论环境在线监测数据传输链路专项方案设计.doc

论环境在线监测系统数据传输链路方案设计
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无锡市东方环境工程设计研究所
摘要：本文就环境在线监测数据传输链路作了对比分析，依据多种传输模式特点，提出其适用范围。
关键词：环境；在线监测；数据传输链路；方案设计
一、概述
环境问题和资源、人口问题已经被国际社会公认为是影响本世纪可连续发展三大关键问题。要控制污染，保护环境，必需掌握环境质量改变。为掌握环境改变规律，必需月复一月、年复十二个月地类积各类环境监测数据。传统做法是依靠人工进行定点、定时采样和监测，然后经过综合分析找出污染现实状况和改变规律，这不仅要花费大量人力、物力和财力，而且取得数据也很有限。伴随科学技术进步，环境监测技术快速发展，仪器分析，计算机控制等现代化手段在环境监测中得到了广泛应用，多种连续监测系统（即环境在线监测系统）相继问世，环境监测从间断性采样离线监测逐步过分到连续性在线监测。
因为各排污企业分布在城市中不一样位置，所以整个系统是分布式：以属地环境保护局作为中心，污染源排放企业作为监控终端，组成污染源在线监测系统。
二、环境在线监测系统数据传输链路方案设计
  环境在线监测系统关键有大气、地面水、企业废气、焚烧炉排气、企业废水、城市综合污水、噪音等监测终端。它们依据各企业污染物特征，分布于当地关键排污点，并由当地环境保护局监控中心统一控制。往往，一个排污点和监控中心距离从几十公里至上百公里之间，在此距离上，外场监测终端和监控中心之间建立稳定、可靠数据传输链路，将是确保环境在线监测系统正常工作关键前提之一。现在，常见数据传输模式关键有没有线传输和有线传输两种。无线传输关键包含短信传输、基于GPRS/CDMA1X无线传输、无线局域网传输等三种；有线传输关键包含串口传输、以太网传输。
（一） 无线传输方案
1、方案一：短信传输
（1）传输模式描述:
利用运行商短信平台，构建外场监测终端和监控中心之间数据传输链路。
在外场监测终端处及监控中心均安装短信发送器，短信发送器经过串口分别和外场终端、监控中心控制终端连接，依靠于GSM或CDMA网，监控中心控制终端发出控制指令经过安装在当地短信发送器发出，再经过运行商短信平台中转后发送至外场设备短信发送器接收；反之亦然。
（2）链路特点:
① 构架简单，无需布线
利用短信传输数据，仅需在终端设备处安装短信发送器，无需在监控中心和外场设备之间布设数据传输光电缆，施工简单；
② 控制终端设置不受地理限制
控制终端设置灵活多变，不受地理限制，甚至能够不用电脑而直接采取个人手机发送控制指令；
③ 需要有GSM或CDMA网网络覆盖
在外场设备安装处及监控中心必需有GSM或CDMA网络信号覆盖，不然，利用短信传输将成为一句空话。
④ 发送效率低
一条短信最多能发140个字符，假如内容多，必需分成多条发送。
⑤ 实时性差
短信采取是存放转发方法，即数据不是直接被发送到目标接收方，而是先发送到运行商短信中转服务器中进行排队等候，然后再被发送到目标接收方，这就会产生或多或少时间延迟，尤其是当节假日数据传输高峰时，有时一条短消息会延迟多个小时抵达。假如这种情况出现在高速公路外场设备和监控中心数据传输系统中，监控系统实时性将得不到保障。
2、方案二：基于GPRS或CDMA1X传输
（1）传输模式描述:
GPRS或CDMA1X是一个基于无线分组交换技术，提供端到端、广域无线IP连接，含有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”优点。所以，她们尤其适适用于间断、突发性或频繁、少许数据传输，也适适用于偶然大数据量传输。GPRS支持数据传输速率理论峰值达115.2kbps，实际有30-40kbps 。CDMA 1X系统峰值速率为153.6kbit/s，CDMA 1X平均业务速率为80kbit/s～100kbit/s，
