[分享]GPRS环保污染源在线监控系统解决方案

 


飞旗WTE  GPRS环保污染源在线监控系统解决方案



一、需求分析

　

在人类生存环境日益恶化的今天，建立完整的环境监测系统是非常必要的，处理分布在各处的环境检测点的数据传输问题一直是建立环境监测系统的难点，建立独立的无线扩频系统和使用专线都有庞大的建设、运营费用问题。

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展起来的一种承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源，带宽最高可达171.2Kb/s。目前中国移动的GPRS覆盖范围在中心城市几乎达到了100%，在边远地区也达到了80%以上，实际应用带宽大约在20-40Kb/s，特别适合像金融交易、远程监测等行业的通信需求，完全取代过去传统的有线MODEM、X.25、数传电台、短信等通信方式。

GPRS通信方式更适合于环保数据采集业务，目前各省环保监测站与各采集点采用电话线传送数据或手工抄录，实时性差，费用也不便宜。GPRS无线传输数据有以下优势：

1）GPRS用户可随意分布和移动自己的网点，无需担心线路的维护或有线在移机时导致的通讯中断。建设新的监测点无需进行拉线、埋线等工作。较光纤或专线系统投资较少，设备安装方便。

2）终端价格比较低。与DDN相比，较DTU或DDN专线Modem其终端价格便宜很多。

3）GPRS资费便宜，计费合理。GPRS 资费包月比有线电话网络资费还便宜。环保数据采集业务没有大数据量的信息传输，不必要采用资费很高的专线（DDN、帧中继）。GPRS还可根据通信的数据量和提供的服务质量进行计费。在GPRS网中，用户只需与网络建立一次连接，就可长时间的保持这种连接，并只在传输数据时才占用信道并被计费，保持时不占用信道不计费。这样，监测点既不用频繁建立连接，也不必支付传输间隙时的费用。

4）GPRS能最好地支持频繁的、少量突发型数据业务。通信质量稳定可靠，永不掉线。

5）GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。由于GPRS网本身就是一个分组型数据网, 支持TCP/IP、X.25协议，因此无需经过PSTN等网络的转接，直接与分组数据网（IP网或X.25网）互通，接入速度仅几秒钟，快于电路型数据业务。采用TCP/IP协议，较以前的无线数据网络（集群，双向传呼，GSM短信息）而言，网络接入更加直接方便。

6）覆盖较好。比较很多无线数据网络（集群，双向传呼，CDPD，CDMA）而言，其网络覆盖是最好的。

二、解决方案

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。利用GPRS网络进行无线数据传输，成为环保部门选择的通信手段亮点之一。污染监测设备将采集到的污染数据和告警信息，通过GPRS网络，及时发送到环保监察部门，可以实现对排污单位或个人的及时管理，大大提高了工作效率，为环境保护提供了崭新方式。

2.1 系统结构图


图1 GPRS 环保污染源监控系统

2.2 系统方案组成

2.2.1 环保监控中心

监控中心服务器申请配置Internet上固定的IP地址，或申请配置专线，通过光纤、DDN 等数据专线直接和移动中心机房的GPRS 网络连接。监控中心服务器上安装相关监控系统软件。监控系统软件包括通信服务器、监控中心服务器、数据库服务器、WEB服务器四个部分。

·  通信服务器负责实现行业数据通信协议、数据代理转发、通信设备状态监控等功能；

·  监控中心服务器实现数据分析、存储、反控等功能；

·  数据库服务器进行数据存储、备份；

·  WEB服务器实现实时监控、数据管理、业务管理等功能。

·  具体实现时，通信服务器、监控中心服务器、数据库服务器、WEB 服务器可以安装在一台服务器中，也可以安装在不同服务器中。如果行业客户要求对终端进行终端IP绑定，需要安装RADIUS服务器，为系统提供AAA 认证和IP绑定功能。

2.2.2 移动网络

利用中国移动现有的GPRS/GSM 网络，监控点和监控中心系统的所有交换信息通过中国移动的数据通信网关进行数据传输.

2.2.3 GPRS IP Modem


图2 GPRS IP Modem功能示意图

GPRS IP MODEM 是一款集成了GPRS MODEM传输功能和TCP/IP网络、路由功能于一体的新型无线移动通信网络设备。广域网络采用GPRS，内部网络采用标准100BaseT 和串口（包括RS232、RS485 等）连接两种方式。根据不同的应用环境，物理上的这三个接口能够灵活运用，采用不同的连接方式，使该设备具备了三大功能：以太网→GPRS 网络的路由功能；串口→以太网网络转换功能；串口→GPRS 网络转换功能。

·  以太网→GPRS网络的路由功能

连接内部局域网络（LAN）和GPRS 无线广域网络（WAN），能通过NAT技术，让内部的多台IP 终端设备（如PC）以GPRS无线方式同时共享接入互联网络/企业网络，使用现有的各种Internet 网络服务，如WEB、EMAIL、FTP等及企业各种应用。


