基于GPRS、PPC和R-8000模块的的环保数据采集仪

环境监测部门作为国家环境保护系统的技术部门，是环境管理工作的重要基础。随着市民环境意识的增强，越来越多的人开始关心所处环境质量的好坏，要求环境保护工作透明化；上级主管部门也需要数量大、种类多、更新快的信息。所有这一切，给环境监测部门提出了一个应引起重视的问题：如何建立起实用性强、覆盖面广、灵活性好的环保数据采集系统，满足各方面对环境监测信息的需求。
在环保系统中，常常需要对众多的污染排放点进行实时监测，大部分监测数据需要实时发送到管理中心的后端服务器进行处理。由于监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，通过电话线传送数据往往事倍功半。通过GPRS无线网络进行数据传输，成为环保部门选择的通信手段之一。污染源监测设备可将采集到的污染数据和告警信息通过GPRS网络及时发送到环保监测部门，实现对排污单位或个人的及时管理，可以大大提高环保部门的工作效率。
一、项目需求
某省现已有18个城市的环境监测站及各县区监测站纳入省级监测网，三级以上环境监测站共182个，监测主要对象是工业"三废"的排放及治理情况及大气环境、水环境、噪声环境等。包括：监测15个城市的空气环境质量现状，10条主要水系、6个主要湖库、5个近岸港湾及18个城市饮用水源的水质现状,9个城市的噪声污染现状，并通过综合指数等方法进行趋势分析，最后得出环境质量结论。
省环保数据采集系统是一个由污染源排放监测点和监测中心组成的污染源监测系统。该系统可对污染源进行自动采样、对主要污染因子进行在线监测；掌握城市污染源排放情况及污染源排放总量，监测数据自动传输到省环保监测中心；由监测中心的计算机进行数据汇总、整理和综合分析；监测信息传至省环保局，由省环保局对污染源进行监督管理。
目前，各污染源排放监测点安装污染源监测仪，对污染源进行监测。监测中心接收监测点传输的监测信息；并负责对监测信息进行分类、筛选和综合分析。省环保局作为系统的决策中心，对从监测中心站获得的监测信息进行分析、调研，及时作出管理决策，增加管理力度。
目前，省环保监测中心(站)与各采集点之间的数据通信主要采用手工抄录或PSTN电话线传输。采用电话线传输数据时，由于每次拨号都需要等待，速度慢，而且费用也较高。同时，由于各监控点分布范围广、数量多、距离远，个别点还地处偏僻，因此需申请很多电话线，而且有些监控点有线线路难以到达。
GPRS具有速度快、使用费用低的特点，其传输速度可达115.2kb/s。与有线通讯方式相比，采用GPRS无线通信方式则显得非常灵活，它具有组网灵活、扩展容易、运行费用低投，维护简单、性价比高等优点，因此，目前的环境监测系统已采用GPRS无线传输与PSTN相结合的方式解决污染源监测数据的实时传输问题。 新建的监测点采用GPRS方式进行数据传输，老的监测点逐渐改造，以提高实时性和降低通信费用。
当然，用GPRS或PSTN进行数据传输仅仅是现场监测站的功能之一，它仅仅解决了数据的传输问题，而数据采集、存储、显示及部分设备的启停控制则需要“环保数据采集仪”来完成。
二．环保数据采集仪的组成
北京鼎升力创研发生产的“环保数据采集仪”包含以下几个部分：
1．8.4”TFT液晶屏、5线电阻式触摸屏
2．低功耗、嵌入式X86 CPU
3．4个RS-232/RS-485串口、1个USB接口、1个100M网口
4．1块GPRS通讯模块
5．4路光隔离D/I、5路继电器D/O、8路16位A/D
6．运行Windows XPE嵌入式操作系统
此仪器可通过GPRS、PSTN及Internet进行数据传输

三、方案优点
中国移动GPRS系统可提供广域的无线IP连接。在移动通信公司的GPRS业务平台上构建环保信息采集传输系统，实现环保信息采集点的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。经过比较分析，我们选择中国移动的GPRS系统作为环保信息采集传输系统的数据通信平台。
GPRS无线环保污染源在线监控系统具备如下特点：
1、实时性强：
与短消息服务比较，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个/所有监测点的各种数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。
2、可对各监测点仪器设备进行远程控制：
通过GPRS双向系统还可实现对仪器设备进行反向控制，如：时间校正、状态报告、开关等控制功能，并可进行系统远程在线升级。
3、建设成本少低：
由于采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装好设备就可以，建设成本低；
4、监控范围广：
构建环保信息采集传输系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。由于环保信息采集点数量众多，分布在全省范围内，部分环保信息采集点位于偏僻地区，而且地理位置分散。
5、具有良好的可扩性：
由于目前GSM/GPRS网络已覆盖省内绝大部分地区，基本不存在盲区，可实现大范围的在线监控，满足环保信息采集传输系统对覆盖范围的要求。
6、系统的传输容量大：
环保中心站要和每一个环保信息采集点实现实时连接。由于环保信息采集点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。
7、数据传送速率高：
每个环保信息采集点每次数据传输量在10Kbps之内。GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s，目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps左右，完全能满足本系统数据传输速率（≥10Kbps）的需求。
8、通信费用低：
采用包月计费方式，运营成本低。
四、解决方案介绍
由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络，监测中心计算机主机配置固定的IP地址，各个数据采集点采用GPRS模块和该主机进行通信。
（一）系统组成
1、环保信息采集点：
现场监控点通过数据采集模块自动采集污染源信息，通过RS232接口与GPRS透明数据传输终端相连，通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GSM网络。
2、监控中心：
服务器申请配置固定IP地址，采用省移动通信公司提供的DDN专线，与GPRS网络相连。由于DDN专线可提供较高的带宽，当环保信息采集点数量增加，中心不用扩容即可满足需求。
监控中心RADIUS服务器接受到GPRS网络传来的数据后先进行AAA认证，后传送到监控中心计算机主机，通过系统软件对数据进行还原显示，并进行数据处理。

