环保行业技术方案

The Technical Specification of M2M Wireless

Communication in Environmental Protection

Industry

版本号：1.0.0（征求意见稿）

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环保行业

M2M无线通信技术方案

中国移动通信集团公司 发布

环保行业M2M无线通信技术方案

前 言

本文基于环保行业应用的需求，提出环保行业M2M无线通信技术方案，包括功能要求、系统结构、码号要求、设备及接口要求等，并附参考案例，是中国移动集团公司和省公司为环保行业提供M2M解决方案的技术依据。

本技术方案由中国移动通信集团公司数据部归口管理。

本技术方案解释权属于中国移动通信集团公司，具体技术细节由中国移动研发中心负责解释。

本技术方案起草单位：中国移动通信集团公司研发中心。

本技术方案主要起草人：李石、吕志虎、赵生、唐剑锋、任赪、姚丰、孙金霞、李威。

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目 录

1范围 ............................................................................................................................................... 4 2引用标准........................................................................................................................................ 4 3相关术语与缩略语解释 ................................................................................................................ 4 4业务及功能 .................................................................................................................................... 4

4.1业务需求 ............................................................................................................................. 5 4.2功能要求 ............................................................................................................................. 5 5系统结构和信息流程 .................................................................................................................... 5

5.1系统结构 ............................................................................................................................. 6 5.2信息流程 ............................................................................................................................. 7 6业务流程........................................................................................................................................ 7 7码号要求........................................................................................................................................ 8 8设备及接口要求 ............................................................................................................................ 8

8.1 行业终端设备功能 ............................................................................................................ 8 8.2 环保信息管理系统功能 .................................................................................................... 9 8.3 系统接口要求 .................................................................................................................... 9 8.4 对现网设备要求 ................................................................................................................ 9 9计费与结算 .................................................................................................................................. 10 10网管............................................................................................................................................ 10 11安全 ............................................................................................................................................ 10

11.1 终端鉴权与认证 ............................................................................................................ 10 11.2 用户信息安全 ................................................................................................................ 10 11.3 GPRS网络安全 .............................................................................................................. 10 12编制历史 .................................................................................................................................... 10 附录A 技术分析 ......................................................................................................................... 11 附录B APN管理原则 ................................................................................................................ 13 附录C 链路检测与激活 ............................................................................................................. 14 附录D IP地址类型对数据连接方法的影响 ............................................................................ 15 附录E 典型案例 ......................................................................................................................... 17

1项目摘要 .............................................................................................................................. 17 2项目简述 .............................................................................................................................. 17 3项目内容 .............................................................................................................................. 17

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1范围

本技术方案原则上在中国移动通信集团内部使用，为集团公司和省公司在环保行业开展M2M无线通信业务提供技术依据。

2引用标准

下列标准所包含的条文，通过在本方案中引用而成为本方案的条文。本方案出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本方案的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

[1] 中国移动GPRS网络技术 [2] 中国移动IP地址规划 [3] GSM07.07: Digital cellular telecommunications system (Phase 2+);AT command

set for GSM Mobile Equipment

[4] GSM 07.05: “Digital cellular telecommunication system (Phase 2+); Use of Data

Terminal Equipment – Data Circuit terminating Equipment (DTE – DCE) interface for Short Message Service (SMS) and Cell Broadcast Service (CBS)”

[5] GSM 07.60: “Digital cellular telecommunication system (Phase 2+); General

requirements on Mobile Stations (MS) supporting General Packet Radio Bearer Service (GPRS)”

3相关术语与缩略语解释

APN CSD GPRS M2M SMS USSD

Access Point Name Circuit Switched Data

General Packet Radio Service Machine to Machine Short Message Service

Unstructured Supplementary Service Data

4业务及功能

由于环境监测点分布分散，线路铺设和设备维修困难，难以实施数据的实时搜集和汇总。移动无线信息传输技术（即M2M无线通信技术）可以帮助环保部门灵活布置环境信息监测端点，及时掌握环境信息，根据实际情况迅速反应，增强环境监管力度。

