡（WAN），能通過NAT技術，讓內部的多臺IP 終端設備（如PC）以GPRS無線方式同時共享接入互聯(lián)網(wǎng)絡/企業(yè)網(wǎng)絡，使用現(xiàn)有的各種Internet 網(wǎng)絡服務，如WEB、EMAIL、FTP等及企業(yè)各種應用。
圖3 以太網(wǎng)→GPRS網(wǎng)絡的路由功能示意圖
適用范圍：內部網(wǎng)絡已經(jīng)是標準的TCP/IP網(wǎng)絡，只是在廣域網(wǎng)絡接入方式上選擇了無線移動GPRS網(wǎng)絡。
串口→GPRS網(wǎng)絡轉換功能
由于GPRS是基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡，要求接入的設備必須符合TCP/IP規(guī)范，而大多數(shù)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)終端設備（像金融POS、監(jiān)測監(jiān)控采集設備RTU 等）均不具有IP功能，這些終端設備借助GPRS IP Modem，能輕松方便地通過串口接入GPRS網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程無線聯(lián)網(wǎng)。
圖4 串口→GPRS網(wǎng)絡轉換功能示意圖
適用范圍：金融POS、ATM、監(jiān)測設備等帶有傳統(tǒng)串口的非IP終端設備通過GPRS實現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)？梢圆捎GPRS IP Modem特有的透明傳送方式，除了通信網(wǎng)絡采用GPRS外，其他已有網(wǎng)絡結構并不改變，充分利于過去存在的大量設備，快速經(jīng)濟無線聯(lián)網(wǎng)。
串口→以太網(wǎng)網(wǎng)絡轉換功能（可去掉無線模塊）
將傳統(tǒng)的非IP終端通過RS232/RS485串口直接轉換為具有標準TCP/IP 100BaseT接口的網(wǎng)絡設備，解決了同一位置有多臺串口終端需要同時通過GPRS聯(lián)網(wǎng)的情況。
圖5 串口→以太網(wǎng)網(wǎng)絡轉換功能示意圖
GPRS IP Modem只能提供一個串口解決單臺串口設備接入GPRS問題，對同一地點有多臺串口終端需要接入GPRS的情況，如果每臺設備均通過GPRS IP Modem的串口→GPRS網(wǎng)絡轉換功能接入GPRS無線網(wǎng)絡，干擾較大，并且總體成本方面投入較大。因此可以先采用串口→以太網(wǎng)網(wǎng)絡轉換功能將所有串口終端用局域網(wǎng)絡的方式聯(lián)網(wǎng)，最后集中采用一臺GPRS IP Modem的以太網(wǎng)→GPRS網(wǎng)絡路由功能接入GPRS網(wǎng)絡，整體方案具有很高的性能價格比。
2.2.4 監(jiān)控終端
監(jiān)控儀器通過RS232 串口直接與GPRS IP Modem（智能型GPRS 調制解調器）連接，并由其建立無線數(shù)據(jù)連接。原則上，所有提供RS232/485接口的環(huán)境監(jiān)測設備，如污水流量計、COD（含氧量）/BOD（生物耗氧量）測量儀等均能夠用于該系統(tǒng)方案。
監(jiān)控終端的組網(wǎng)方案因網(wǎng)點的設備數(shù)量多少而有較大差異，主要集中為兩種方式：
1）網(wǎng)點為單臺設備，監(jiān)控終端設備只需要增加一個具有串口的GPRS IP 橋接器就好了。連接方式為上面系統(tǒng)結構圖左邊的三種典型應用。
2）網(wǎng)點為多臺監(jiān)測設備集群使用。多種監(jiān)測設備集中在同一物理位置，如果采用為每臺設備均配置GPRS 模塊的方案，不僅初始安裝費用會提高，而且長期營運的使用費用也較高，同時中國移動的GPRS 基站對同一物理位置的多個GPRS 設備接入也有負荷能力限制。所以我們獨家推出以下解決方案，具有非常高的性能價格比。其示意圖如下：
圖6 GPRS集群使用方案
2.3 方案比較
表1 GPRS無線業(yè)務與其他網(wǎng)絡業(yè)的性價比較
從表1可以看出基于GPRS的環(huán)保污染源在線監(jiān)控方式具有較高的綜合性能價格比。
易于網(wǎng)絡采集點的擴展，幾乎不受到網(wǎng)點規(guī)模的限制，可以在中國移動的全網(wǎng)覆蓋范圍內使用？缡》、跨地區(qū)的網(wǎng)絡也非常容易組建。
可實現(xiàn)集中網(wǎng)絡管理，可用SNMP 協(xié)議實現(xiàn)所有網(wǎng)點設備的集中管理。
GPRS 方案只是通信方式的改變，對上層應用軟件系統(tǒng)幾乎沒有任何影響。同時對現(xiàn)在環(huán)保行業(yè)大量存在的各種監(jiān)測設備也不需要更換和進行硬件電路更改。
2.4 GPRS方案的安全性分析
GPRS 的物理鏈路數(shù)據(jù)本身已經(jīng)采用了加密傳送。
該方案中如果監(jiān)控中心直接連接到GPRS 網(wǎng)絡，實質為內網(wǎng)方案，所有數(shù)據(jù)均與INTERNET 隔離。大大增強了信息的安全性。
可以向移動中心申請單獨的APN（網(wǎng)絡接入點名稱），類似于VPN 方案，可以限制非法SIM用戶的登錄。
三、產(chǎn)品具有的優(yōu)勢
目前CDMA1X網(wǎng)絡設備處于一個新興的蓬勃發(fā)展階段。 CDMA1X 網(wǎng)絡產(chǎn)品是在已成熟的寬帶路由器和SNMP 網(wǎng)管設備等產(chǎn)品的基礎上發(fā)展起來的全新系列產(chǎn)品，硬件采用全新的32位嵌入式RISC CPU，處理能力及系統(tǒng)資源提高10 倍以上。
軟件上采用完整的嵌入式OS 及TCP/IP 協(xié)議包，整體方案和其他競爭對手的產(chǎn)品相比有如下技術優(yōu)勢：
具有100BaseT 網(wǎng)絡接口及完整的IP ROUTER 功能，其他產(chǎn)品均無網(wǎng)絡接口。
具有TCP可靠連接方案，專為金融交易應用而設計。
內嵌WEB Server 配置方式，方便直觀。
強大的網(wǎng)絡管理功能，適合行業(yè)應用。
為整體解決方案提供所需要的系列網(wǎng)絡設備。
支持遠程維護，具有遠程配置、遠程升級和重啟動的功能。
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