图3 以太网→GPRS网络的路由功能示意图

适用范围：内部网络已经是标准的TCP/IP网络，只是在广域网络接入方式上选择了无线移动GPRS网络。

·  串口→GPRS网络转换功能

由于GPRS是基于TCP/IP协议的网络，要求接入的设备必须符合TCP/IP规范，而大多数传统数据终端设备（像金融POS、监测监控采集设备RTU等）均不具有IP功能，这些终端设备借助GPRS IP Modem，能轻松方便地通过串口接入GPRS网络，实现远程无线联网。


图4 串口→GPRS网络转换功能示意图

适用范围：金融POS、ATM、监测设备等带有传统串口的非IP终端设备通过GPRS实现无线联网。可以采用GPRS IP Modem特有的透明传送方式，除了通信网络采用GPRS外，其他已有网络结构并不改变，充分利于过去存在的大量设备，快速经济无线联网。

·  串口→以太网网络转换功能（可去掉无线模块）

将传统的非IP终端通过RS232/RS485串口直接转换为具有标准TCP/IP 100BaseT接口的网络设备，解决了同一位置有多台串口终端需要同时通过GPRS联网的情况。


图5 串口→以太网网络转换功能示意图

GPRS IP Modem只能提供一个串口解决单台串口设备接入GPRS问题，对同一地点有多台串口终端需要接入GPRS的情况，如果每台设备均通过GPRS IP Modem的串口→GPRS网络转换功能接入GPRS无线网络，干扰较大，并且总体成本方面投入较大。因此可以先采用串口→以太网网络转换功能将所有串口终端用局域网络的方式联网，最后集中采用一台GPRS IP Modem的以太网→GPRS网络路由功能接入GPRS网络，整体方案具有很高的性能价格比。

2.2.4 监控终端

监控仪器通过RS232 串口直接与GPRS IP Modem（智能型GPRS 调制解调器）连接，并由其建立无线数据连接。原则上，所有提供RS232/485接口的环境监测设备，如污水流量计、COD（含氧量）/BOD（生物耗氧量）测量仪等均能够用于该系统方案。

监控终端的组网方案因网点的设备数量多少而有较大差异，主要集中为两种方式：

1）网点为单台设备，监控终端设备只需要增加一个具有串口的GPRS IP 桥接器就好了。连接方式为上面系统结构图左边的三种典型应用。

2）网点为多台监测设备集群使用。多种监测设备集中在同一物理位置，如果采用为每台设备均配置GPRS 模块的方案，不仅初始安装费用会提高，而且长期营运的使用费用也较高，同时中国移动的GPRS 基站对同一物理位置的多个GPRS 设备接入也有负荷能力限制。所以我们独家推出以下解决方案，具有非常高的性能价格比。其示意图如下：


图6 GPRS集群使用方案

2.3 方案比较


表1 GPRS无线业务与其他网络业的性价比较

从表1可以看出基于GPRS的环保污染源在线监控方式具有较高的综合性能价格比。

·  易于网络采集点的扩展，几乎不受到网点规模的限制，可以在中国移动的全网覆盖范围内使用。跨省份、跨地区的网络也非常容易组建。

·  可实现集中网络管理，可用SNMP 协议实现所有网点设备的集中管理。

·  GPRS 方案只是通信方式的改变，对上层应用软件系统几乎没有任何影响。同时对现在环保行业大量存在的各种监测设备也不需要更换和进行硬件电路更改。

2.4 GPRS方案的安全性分析

·  GPRS 的物理链路数据本身已经采用了加密传送。

·  该方案中如果监控中心直接连接到GPRS 网络，实质为内网方案，所有数据均与INTERNET 隔离。大大增强了信息的安全性。

·  可以向移动中心申请单独的APN（网络接入点名称），类似于VPN 方案，可以限制非法SIM用户的登录。

三、产品具有的优势

目前CDMA1X网络设备处于一个新兴的蓬勃发展阶段。 CDMA1X 网络产品是在已成熟的宽带路由器和SNMP 网管设备等产品的基础上发展起来的全新系列产品，硬件采用全新的32位嵌入式RISC CPU，处理能力及系统资源提高10 倍以上。

软件上采用完整的嵌入式OS 及TCP/IP 协议包，整体方案和其他竞争对手的产品相比有如下技术优势：

·  具有100BaseT 网络接口及完整的IP ROUTER 功能，其他产品均无网络接口。

·  具有TCP可靠连接方案，专为金融交易应用而设计。

·  内嵌WEB Server 配置方式，方便直观。

·  强大的网络管理功能，适合行业应用。

·  为整体解决方案提供所需要的系列网络设备。

·  支持远程维护，具有远程配置、远程升级和重启动的功能。