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4.1业务需求

采集环境污染数据，通过移动无线通信网络将环境污染数据传回环保信息管理系统，对环境进行监控，根据环境情况治理污染。

4.2功能要求

根据上述业务需求，环保行业M2M无线通信系统须具备以下基本功能： 1）环境污染信息采集：

环境监测仪器采集排污数据，并处理（如压缩、加密、打包）； 2）现场数据回传功能：

利用无线通信网络发送数据，到达第一级数据汇总端（通常是地市级环保信息中心）；

3）环境信息处理功能：

环境信息中心处理系统对接收到的环境数据进行进一步分析、统计等。

系统应7* 24小时不间断工作，在各种气象情况，满足以下要求： 工作场合：各种污染排放口；

传输数据量：每次传送数据量200字节左右；

数据传送频率：数据收发频率约每30分钟一次，传送频率可根据具体情况调整； 质量要求：要求数据传输过程要求不受干扰，防止数据被非法修改；安放检测点的工作环境相对比较恶劣，基本处于户外粉尘、湿度、酸度以及温度变化都较大的环境中，因此对终端设备要有工业级的防护要求。

移动性：环保数据采集传输终端基本安装在固定位置，没有移动性要求。

5系统结构和信息流程

根据系统对数据传输的要求分析，建议系统主要使用GPRS承载方式。（具体分析见附录A：承载方式分析）

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5.1系统结构

数据采集传输终端 数据采集传输终端 数据采集传输终端 环境监测仪表 环境监测仪表 环境监测仪表 GSM/GPRS网络

VPN CMnet专线 环保信息管理系统

图1无线环境监测系统结构图

系统设备组成及功能：

环境监测仪表：用于采集排污数据；

数据采集传输终端：用于数据处理（如加/解密、压缩与解压缩），通过无线网络传输数据；

环保信息管理系统：用于接收数据，并对接收到的数据进行分析统计；

注：行业终端设备通常由信息采集处理模块(即终端设备(TE))和无线模块(即移动终端(MT))构成，本方案中环境监测仪表完成TE功能（数据采集分析处理），由数据采集传输终端完成MT功能（数据无线传输）；TE和MT可以是分立物理设备，也可以是集成物理设备。（终端具体要求见8.1节）

应用层接口功能：

数据采集传输终端——环保信息管理系统间接口：用于传输排污数据和环境监测仪表控制信息；

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5.2信息流程

环境监测仪表 数据采集传输终端 GPRS 网络 环保信息管理系统 通过RS232/RS485传输排污数据 通过GPRS无线方式传输排污数据 通过VPN或专线传输排污数据 查询排污数据 上报排污数据

图2 无线环境监测系统信息流程图

6业务流程

环境监测仪表采集排污数据 数据采集传输终端处理数据（压缩/加密/打包） 环保信息管理系统查询排污数据 打包数据通过无线网络传输 环保信息管理系统接收数据 解压缩/解密/解包 统计分析

图3 无线环境监测系统业务流程图

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7码号要求

行业终端设备（如现场信息采集设备、电子显示设备、执法终端）：采用GPRS接入方式时，根据《APN管理原则》建议使用专用区域性APN，动态分配私有IP地址；

环保信息管理系统：建议采用有线接入方式（专线或VPN接入），使用静态私有IP地址。

APN分配原则参见《APN管理原则》。IP地址使用原则参见《中国移动IP地址规划》。实际工程中可能会用到不同的IP地址类型，使用不同类型的IP地址数据连接建立的方法也不相同。（参见附录D）

对于动态分配私有IP地址的行业终端设备，无法由环保信息管理系统主动建立到行业终端设备的数据连接，因此无法实现远程设备监控；若要进行设备的远程监控，须采取以下方法使环保信息管理系统获得行业终端设备IP地址：

1）使用心跳数据包，定期在服务器中更新现场设备IP地址;

2）行业终端设备的GPRS连接可能会中断，此时行业终端设备应自动重拨，GPRS重连环保信息管理系统时(注册时)需要自动更新行业终端设备的IP地址;

3）行业终端设备进行GPRS数据上传时也应自动更新其IP地址;

