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本文提供了一种基于4G网络的地震监控系统设计原理和实现方案，简要介绍了4G技术的基本知识，描述了4G无线传输应用于地震监控系统的实现方法。
一、前言
地震监测行业具有网点多、布局分散的特点，将各采集点的数据实时上传到中心监控端进行分析预测是地震监测行业中非常重要的一环，这对于突发事件的预测及震后的监测都至关重要，而对于每监测点数据的采集通过有线网络传输来实现是不切实际的，根据地震监测行业的特点，依托4G/3G网络和INTERNET互联网提供的丰富的网络资源、运用先进的无线数据传输技术进行建设，为地震局提供完善的远程、实时、交互数据采集、无线传输、监测设备状态及数据分析功能。下面我们以4G为例，根据该项目的要求，我们厦门才茂通信科技有限公司为该项目提出了一套切实可行的方案。
二、网络结构
下图为整个系统方案的网络结构图：
如上图：各个台站的测震设备通过以太网口与无线路由器CM520连接，CM520上电后按照监控中心网络管理员的生成的vpn配置，向监控中心internet上的VPN Router发起VPN连接，当中心端路由器通过认证检测后，会为下端的CM520分配一个私有IP地址、在vpn建立后,各个台站监测数据自动传输到监测中心并自动生成数据文件并存入数据库;监测中心通过远程设置各台站数字采集器的工作状态和参数，监测各台站数据的接收情况及运行情况,实现了对各台站的统一管理；并且为地震前兆监测数据资源共享搭建了平台。vpn隧道保证了数据的安全性和可靠性，监测中心的工作人员随时对收集到的测震数据进行分析整理等。
三．主要功能简介
中心监控，震波采集当厦门才茂路由器CM 520与中心端VPN Router成功建立vpn后,中心端可以与下端测震设备实现点到点的通讯。
如下图：
假设中心网络IP地址网段为监测点1的IP地址网段为CM520的IP地址为此时中心端监控站可直接采集到测震设备(本例中为中的数据,同时中心端的工作人员可以对收集到的数据进行监测和分析.
远程维护功能位于中心在Internet上的VPN Router具有VPN接入功能.负责维护此网络的管理工程师可设置不同的配置和访问权限,通过这些配置可以让各个网络间互相通信.利用其功能,我们可以让出差在外的技术工程师或管理员通过internet使用VPN连接至监控中心、并通过中心的VPN Router访问下端的测震设备.
维护此网络的管理工程师按照要求为需要的人员分配帐号,密码、路由策略,身份有效期等、即可保证安全性.
这种模式为我们提供一种灵活,安全的机制随时监测现场设备.假设这么一种情况,当工程师出差在外,此时需要采集监测点1的震波数据时,监控中心的网络管理工程师可临时为该工程师生成一个vpn策略,允许其拨入vpn到监控中心、并设置到监测点1的路由.生成配置后,该工程师收到配置,通过随身携带的笔记本或PC先拨号到Internet,然后以vpn方式接入到监测中心、运行配套的震波采集软件就可以收到监测点1设备采集的数据.完成对数据的采集和分析后,工程师拆掉vpn连接,监控中心的网络管理工程师删掉该工程师的临时设置。
四、特点及优势
本方案必须具备的环境和设备及软件如下：中心能接入Internet,具有公网IP；具有已开通数据业务的中国移动SIM卡：1张现场点、开通短信的中国移动SIM卡一张;中国移动4G网络信号覆盖现场；CM 520 1台现场点；VPN Router 1台(中心端；推荐使用Cisco或Netscreen等中高级vpn接入防火墙及路由器)数据采集站,配套的采集软件(根据客户监控需求而定)。
技术参数如下：4G网络接入，通信速率上行平均20Mbps ，下行60~70Mbps；Icmp平均延迟600ms;PPTP＋MPPE和IPSEC+L2TPvpn接入。
