GPRS環(huán)保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用方案項目需求

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。

GPRS具有速度快、使用費用低的特點，其傳輸速度可達171.2kb/s。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，可以采用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。

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(jīng)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。

與短消息服務比較，由于GPRS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。

通過GPRS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。

由于采用GPRS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;

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，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。

由于目前GSM/GPRS網(wǎng)絡已覆蓋省內絕大部分地區(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。

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?，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。

每個環(huán)保信息采集點每次數(shù)據(jù)傳輸量在10Kbps之內。GPRS網(wǎng)絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在40Kbps左右，完全能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率(≥10Kbps)的需求。

采用包月計費方式，運營成本低。

由于GPRS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GPRS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GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連，通過GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端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。

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。

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(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。

各監(jiān)控點使用GPRS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統(tǒng)一的STK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STK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、終端設備使用夢網(wǎng)科技提供的GPRS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。

系統(tǒng)采用MRM6155 DTU無線透明數(shù)據(jù)傳輸終端。產(chǎn)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RS232/RS485接口, 可直接與PC、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，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點之間的數(shù)據(jù)采集和控制。

? 高度集成GPRS和TCP/IP技術，可實現(xiàn)點對點，點對多點等靈活的無線組網(wǎng)方式

? 內置嵌入式CPU完成復雜的網(wǎng)絡協(xié)議，支持PPP、ICMP、TCP、UDP、DNS等協(xié)議，為用戶數(shù)據(jù)提供透明傳輸通道

? 性能穩(wěn)定，保證野惡劣環(huán)境下長期可靠工作，內置看門狗電路

? 支持永遠在線模式，用戶可設置心跳間隔時間和心跳包，保持設備長期在線

? 在網(wǎng)絡故障或中心關閉等情況下，DTU具有條件恢復后自動重連功能

? DTU能夠工作在全透明傳輸方式下保證100%不丟失，除非網(wǎng)絡故障

? DTU能夠工作在全透明傳輸模式和用戶指令模式，以給DTU傻瓜型和靈活性雙重角色

? 支持中心為固定IP方式或動態(tài)IP+動態(tài)域名解析方式

? 提供RS232/RS485/RS422通訊接口，波特率可選擇，從300bps到115200bps，開始位/停止位/奇偶校驗可選，RTS/CTS流控可選

? 支持近端和遠程參數(shù)配置與訪問

? 支持遠程喚醒

? 內置FLASH存儲器，能夠長期保存用戶配置的參數(shù)

? 支持串口升級固件程序

? 支持APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)業(yè)務

? 抗干擾設計，適合電磁環(huán)境惡劣的應用場合

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)使用VPN接入到移動GPRS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。

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。

電力監(jiān)控

油田監(jiān)測

遠程抄表

路燈監(jiān)控

環(huán)境監(jiān)測

氣象監(jiān)測

水利監(jiān)測

熱網(wǎng)監(jiān)測

電表監(jiān)測

機房監(jiān)控

交通指示

煤炭監(jiān)控

地震監(jiān)測

車輛誘導

供水監(jiān)控

高速公路監(jiān)測

噪聲實時監(jiān)控

環(huán)保重點污染源監(jiān)控

供水管網(wǎng)實時傳輸監(jiān)控

電力配網(wǎng)自動化遙控系統(tǒng)

各類國內外帶串口或485接口的PLC，RTU實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

GPRS DTU最基本的用法是：在DTU中放入一張開通GPRS功能的SIM卡，DTU上電后先注冊到GPRS網(wǎng)絡，然后通過GPRS網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)處理中心建立連接。這條連接涉及了無線網(wǎng)絡運營商，因特網(wǎng)寬 帶供應商，用戶公司的網(wǎng)絡情況，以及用戶的電腦配置等環(huán)節(jié)，因此要建立這條連接需要把各部分都配置好。

在本質上，DTU和數(shù)據(jù)處理中心建立的是SOCKET連接。DTU是SOCKET客戶端，數(shù)據(jù)處理中心是SOCKET的服務端。SOCKET連接有TCP協(xié)議和UDP協(xié)議之分，DTU和中心要使用相同的協(xié)議，這個一般都有配置軟件進行配置。

給DTU配置好中心的IP地址和端口號后，則把DTU通過串口和用戶的設備相連。DTU和水文、電力、氣象、環(huán)保等用戶設備通過串口連起來放置在現(xiàn)場。