对于环保信息管理系统无法使用有线接入方式的情况，可以使用GPRS无线接入方式。此时需要在行业终端设备与环保信息管理系统间通过GPRS方式直接进行端到端数据传输。需要为环保信息管理系统的终端号码绑定静态私有IP地址，该静态私有IP地址的绑定建议通过Radius认证并分配IP地址的方式实现，也可以通过在HLR中配置参数的方式实现（配置用户IP地址信息和对应的号码）。另外，还需要为环保信息管理系统提供专用区域性APN接入（该专用APN与行业终端设备使用的APN相同）。

8设备及接口要求

系统主要由行业终端设备和环保信息管理系统与移动通信网络三部分组成。

8.1 行业终端设备功能

行业终端设备通常由信息采集处理模块(即终端设备(TE))和无线模块(即移动终端(MT))构成；TE和MT可以是分立物理设备，也可以是集成物理设备，其接口遵循ETSI和ITU相关规范，如图4所示。

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R 参考点 TE MT Um 行业终端

图4 GPRS行业终端接口和参考点

MT设备可以使用GSM/GPRS通信模块，也可以使用通用的GSM/GPRS调制解调器；其功能主要是无线数据传输。

TE设备功能有明显的行业特征。现场信息采集设备中的TE部分功能主要为环境信息的采集处理。

TE和MT之间的物理接口可以是RS232串口、红外、PCMCIA、USB或GSM/GPRS通信模块自定义的接口。TE与MT间通过AT命令进行通信（AT命令格式参见GSM07.07、GSM07.05、GSM07.60）。

8.2 环保信息管理系统功能

环保信息管理系统主要用于接收环境数据，并进行分析处理。

8.3 系统接口要求

系统接口用于传输环境监测信息和设备控制信息。接口应用层协议具体消息结构和内容由终端开发厂商或系统集成商或行业用户自行定义。应用层接口协议定义了信息传输格式、设备控制命令格式、心跳包、确认消息。

8.4 对现网设备要求

对现网设备的要求主要包括：

1）需要专用路由器和防火墙负责用户专线的接入和管理。与GPRS核心网连接既要考虑GPRS核心网安全问题，也要考虑安全。

2）可以使用Radius设备加强对行业客户鉴权认证和IP地址的分配管理；根据用户需要可以使用行业客户已有Radius设备，进行行业客户鉴权认证和IP地址管理。

3）行业应用与其他业务的隔离：业务发展中期，为了使行业应用的开展尽量不影响现网其他业务，并且便于控制管理。可以考虑使用专用GGSN为所有行业用户提供服务，将个人用户业务集中在其他GGSN上减少行业客户和个人用户业务的耦合性；根据业务发展情况可以考虑为数据量大的行业客户使用专用GGSN。