五、工业路由器功能特点
工业级设计
1．工业级CPU：工业级MIPS高性能嵌入式处理；带 32 KB D-Cache，高速缓存数据，加快高速数据访问速度；带64 KB I-Cache，高速指令缓存，加强了指令处理速度。
2．工业级无线模块：采用工业级无线模块，抗干扰强，传输稳定。
3．实时操作系统：采用Linux操作系统，带内存管理单元，实时性强，功能升级快，系统稳定，带完善TCP/IP协议栈。
4．强化电路板：PCB采用遵循3H和3W原则，同时公司所有产品电路板都采用高品质材质来生产，确保板材的稳定可靠。
5．工业级元器件：整机元器件采用严格筛选的工业级元器件来生产。
6．工业级电源：宽压电源设计，电源适应范围为DC7V - DC32V，内置电源反向保护和过压过流保护。
7．电磁防护：以太网接口内置1.5KV电磁隔离防护。
8．抗干扰设计：采用金属外壳，屏蔽电磁干扰，系统保护等级IP30；天线带防雷设计；系统超低温和超高温设计；特别适合在环境恶劣的工业环境下使用。
稳定可靠
1．在线维持专利技术：智能防掉线，在线检测，在线维持，掉线自动重拨，异常自动复位，确保设备永远在线。
2．三层系统保护：在原来两级（软件保护+CPU内置看门狗WDT保护）系统保护的基础上，增加一级系统虚拟值守VWM（Virtual Man Watch）检测保护功能，确保系统稳定可靠。
3．UIM/SIM卡ESD保护：1.8V/3V/5V标准的推杆式用户卡接口，内置15KV ESD保护。
4．串口ESD保护：串口RS232内置15KV ESD保护。
5．金属外壳：采用金属外壳，防辐射，抗干扰；外壳和系统安全隔离，防雷设计；符合电力安规要求；防护等级为IP30；特别适合于环境恶劣的工业控制领域。
6．所有无线模块都有通过CGD认证或者FCC认证或者CE认证。
7．高速处理CPU：采用高速MIPS的工业级CPU，可以更加高速地处理各种协议数据转换；解决了业内“假在线”、“假死机”、“当机”等疑难问题。
8．超大内存：FLASH-128Mbits，DDR2-1Gbits，有超大的内存来缓存客户发送数据，同时接收超大数据包，数据不丢失。
9．完善的协议栈：系统采用了完善的TCP/IP协议栈，使网络通信性能优异，掉线概率极大降低。
10．EMC性能优异：通过电力3000V电击测试，特别适合在工业领域环境恶劣下使用；系统EMC/EMI优异，系统稳定可靠；通过EMC测试；公司产品2010年荣获“中国工控行业客户满意最佳供应商”。
功能强大
11．支持无线视频监控和动态图像传输。
12．支持以太网数据通信和路由转发，同时也支持串口TCP/UDP透明数据传输或者串口配置。
13．支持VPN安全隧道功能,包括PPTP、L2TP、GRE和IPSEC。
14．智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。
15．支持IPTABLES防火墙，包过滤功能。
16．支持定时上线下线功能，可以设置设备在某段时间内上线和某个时间内下线。
17．支持多种协议：TCP/IP，UDP，ICMP，SMTP，HTTP，POP3，OICQ，TELNET，FTP等。
18．支持静态路由。
19．支持DHCP/DHCPD功能。
20．支持端口映射NAT功能，如SNAT，DNAT。
21．支持动态DDNS：支持花生壳、88IP和dyndns域名服务商。
22．支持DMZ主机。
23．支持APN/VPDN网络。
24．方便的WEB配置，支持远程WEB管理。
25．支持WEB配置保存和恢复，实现参数的备份和批量设备的快速配置。
26．支持telnet管理，方便易用的控制台shell交互环境。
27．支持多台终端共享router ppp广域网出口。
28．支持多种无线拨号方式：自动分配，指定IP，指定本地对端IP。
29．支持作为PPP服务器，多种认证方式，支持双向认证。
