1、论环境在线监测系统数据传输链路方案设计 无锡市东方环境工程设计研究所有限公司 摘要：本文就环境在线监测数据传输链路作了对比分析，依据各种传输模式的特点，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、概述环境问题与资源、人口问题已经被国际社会公认为是影响本世纪可持续发展的三大关键问题。要控制污染，保护环境，必须掌握环境质量变化。为掌握环境变化的规律，必须月复一月、年复一年地类积各类环境监测数据。传统的做法是依靠人工进行定点、定时采样与监测，然后通过综合分析找出污染现状和变化规律，这不仅要花费大量的人力、物力和财力，而且取得的数据也非常有限。随着科学技术的进步，环境监测技术迅
2、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，各种连续监测系统（即环境在线监测系统）相继问世，环境监测从间断性的采样离线监测逐步过度到连续性在线监测。由于各排污企业分布在城市中的不同位置，因此整个系统是分布式的：以属地环保局作为中心，污染源排放企业作为监控终端，构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主要有大气、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。它们根据各企业污染物特性，分布于本地主要排污点，并由本地环保局监控中心统一控制。往往，一个排污点与监控中心的距离从几十公里至上百公里之间，在此距离上，外场
3、监测终端与监控中心之间建立稳定、可靠的数据传输链路，将是保证环境在线监测系统正常工作的重要前提之一。目前，常用的数据传输模式主要有无线传输和有线传输两种。无线传输主要包含短信传输、基于 GPRS/CDMA1X 的无线传输、无线局域网传输等三种；有线传输主要包含串口传输、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:利用运营商的短信平台，构建外场监测终端与监控中心之间的数据传输链路。在外场监测终端处及监控中心均安装短信发送器，短信发送器通过串口分别与外场终端、监控中心控制终端连接，依赖于 GSM 或 CDMA 网，监控中心控制终端发出的控制指令通过安装在本地的短信发送器
4、发出，再通过运营商的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: 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，无需在监控中心与外场设备之间布设数据传输光电缆，施工简单； 控制终端设置不受地理限制控制终端的设置灵活多变，不受地理限制，甚至可以不用电脑而直接采用个人的手机发送控制指令； 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须有 GSM 或 CDMA 网络信号覆盖，否则，利用短信传输将成为一句空话。 发送效率低一条短信最多能发 140 个字符，如果内容多，必须分成多条发送。 实时性差短信采用的是存储转发方式，即数据不是
5、直接被发送到目标接受方，而是先发送到运营商的短信中转服务器中进行排队等待，然后再被发送到目标接受方，这就会产生或多或少的时间延迟，特别是当节假日数据传输高峰时，有时一条短消息会延迟几个小时到达。如果这种情况出现在高速公路外场设备与监控中心的数据传输系统中，监控系统的实时性将得不到保障。2、方案二：基于 GPRS 或 CDMA1X 的传输（1）传输模式描述:GPRS 或 CDMA1X 是一种基于无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线 IP连接，具有“实时在线” 、 “按量计费 ”、 “快捷登录”、 “高速传输”、 “自如切换”的优点。因此，他们特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传
6、输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS 支持的数据传输的速率理论峰值达 115.2kbps，实际有 30-40kbps 。CDMA 1X 系统的峰值速率为 153.6kbit/s，CDMA 1X 的平均业务速率为80kbit/s100kbit/s， 采用 GPRS 或 CDMA1X 构筑数据传输系统时，外场设备采用串口与 GPRS 或CDMA1X 数传装置相连，并通过数传装置与 INTERNET 网络接驳；监控中心控制终端与 INTERNET 网络互连。经过合适的配置，即可在外场设备与监控中心之间建立一条的虚拟的透明通道，它采用 TCP/IP 点对点通信方式，传输过程中间不经过任何延时。（2
7、）链路特点: 建设周期短，投资小使用 GPRS 或 CDMA1X 网络进行数据传输，可以做到全国范围的覆盖，而无需自己建设通信网络，因此节省了的通信网络建设费用，同时缩短了建设周期。 运营及网络维护成本低由于使用 GPRS 或 CDMA1X 费用低廉，且通信网络的维护和升级由各移动通信公司实行，用户无需支付额外的费用，因此使用此种网络传输数据方式极大地降低了用户的通信成本； 保密性好在安全性方面，GPRS 或 CDMA1X 为将要进入无线环境的用户数据进行加密，并在无线终端和网络之间建立一条高度可靠并且加密的逻辑链路，保证了数据在无线环境中传输的安全； 带宽宽，实时性好无线终端与监控中心之间采
8、用 TCP 连接，保证数据传输稳定可靠。由于带宽资源冗余，即使有大量的数据传输也不影响数据的实时传输； 扩展性好增加监控系统的控制终端的非常灵活，而且不受地理限制，仅需一台能连接INTERNET 网络的计算机，就能完成信息采集、信息处理及信息发送等功能需求； 对系统安全性要求高由于数传装置及控制终端均需接入 INTERNET，因此，对系统安全性要求提出了更高要求，以防有人恶意侵入或感染网络病毒而导致系统故障，最终影响监控系统的正常工作。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的计算机局域网络(Wireless Local Area Network，简称