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9计费与结算

采用GPRS承载的计费与结算参见《中国移动GPRS网络技术》。计费系统除支持现有计费方式外，还应支持根据专用APN进行批价的方式。

10网管

目前行业应用系统中，中国移动主要提供网络通道，行业应用系统的后台服务器和行业终端由行业客户自行管理。

11安全

11.1 终端鉴权与认证

对终端的认证包含了对SIM卡的鉴权认证、对用户号码的APN授权的鉴权认证、基于IP地址识别用户号码（针对绑定IP地址的应用）。实际使用可以综合采用以上手段。

11.2 用户信息安全

本方案无特殊保密需求，端到端加密技术需要由行业用户自行实现。移动网络与环保信息管理系统的传输通道建议采用有线方式（如专线直联或VPN技术），确保用户信息安全。

11.3 GPRS网络安全

实施行业应用时应注意与外部数据网的隔离，中国移动GPRS网在与外部数据网互连的Gi接口上应设置防火墙。具体方案参见《中国移动GPRS网络技术》。

12编制历史

环保行业M2M无线通信技术方案编制历史 版本 V1.0.0 征求意见稿

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时间 2004年8月 重大修改 征求意见稿完成。

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附录A 技术分析

连接方式 GPRS 分组交换方式，适合面向连接和无连接 多PDTCH USSD 面向连接方式 SMS 存储转发方式 CSD 电路交换方式，适合面向连接和无连接 TCH 无线承载信道 通话状态下FACCH 非通话状态下SDCCH 最400bps 大通话状态下SACCH 非通话状态下SDCCH 普通短信最大160Byte/条 扩展短信（EMS）200-600Byte/条 无连接建立过程 数据速率 CS-1最大有效速率为59.28kbps CS-2最大有效速率为88.88kbps 最9.6kbps 大连接建立时间 PDP激活终端与时间小于3秒 USSDC之间建立连接时间在3-4S V.110接入方式为4S左右 普通MODOM接入方式为30S左右 400ms 时延（RTT） 网络发起 QoS保证 无线资源利用 1-2.5s 存储转发方式，时延变化范围较大 可以 理论上可以，实际存在问题 理论上可以，目前只能做到besteffort 按照需要动态建立和释放无线业务信道 理论上可以，厂家目前大多不支持 连接建立过程中一直占用无线控制信道 不行 存储转发，无任何QoS保证 按需建立和释放无线控制信道（GSM）或业务信道（GPRS） 带宽可以保证 固定占用1个无线业务信道 中国移动通信集团公司

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通话和数据传输是否可同时进行 A类终端可以，B类终端可实现电话呼叫挂起数据传输，并在通话结束后恢复 可以 可以 不行 根据无线环境监测系统功能要求分析，通常环保行业无线通信数据量较小，每次传送数据量200字节左右。目前GPRS网络设备的上传能力约11.2Kbps 每信道，一般能够利用1个或者2个上传信道，下载能力约20~30Kbps，所以环保行业无线承载可以采用GPRS方式也可以采用SMS/USSD承载方式。行业用户通信服务器与移动通信网间连接，可以采用VPN或专线方式。

为满足环保行业数据的安全性能要求，如果系统没有访问因特网的通信需求，应在无线环境监测系统内分配私有IP地址，屏蔽系统与因特网间的通信。

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附录B APN管理原则

一、GPRS业务的APN由集团公司统一规划和管理。全网业务的APN由集团公司分配，省内业务的APN由各省公司在集团公司规范的范围内进行分配。

二、APN命名和分配原则

1.以下提到的APN标识为网络标识；

2.目前大众用户的APN为CMNET 、CMWAP，如需增加新的大众用户APN，由集团公司统一分配，长度不超过8位；

3.行业客户和跨省集团客户的APN由集团公司与客户商定，编码格式为：（用户名）.（CMCC）；

4.省内业务的APN为（用户名）.（省名拼音缩写），省名拼音缩写编码同域名； 5. 用户名可以为字母A-Z（不分大小写）、数字（0-9）和破折号（-），长度不超过20位。其它字符无效；

6．统配符APN “*”不向用户分配； 7. 每用户同时注册的APN不能超过7个。

三、省内业务的APN如无漫游需求，各省可自行分配，启用前报备集团公司。

四、省内业务的APN如有漫游需求，各省应提前2周上报集团公司，上报的材料应包括该APN涉及的业务描述、网络方案、新增设备等。集团公司数据部请网络部、计费中心做好数据改造后，通知各省启用该APN。

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附录C 链路检测与激活

对于经常性传输和实时性要求较高的数据传输，需要定期发送少量数据（心跳包）维持行业终端在线。心跳包通常由包序列号、行业终端设备IP地址、用户自定义数据组成，数据发送间隔（又称心跳间隔）应根据网络质量和应用要求进行设置（通常略短于无线通信系统对行业终端PDP上下文的保存时间）。

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附录D IP地址类型对数据连接方法的影响

行业终端设备使用SMS/USSD承载方式时，环保信息管理系统可以通过行业终端用户号码访问行业终端，行业终端可以通过特服号码访问环保信息管理系统。行业终端采用GPRS承载方式时，行业终端可能使用的IP地址类型有：动态公有IP地址、静态私有IP地址、动态私有IP地址（为节省公有IP地址资源，行业终端设备通常不使用静态公有IP地址）；环保信息管理系统可能使用的IP地址类型有：静态公有IP地址、动态公有IP地址、静态私有IP地址（为便于系统操作，环保信息管理系统通常不使用动态私有IP地址）。 行业终端设备和环保信息管理系统同时采用静态IP地址，数据连接实现方案最为简单。但使用静态地址，不利于充分利用IP地址资源。另外，对于不要求与公网连接的系统，分配私有IP地址可以有效的提高网络的安全性。 实际工程条件下各种IP地址类型可能会综合应用，灵活组合。