30．方便易用的COM及SYSLOG系统诊断，调试功能。
31．支持串口本地软件升级。
32．支持TFTP软件远程升级。
33．支持实时时钟。
34．同时支持LINUX和WINDOWS操作系统。
简单易用
1．产品出厂配置默认参数，客户只需修改个别参数甚至不需要做任何参数修改，就可以实现快速使用设备。
2．图形化配置工具：完善的图形化配置工具，提供快速配置功能，实现客户快速配置；提供批量配置功能，实现批量设备的配置。
3．产品说明书提供快速配置说明，可以快速使用设备。
4．检查软件：提供SYSLOG日志输出功能，可以用于参考设备工作日志，同时协助分析异常时的原因；通过串口调试软件，提供不同的调试等级输出，方便客户查看各种信息，快速定位问题。
设备经过13年的沉淀，设备功能完善同时简单易用。
六、通信系列产品资质与检测
1、国家强制3C认证、CE认证、CRCC认证等
2、入网许可证
3、摩尔实验室高低温检测报告
4、福建省产品质量检验研究院检测
5、著作版权证书
6、EMC检测报告
7、wifi创新产品奖
8、深圳比亚迪用户测试报告
七、主要产品及应用领域
公司自成立以来，已完成/CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/EVDO/HSPA+/LTE/
MODEM/DTU/RTU/ROUTER/WIFI网关以及无线网络高清视频监控系列产品和GPS/北斗厘米级定位系统的生产和销售，应用于智能快件箱、充电桩系统、金融交易、邮政交易、智能电网、智能交通、环保监测、消防监控、安防监控、水利监测、公共安全、广告发布、遥感勘测、工业控制、油田监测、煤矿监测、地震监测、气象监测、仪表监测、水表抄表、电表抄表、燃气抄表、热网监控、集中抄表等行业。
八、企业荣誉
1．2001年在GPRS网络未开通情况，通过和福建移动合作，率先在业内推出GPRS DTU；
2．2003年公司在业内率先制定TCP透传协议标准，现成为业内DTU产品事实标准；
3．2005公司率先在路由器上推行定时上下线功能，现在成为业内普遍使用功能；
4．中移动无线DDN协议标准制定参与者；
5．公司员工参加设计的无线自助终端项目，被评为“国家火炬计划推广产品”；
6．公司员工参与开发的无线终端评为“福建省优秀项目奖”
7．公司员工主持了863无线网络通信实验室承建工作；
8．公司员工累计主持和参与了12项著作版权及专利技术设计。
9．2015年年度工控网“样板工程奖”
10．2016年最佳充电设备零部件供应商
11．2016年荣获新能源汽车工业最佳创新企业金奖
九、总结
依托运营商4G网络，无线接入Internet,无须铺设接入Internet通信电缆，无须维护网络测；
PPTP＋MPPE和IPSEC+L2TP VPN保证了数据的安全性和可靠性；
1、设备统一性：对于不同的采集设备使用相同的通信设备CM 520避免了不同设备可能带来的兼容性问题以及以过多的通信设备操作及维护；
2、无需二次开发：为客户节约了成本,减小技术难度,缩短建设周期,提高了竞争力；
易用性,可操作性强:WEBTELNET串口界面方便用户的配置和管理,降低了日常维护人员的操作难度；
3、方案领先性：以太网数据传输是一种发展趋势,而VPN技术将很大程度的替代掉传统专线技术；将串口通信转换为以太网通信是串口设备实现远程通信的一个优选方案；
4、通信设备一次性投资：由于CM 520是标准以太网通信设备,支持当前流行的路由协议及vpn标准，因此完全满足以太网通信功能。如果有以太网通信功能的扩展,通过具有本地及远程升级的功能，只需升级CM 520内部firmware即可完成通信设备的功能扩展；
5、本地扩展性强:当现场增加采集设备，只需将其接入已有CM 520 4G Router即可完成网络通信，无须再为新增的采集设备添加通信设备。