DTU上電后首先注冊到移動的網(wǎng)絡，然后發(fā)送建立SOCKET的請求包給移動，移動把這個請求發(fā)送到因特網(wǎng)。中心的服務端軟件接收到請求后建立連接，并發(fā)送應答信息。

DTU發(fā)送的請求信息是因特網(wǎng)上的數(shù)據(jù)包，有一些原因會阻止中心收到連接請求包，這樣也就不能建立連接。最常見的有中心的電腦上有殺毒軟件、防火墻等把這些數(shù)據(jù)包給屏蔽了。另一是中心電腦是通過路由器上網(wǎng)的，在路由器上要設置數(shù)據(jù)轉發(fā)。SOCKET連接建立后就可以雙向通信了。

GPRS DTU上電后，首先讀出內部FLASH中保存的工作參數(shù)（包括GPRS撥號參數(shù)，串口波特率，數(shù)據(jù)中心IP地址等等，事先已經(jīng)配置好）。

GPRS DTU登陸GSM網(wǎng)絡，然后進行GPRS PPP撥號。撥號成功后，GPRS DTU將獲得一個由移動隨機分配的內部IP地址(一般是10.X.X.X)。也就是說，GPRS DTU處于移動內網(wǎng)中，而且其內網(wǎng)IP地址通常是不固定的，隨著每次撥號而變化。 我們可以理解為GPRS DTU這時是一個移動內部局域網(wǎng)內的設備，通過移動網(wǎng)關來實現(xiàn)與外部Internet公網(wǎng)的通信。這與局域網(wǎng)內的電腦通過網(wǎng)關訪問外部網(wǎng)絡的方式相似。

GPRS DTU主動發(fā)起與數(shù)據(jù)中心的通信連接，并保持通信連接一直存在。 由于GPRS DTU處于移動內網(wǎng)，而且IP地址不固定。因此，只能由GPRS DTU主動連接數(shù)據(jù)中心，而不能由數(shù)據(jù)中心主動連接GPRS DTU。這就要求數(shù)據(jù)中心具備固定的公網(wǎng)IP地址或固定的域名。數(shù)據(jù)中心的公網(wǎng)IP地址或固定的域名作為參數(shù)存儲在GPRS DTU內，以便GPRS DTU一旦上電撥號成功，就可以主動連接到數(shù)據(jù)中心。

具體地講，GPRS DTU通過數(shù)據(jù)中心的IP地址（如果是采用中心域名的話，先通過中心域名解析出中心IP地址）以及端口號等參數(shù)，向數(shù)據(jù)中心發(fā)起TCP或UDP通信請求。在得到中心的響應后，GPRS DTU即認為與中心握手成功，然后就保持這個通信連接一直存在，如果通信連接中斷，GPRS DTU將立即重新與中心握手。

由于TCP/UDP通信連接已經(jīng)建立，就可以進行數(shù)據(jù)雙向通信了。

對于DTU來說，只要建立了與數(shù)據(jù)中心的雙向通信，完成用戶串口數(shù)據(jù)與GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的轉換就相對簡單了。一旦接收到用戶的串口數(shù)據(jù)，DTU就立即把串口數(shù)據(jù)封裝在一個TCP/UDP包里，發(fā)送給數(shù)據(jù)中心。反之，當DTU收到數(shù)據(jù)中心發(fā)來的TCP/UDP包時，從中取出數(shù)據(jù)內容，立即通過串口發(fā)送給用戶設備。

通過有線的數(shù)據(jù)采集中心，同時與很多個GPRS DTU進行雙向通信。這是目前GPRS DTU應用系統(tǒng)中最為常用的方式。

（1）內部集成TCP/IP協(xié)議棧

GPRS DTU內部封裝了PPP撥號協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議棧并且具有嵌入式操作系統(tǒng)，從硬件上，它可看作是嵌入式PC與無線GPRS MODEM的結合；它具備GPRS撥號上網(wǎng)以及TCP/IP數(shù)據(jù)通信的功能。

（2）提供串口數(shù)據(jù)雙向轉換功能

GPRS DTU提供了串行通信接口，包括RS232,RS485,RS422等都屬于常用的串行通信方式，而且GPRS DTU在設計上大都將串口數(shù)據(jù)設計成“透明轉換”的方式，也就是說GPRS DTU可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉換成TCP/IP數(shù)據(jù)包進行傳送，而不需要改變原有的數(shù)據(jù)通信內容。因此，GPRS DTU可以和各種使用串口通信的用戶設備進行連接，而且不需要對用戶設備作改動。