9、WLAN)，是在有线网的基础上发展起来的，可以方便地解决许多以线缆方式难以联网的用户需求。例如，地处两地的的两个局域网相联：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 。一般无线网络常用的无线局域网标准是 IEEE802.11b, 运行在 2.4GHz 的 ISM 频段上，它可以支持最高11Mbps 的数据速率，根据信号的强弱速率可以自动调整为在 11Mbps, 5.5Mbps, 2Mbps和 1Mbps；它所能含盖的范围应视环境的开放与否而定，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 3550M 左右。若加上外接天线
10、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。由于 WLAN 传输距离有限，在环境在线监测系统中，一般用此技术构筑外场监测设备至就近通信站的数据通道，环境数据在就近通信站汇聚后，利用公网提供的数据通道传输至监控中心。相对集中的的多个外场监测设备与就近通信站之间的无线局域网互连一般采用一点对多点的桥接模式，具体配置如下：以通信站为中心点，配置无线网桥及全向天线，无线网桥一端与公网连接，另一端通过天线馈线与室外全向天线连接；外场设备端同样配置无线网桥及定向天线，无线网桥一端通过以太网与外场设备连接，另一端通过天线馈线与定向天线连接，定向天线需正对通信站全向天线，
11、并且，在两个天线之间，不能有高山、建筑物、树木等障碍物阻断，否则，须在在中间设立中继中转站，绕过障碍。（2）链路特点: 数据传输速率高，大于 1Mbit/s 施工简单利用无线局域网构筑数据传输通道的工作非常简单，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的零头； 兼容性差目前生产 WLAN 产品的厂商很多，其中主要的几家是3COM、Aironet、Cabletron、Lucent 、Intel 、IBM 和 Compaq。由于这几家的 WLAN 产品分别遵循不同的技术标准，因此在实际应用中，特别在无线网络的扩容和集成时，设计时一定要谨慎选择，防止不兼容问题的发生； 网络存在安全隐患由
12、于无线网络通过无线介质进行传输，因此安全性就显得更为突出和重要。虽然无线网络技术标准中大都采用了 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的安全，但仍然存在着安全隐患； 易受干扰由于无线局域网使用的是开放的公共平频率，容易受到外界的干扰，因此传输链路稳定性与所处位置的电磁环境有很大的关系。4、关于无线传输方案的意见综上所述，无线传输方案最大优点是无需布线，施工简单，但其缺点也是明显的，例如：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的企业新增排污点在线监测终端，由于布线施工难度大，而且，原来预留管线未必适用于新增设备，因此，采用无线传输方
13、案比较合适。（二）有线传输方案一般，一个城市或地区的排污主要集中在几个大型企业，距离属地环保局监控中心从几公里至上百公里不等，因此，其污染物排放信息一般先通过光缆或电缆传输至企业通信机房，再通过公网传到监控分中心。由于电缆传输衰减大、易受干扰，容易遭到人为破坏，相对而言，光缆传输衰减小、抗干扰性好，目前，外场监测终端与企业通信机房采用光传输已成为主流。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 串口形式与企业通信机房建立数据传输通道，通道架构如下： 光纤外场监测终端公网路由器数据光端机通信机房公网公网路由器环保局监控中心串口服务器数据光端机
14、R S 2 3 2R S 2 3 2如图所示：在企业通信机房配置多串口服务器、公网路由器与公网接驳，保证系统有足够数量的串口适应外场监测终端的需要；利用公网，构筑各企业通信机房与监控中心透明通道传输数据；在外场监测终端与通信机房之间敷设光缆，配置数据光端机，建立两者之间的低速率数据传输通道。（3）链路特点 方案成熟、可靠； 需占用企业光纤资源； 带宽窄，串口一般以 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与通信机房建立数据传输通道，系统架构如下：光纤外场监测终端公网路由器以太网光收发器通信机房公网以太网光收发器公网路由器环保局监控中心如图所
15、示：在企业通信机房配置公网路由器与公网接驳，利用公网，构筑各企业通信机房与监控中心透明通道传输数据；在外场监测终端与通信机房之间敷设光缆，配置以太网光收发器，实现外场设备与相应通信机房的以太网交换机的连接，透过公网，最终实现外场监测终端与监控中心的联网。（3）链路特点: 方案成熟、可靠 需占用企业的光纤资源 带宽宽，传输速率大于等于 10M 易于维护、管理以太网设备非常普及，若有网络设备故障，寻找替代品非常容易。通信链路易于管理，在监控中心用简单的“PING”指令即可了解当前通信链路状态。 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非常普
16、及；以太网网络，大家认知度非常高，以太网交换机、光收发器等以太网网络设备随处可见。对于上述两种数据传输方案，均是成熟、可靠的数据传输链路，他们特点如下：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；当传输链路中断时，需要链路两端同时检测才能确认链路故障维护简单，易行：当设备故障时，寻找替代设备非常方便；当传输链路中断时，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：由于带宽窄，外场设备需增加功能时，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：由于带宽高达 10M，外场设备需增加功能时，带宽不成问题。例如：利用此链路，可以显示实时视频图像；当需要增加外场设备时，可从附近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须具备串口接口要求外场监测终端必须具备以太网接口 占用光纤资源 相同三、结束语一个城市或一个企业的环境在线监测系统的构建，应根据系统所处的地理位置、地貌特征、通信环境、布线难易程度等因素综合考量，选择合适的数据传输方式。从长远的角度来看，基于以太网建立的数据传输链路稳定、可靠，易于在线维护管理，并且扩展性强，便于今后全省联网监测。