行业终端采用动态公有IP地址：

环保信息管理系统使用静态公有IP地址，行业终端可以直接建立到环保信息管理系统的数据连接，上报数据；行业终端需要把分配的动态公有IP地址及时报告环保信息管理系统，环保信息管理系统就可以主动建立到行业终端的数据连接，向行业终端传送下行信息。

环保信息管理系统使用动态公有IP地址，行业终端需要通过动态域名解析服务器建立到环保信息管理系统的数据连接，上报数据；行业终端需要把分配的动态公有IP地址及时报告环保信息管理系统，环保信息管理系统就可以主动建立到行业终端的数据连接，向行业终端传送控制信息。

这种情况下环保信息管理系统通常不使用静态私有IP地址。

行业终端采用静态私有IP地址：

环保信息管理系统使用静态公有IP地址，行业终端可以通过NAT建立到环保信息管理系统的数据连接，上报数据；环保信息管理系统可以通过NAT服务器主动建立到行业终端的数据连接，向行业终端传送下行信息。如果系统不支持下行数据的NAT功能，则可以采用SMS/USSD或语音激活行业终端设备的方式，由行业终端主动建立到环保信息管理系统的数据连接，环保信息管理系统使用这个连接向行业终端发送下行数据；

环保信息管理系统使用动态公有IP地址，行业终端可以通过NAT和动态域名解析服务器建立到环保信息管理系统的数据连接，上报数据；环保信息管理系统可以通过NAT服务器主动建立到行业终端的数据连接，向行业终端传送下行信息。如果系统不支持下行数据的NAT功能，则可以采用SMS/USSD或语音激活行业终端设备的方式，由行业终端通过NAT和动态域名解析服务器主动建立到环保信息管理系统的数据连接，环保信息管理系统使用这个连接向行业终端发送下行数据；

环保信息管理系统使用静态私有IP地址，行业终端可以直接访问环保信息管理系统，上报数据；只要行业终端进行了PDP附着就可以由环保信息管理系统主动建立数据连接，向行业终端发送下行数据。

行业终端采用动态私有IP地址：

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环保信息管理系统使用静态公有IP地址，行业终端可以通过NAT访问环保信息管理系统，上报数据；行业终端需要把分配的动态私有IP地址及时报告环保信息管理系统，环保信息管理系统就可以通过NAT主动建立到行业终端的数据连接，向行业终端传送下行信息。如果系统不支持下行数据的NAT功能，则可以采用SMS/USSD或语音激活行业终端设备的方式，由行业终端通过NAT主动建立到环保信息管理系统的数据连接，环保信息管理系统使用这个连接向行业终端发送下行数据；

环保信息管理系统使用动态公有IP地址，行业终端可以通过NAT和动态域名解析服务器访问环保信息管理系统，上报数据；行业终端需要把分配的动态私有IP地址通过NAT和动态域名解析服务器及时报告环保信息管理系统，环保信息管理系统就可以通过NAT主动建立到行业终端的数据连接，向行业终端传送下行信息。如果系统不支持下行数据的NAT功能，则可以采用SMS/USSD或语音激活行业终端设备的方式，由行业终端通过NAT和动态域名解析服务器主动建立到环保信息管理系统的数据连接，环保信息管理系统使用这个连接向行业终端发送下行数据；

环保信息管理系统使用静态私有IP地址，行业终端可以直接访问环保信息管理系统，上报数据；行业终端需要把分配的动态私有IP地址及时报告环保信息管理系统，环保信息管理系统就可以主动建立到行业终端的数据连接，向行业终端传送下行信息。也可以采用SMS/USSD或语音激活行业终端设备的方式，由行业终端主动建立到环保信息管理系统的数据连接，环保信息管理系统使用这个连接向行业终端发送下行数据；