采取GPRS或CDMA1X构筑数据传输系统时，外场设备采取串口和GPRS或 CDMA1X数传装置相连，并经过数传装置和INTERNET网络接驳；监控中心控制终端和INTERNET网络互连。经过适宜配置，即可在外场设备和监控中心之间建立一条虚拟透明通道，它采取TCP/IP点对点通信方法，传输过程中间不经过任何延时。
（2）链路特点:
① 建设周期短，投资小
使用GPRS或CDMA1X网络进行数据传输，能够做到全国范围覆盖，而无需自己建设通信网络，所以节省了通信网络建设费用，同时缩短了建设周期。
② 运行及网络维护成本低
因为使用GPRS或CDMA1X费用低廉，且通信网络维护和升级由各移动通信企业实施，用户无需支付额外费用，所以使用此种网络传输数据方法极大地降低了用户通信成本；
③ 保密性好
在安全性方面，GPRS或CDMA1X为将要进入无线环境用户数据进行加密，并在无线终端和网络之间建立一条高度可靠而且加密逻辑链路，确保了数据在无线环境中传输安全；
④ 带宽宽，实时性好
无线终端和监控中心之间采取TCP连接，确保数据传输稳定可靠。因为带宽资源冗余，即使有大量数据传输也不影响数据实时传输；
⑤ 扩展性好
增加监控系统控制终端很灵活，而且不受地理限制，仅需一台能连接INTERNET网络计算机，就能完成信息采集、信息处理及信息发送等功效需求；
⑥ 对系统安全性要求高
因为数传装置及控制终端均需接入INTERNET，所以，对系统安全性要求提出了更高要求，以防有些人恶意侵入或感染网络病毒而造成系统故障，最终影响监控系统正常工作。
3、方案三：无线局域网传输
（1）传输模式描述:
无线局域网是指以无线信道作传输媒介计算机局域网络(Wireless Local Area Network，简称WLAN)，是在有线网基础上发展起来，能够方便地处理很多以线缆方法难以联网用户需求。比如，地处两地两个局域网相联：其间或有河流、湖泊相隔，拉线困难且线缆安全难保障，无线局域网也可方便地实现 。通常无线网络常见无线局域网标准是IEEE802.11b, 运行在2.4GHzISM频段上，它能够支持最高11Mbps数据速率，依据信号强弱速率能够自动调整为在11Mbps, 5.5Mbps, 2Mbps和1Mbps；它所能含盖范围应视环境开放是否而定，若不加外接天线而言，在视野所及之处约250M，若属半开放性空间，有隔间之区域，则约35~50M左右。若加上外接天线或中继，则距离可达数公里，此关系到天线本身或中继之增益而定，但工程造价将随之增加。
因为WLAN传输距离有限，在环境在线监测系统中，通常见此技术构筑外场监测设备至就近通信站数据通道，环境数据在就近通信站汇聚后，利用公网提供数据通道传输至监控中心。
相对集中多个外场监测设备和就近通信站之间无线局域网互连通常采取一点对多点桥接模式，具体配置以下：
以通信站为中心点，配置无线网桥及全向天线，无线网桥一端和公网连接，另一端经过天线馈线和室外全向天线连接；外场设备端一样配置无线网桥及定向天线，无线网桥一端经过以太网和外场设备连接，另一端经过天线馈线和定向天线连接，定向天线需正对通信站全向天线，而且，在两个天线之间，不能有高山、建筑物、树木等障碍物阻断，不然，须在在中间设置中继中转站，绕过障碍。
（2）链路特点:
① 数据传输速率高，大于1Mbit/s
② 施工简单
利用无线局域网构筑数据传输通道工作很简单，它不需要布线或开挖沟槽，安装时间只是安装有线网络时间零头；
③ 兼容性差
现在生产WLAN产品厂商很多，其中关键几家是3COM、Aironet、Cabletron、Lucent、Intel、IBM和Compaq。因为这几家WLAN产品分别遵照不一样技术标准，所以在实际应用中，尤其在无线网络扩容和集成时，设计时一定要谨慎选择，预防不兼容问题发生；
④ 网络存在安全隐患