3、GPRS/GSM移动数据传输网络：
现场监控点采集的数据经GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过中国移动的GPRS无线数据网络进行传输，最终传送到监控中心IP地址。
（二）系统方案
各监控点使用GPRS透明数据传输终端，通过移动GPRS网络与监控中心相连。各污染源数据采集点使用移动通信公司统一的STK卡，同时监控中心对各点进行登记，保存相关资料以便识别和维护处理。各信息采集点运行监控系统软件，支持24小时实时在线，实现信息采集点24小时传送采集的环保信息数据。
凡省环保局授权的信息采集点均可以使用本系统：
1、环保信息采集点必须使用移动统一的STK卡，用户使用本卡只能用于与环保站数据通信功能。
2、终端设备使用北京鼎升力创技术有限公司提供的GPRS DTU移动数据通信终端。
3、用户登记：符合省级环保局的规定。
（三）产品特性
系统采用GPRS DTU无线透明数据传输终端。产品基于中国移动的GPRS网络，具有高性能、高可靠及抗干扰能力强等特点，提供标准RS-232/RS-485接口可直接与计算机、RTU、PLC、GPS接收机、数码相机、数据终端等连接，传输速率达171Kbps，具有远程诊断、测试、监管功能，满足各行业调度或控制中心与众多远端站之间的数据采集和控制。
1、支持900／1800／1900MHz三频GSM/GPRS。
2、接口： RS232、RS485、TTL。
3、系统理论传输速率171Kbps，实际传输速率40Kbps。
4、支持Windows95/98/2000/XP/LINUX操作系统。
5、透明数据传输：GPRS DTU内嵌TCP/IP协议，为用户的数据设备提供透明传输通道；
6、自动拨号连接：GPRU DTU可配置上电自动拨号上网、连接网络，同时支持用户端发起命令连接或远程唤醒连接；
7、短信息备用数据通道：在GPRS网络无法连接时可启用短信作为备用数据传输通道；
8、短信息远程维护功能；
9、实时监测网络连接情况，掉线自动重拨功能；
10、提供主副IP及动态域名解析；
11、心跳报告时间间隔用户可设定；
12、数据通信帧长度用户可设定；
13、支持VPN安全功能。
14、安装灵活、使用方便、可靠。
（四）安全措施
由于环保数据采集系统的特殊性，本系统需要极高的系统安全保障和稳定性。安全保障主要是防止来自系统内外的有意和无意的破环，网络安全防护措施包括信道加密、信源加密、登录防护、访问防护、接入防护、防火墙等。稳定是指系统能够7×24小时不间断运行，即使出现硬件和软件故障，系统也不能中断运行。 数据中心可通过公网使用VPN接入到移动GPRS网，采用VPN方式成本比较低，企业不用租用专线，还可以利旧使用原有的VPN设备，移动终端需要安装具有VPN二次虚拟拨号的功能的软件。通过VPN方式，客户端在连接应用服务器前，要经过Radius服务器的认证整个数据传送过程得到了加密保护，安全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。另外，数据中心也可以采用APN接入方式，租用专线接入到移动公司的GGSN设备上，这种成本高，安全性高、稳定可靠。对于安全性要求非常高的系统，可考虑在专用APN接入的基础上再加上VPN接入方式的混合接入方式，进一步提高系统的安全性。
1、VPN虚拟专网模式：企业内部网络中配置VPN服务器，移动终端加载具有VPN二次虚拟拨号的功能的客户端软件。采用VPN安全技术，用户通过接入企业内部虚拟专网的方式与Internet进行隔离，可对整个数据传送过程进行加密保护，有效避免非法入侵。
2、用SIM卡的唯一性，对用户SIM卡手机号码进行鉴别授权，在网络侧对SIM卡号和APN进行绑定，划定用户可接入某系统的范围,只有属于指定行业的SIM卡手机号才能访问专用APN，移动终端与数据中心采用中国移动分配的专门的APN进行无线网络接入，普通手机的SIM卡号无法呼叫专门的APN。
3、对于特定用户，可通过数据中心分配特定的用户ID和密码， 其他没有数据中心分配的用户ID和密码的用户将无法登录进入系统，系统的安全性进一步增强。
4、数据加密：通过VPN对整个数据传送过程进行加密保护。
5、网络接入安全鉴定机制：采用防火墙软件，设置网络鉴权和安全防范功能，保障系统安全。
五、结论
采用有线方式，租用静态IP目前费用比较高约800~1500元/月。采用GPRS无线方式，系统流量费用目前有包月制和按数据量两种收费方式，按流量计算0.03元K，而包月制20元/月有1024 kBytes流量，可满足省环保局目前环保数据采集系统的实际数据量，估计日后其费用会逐步降低。对于环保局等用户来说，由于通信费用较低，享受到了实惠。另外，由于接入设备可以移动，当环保观测站和环保信息采集点搬迁时设备可随之迁移并可继续使用，可以保护用户原有投资，适合于环保采集工作的特点。
采用GPRS构建环保数据采集系统，不仅能很好地满足环保信息采集的需求，而且，做为网络运营商的移动通信公司也将因此获得业务稳定的集团用户，随着用户数量的增加，移动通信公司的营收也随之增加，调动了运营商的积极性，符合网络建设和网络应用同步发展的要求。