另外，以上各种行业终端和环保信息管理系统IP地址类型的组合情况，行业终端均可以主动建立到环保信息管理系统的连接并使用心跳包维持该连接，这样环保信息管理系统就可以使用这个永久连接向行业终端发送下行数据。

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附录E 典型案例

1项目摘要

项目名称：河北省无线远程环境监测网络系统

业务功能： 对全省11个地级市1300个重点排污企业和10000家非重点排污企业以及

公共环境监测点进行数据实时监测和数据汇总

应用技术：SMS/GPRS无线通信技术、计算机及网络技术、MIS、GIS和数据库软件技

术。

开发周期：2001年8月～2003年4月。

2项目简述

项目实施单位

北京标旗世纪数据通信技术有限公司 项目背景

根据国家环保总局216号文件的要求，河北省环保局加大了对省内工业污染源的监控力度，并于2000年开始计划建设全省环境监控网。2003年2月省环保局出台《河北省污染源在线监控实施方案》，该方案对河北省范围内的工业污染源进行了系统分类并将全省1300家排污企业纳入了在线监控的规划范围，同时还对监控网络的建设以及硬件和软件系统提出了具体要求。在此背景之下，河北省环保局加快了对适应本省监控网络建设所需的管理系统平台（系统软件）和数据采集终端的甄选工作。

2003年4月河北省环保局收到了北京标旗集团关于以BOT方式建设河北省污染源在线监控网络系统的建议书，并组织专家对标旗公司所提供的管理软件系统、数据采集传输终端、以及网络建设和运营的全面解决方案进行了深入全面的研究和比对，并且在河北衡水市进行了实物演示鉴定，最终结果表明，北京标旗公司开发的远程环境监控管理信息系统完全符合环境监测和监理部门对工业污染源在线监控的实际工作需求，系统所表现的强大功能和良好特性在环境数据的采集、传输、存储、处理和应用等所有工作流程上都有完美的体现，尤其是系统和数据终端的稳定性，安全性，可扩展性和运行的经济性受到高度评价。

3项目内容

整体方案

2003年8月16日河北省环保局与北京标旗世纪数据通信技术有限公司正式签订了《北京标旗世纪数据通信技术有限公司以BOT方式投资建设河北省污染源在线监控网络系统协议书》。

协议书中所规定的投资建设规模包括在省会城市和11个地级市建设数据监控中心，在首批1300家重点排污企业安装数据采集传输终端并实现全省联网。协议书规定排污企业每

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年为每台数据采集传输终端支付2400元综合服务费，缴费期5年。

在数据通信模式上，污染源和监测点的数据以SMS/GPRS公网上传到地级市监测中心，11个地级市监测中心汇总的数据通过无线DDN专线上传到省局监测中心。

重点业务介绍

河北省无线远程环境监测网络系统是一个搭建在中国移动GPRS数据平台上的管理应用系统。它具有省局—地级市局—污染源三级管理结构，其数据传输链路为：排污企业→地级市局→省局。各级环保局监测中心是本系统的使用者，辖区内的工业污染源和公共环境监测点是本系统的管理对象。系统具有以下主要功能和特点：

 对污染源实行24小时不间断的实时在线监控。  在任意时刻查看和提取污染源排放数据的当前值。  定时自动接收和存储污染源排放数据。  对企业非正常排放现象进行自动报警。

 自动定期对企业环保负责人发送手机短信告知和提示。

 对数据进行自动分析处理，并自动生成各种图表、报表和统计报告。  在电子地图上直接查看企业位置和企业相关情况。  对数据终端进行远程设置、远程诊断和远程控制。  根据物料衡算及监测数据统计企业污染物排放总量。

 自动接收和汇总有关大气、地表水、酸雨、辐射和噪声的监测数据。

该系统具有强大的数据处理功能和决策支持功能，而且操作简单，使用方便。最大限度地满足信息存储、数据查询、远程提取和决策支持等管理需求，并且为将来嵌入更多管理模块预留了充足的扩展空间。

此外，该系统还可以根据需要嵌入电子政务模块、排污费征收管理模块、排污权交易管理模块、企业信息服务模块等子系统，以实现更多的扩展功能。

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