因为无线网络经过无线介质进行传输，所以安全性就显得更为突出和关键。即使无线网络技术标准中大全部采取了ESSID、密码访问控制和无线加密协议（WEP）等技术来控制无线网络安全，但仍然存在着安全隐患；
⑤ 易受干扰
因为无线局域网使用是开放公共平频率，轻易受到外界干扰，所以传输链路稳定性和所处位置电磁环境有很大关系。
4、相关无线传输方案意见
总而言之，无线传输方案最大优点是无需布线，施工简单，但其缺点也是显著，比如：短信传输实时性差；无线局域网有安全隐患，易受干扰。
对于需在已经建成投运企业新增排污点在线监测终端，因为布线施工难度大，而且，原来预留管线未必适适用于新增设备，所以，采取无线传输方案比较适宜。
（二）有线传输方案
通常，一个城市或地域排污关键集中在多个大型企业，距离属地环境保护局监控中心从几公里至上百公里不等，所以，其污染物排放信息通常先经过光缆或电缆传输至企业通信机房，再经过公网传到监控分中心。因为电缆传输衰减大、易受干扰，轻易遭到人为破坏，相对而言，光缆传输衰减小、抗干扰性好，现在，外场监测终端和企业通信机房采取光传输已成为主流。
1、方案一：串口传输
（1）传输模式描述:
外场监测终端设备利用RS232/RS422/RS485串口形式和企业通信机房建立数据传输通道，通道架构以下：

图所表示：
在企业通信机房配置多串口服务器、公网路由器和公网接驳，确保系统有足够数量串口适应外场监测终端需要；利用公网，构筑各企业通信机房和监控中心透明通道传输数据；在外场监测终端和通信机房之间敷设光缆，配置数据光端机，建立二者之间低速率数据传输通道。
（3）链路特点
① 方案成熟、可靠；
② 需占用企业光纤资源；
③ 带宽窄，串口通常以9600波特率传输数据；
2、方案二：以太网传输
（1）传输模式描述:
外场监测终端利用以太网形式和通信机房建立数据传输通道，系统架构以下：

图所表示：
在企业通信机房配置公网路由器和公网接驳，利用公网，构筑各企业通信机房和监控中心透明通道传输数据；在外场监测终端和通信机房之间敷设光缆，配置以太网光收发器，实现外场设备和对应通信机房以太网交换机连接，透过公网，最终实现外场监测终端和监控中心联网。
（3）链路特点:
① 方案成熟、可靠
② 需占用企业光纤资源
③ 带宽宽，传输速率大于等于10M
④ 易于维护、管理
以太网设备很普及，若有网络设备故障，寻求替换品很轻易。通信链路易于管理，在监控中心用简单“PING”指令即可了解目前通信链路状态。
⑤ 外场设备需配置以太网数据接口
3、对比分析两种有线传输方案
串口传输方案成熟、可靠，在设备控制方面应用很普及；以太网网络，大家认知度很高，以太网交换机、光收发器等以太网网络设备随地可见。对于上述两种数据传输方案，均是成熟、可靠数据传输链路，她们特点以下：
传输模式
项目名称
串口传输
以太网传输
带宽
窄
宽 ＞＝10M
可维护性
可维护性差：当设备有故障时，需定购专用串口设备；当传输链路中止时，需要链路两端同时检测才能确定链路故障
维护简单，易行：当设备故障时，寻求替换设备很方便；当传输链路中止时，只须在链路一端用“PING”命令即可确定链路故障
可扩展性
可扩展性差：因为带宽窄，外场设备需增加功效时，会受制于带宽；需要增加外场设备时，同时需新增传输链路
可扩展性好：因为带宽高达10M，外场设备需增加功效时，带宽不成问题。比如：利用此链路，能够显示实时视频图像；当需要增加外场设备时，可从周围外场终端处接入传输链路；当监测终端全省联网时，省监控中心可直接管理到外场监测终端
对外场设备要求
要求外场监测终端必需含有串口接口
要求外场监测终端必需含有以太网接口
占用光纤资源
相同
三、结束语
一个城市或一个企业环境在线监测系统构建，应依据系统所处地理位置、地貌特征、通信环境、布线难易程度等原因综合考量，选择适宜数据传输方法。从长远角度来看，基于以太网建立数据传输链路稳定、可靠，易于在线维护管理，而且扩展性强，便于以后全省联网监测。