（3）支持自動心跳，保持永久在線

GPRS通信網(wǎng)絡的優(yōu)點之一就是支持GPRS終端設備永久在線，因此典型的GPRS DTU在設計上都支持永久在線功能，這就要求DTU包含了上電自動撥號、采用心跳包保持永久在線（當長時間沒有數(shù)據(jù)通信時，移動網(wǎng)關將斷開DTU與中心的連接，心跳包就是DTU與數(shù)據(jù)中心在連接被斷開之前發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包，以保持連接不被斷開）、支持斷線自動重連、自動重撥號等特點。

（4）支持參數(shù)配置，永久保存

GPRS DTU作為一種通信設備，其應用場合十分廣泛。在不同的應用中，數(shù)據(jù)中心的IP地址及端口號，串口的波特率等都是不同的。因此，GPRS DTU都應支持參數(shù)配置，并且將配置好的參數(shù)保存內部的永久存儲器件內（一般為FLASH或EEPROM等）。一旦上電，就自動按照設置好的參數(shù)進行工作。

GPRS DTU使用場合一般可以從以下幾個實際應用角度來講：

（1） 現(xiàn)場只能使用無線通信環(huán)境

當數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的設備需要在移動中工作，或者采集現(xiàn)場處于野外等情況下，無法提供有線通信的環(huán)境。這個時候，采用GPRS無線網(wǎng)絡就可能是一個好的選擇，因為GPRS網(wǎng)絡的覆蓋率在國內已經(jīng)很高，全國大部分地區(qū)均有GPRS信號覆蓋。

（2） 現(xiàn)場終端的傳輸距離分散

由于GPRS網(wǎng)絡是覆蓋全國的公共網(wǎng)絡，因此采用GPRS來傳輸數(shù)據(jù)的一大優(yōu)勢就是現(xiàn)場采集點可以分步在全國范圍，數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)場采集點之間的距離不受限制。無線公網(wǎng)通信（包括GPRS/CDMA網(wǎng)絡,3G網(wǎng)絡等）這個非常顯著的優(yōu)點是專用無線通信網(wǎng)絡（比如數(shù)傳電臺，WiMax，WLAN等）無法達到的。

（3） 適當?shù)臄?shù)據(jù)實時性要求

國內GPRS網(wǎng)絡，其傳輸數(shù)據(jù)的延時為秒級范圍。在絕大部分時間下，GPRS數(shù)據(jù)通信的平均整體延時為2秒左右。也就是說，從GPRS DTU端發(fā)送的數(shù)據(jù)包將大致在2秒鐘后到達數(shù)據(jù)中心。反之，從數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)包也大致在2秒鐘后到達GPRS DTU。

總的來說，GPRS這種實時性，可以滿足大多數(shù)行業(yè)應用的要求。 但是，對于一些特定的應用系統(tǒng)，如果不能承受2秒左右的平均延時，那么GPRS通信方式就可能是不適合的。（另外，CDMA網(wǎng)絡的傳輸延時也是1秒-2秒左右）。

從另一個角度來講，如果我們要設計的系統(tǒng)希望通過GPRS網(wǎng)絡來傳輸數(shù)據(jù)，那么就要在設計通信協(xié)議時候考慮這種延時的情況。

（4） 適當?shù)臄?shù)據(jù)通信速率

GPRS DTU與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通信速率一般在10kbps-60kbps之間。從也就是說，GPRS DTU可以持續(xù)不斷地以10bps-60kbps的速度向中心發(fā)送數(shù)據(jù)，反之亦然。（補充說明：國內CDMA網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信平均速率可以達到40kbps-90kbps左右）從系統(tǒng)應用可靠性角度來講，我們認為當應用系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)平均通信量在30kbps以內的時候，使用GPRS網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)傳輸是比較適合的。

也可以從另外一方面，例如果通過GPRS網(wǎng)絡來進行遠程傳輸數(shù)據(jù)，那么就需要把數(shù)據(jù)平均通信量控制在30kbps之內。（注意：這里的平均持續(xù)通信速率和瞬間通信速率是有區(qū)別的，與設備串口波特率也不是同一個概念）

以上的幾點可以用于判斷應用系統(tǒng)是否適合采用GPRS網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，如果這幾個方面都比較符合的話，那么采用GPRS DTU進行數(shù)據(jù)傳輸是非常合適的。