T-CSER 014-2023 基于无线通信的土壤和地下水污染环境信息传输规范

（发布稿）中关村众信土壤修复产业技术创新联盟发布ⅠT/CSER014-2023 I 12规范性引用文件 13术语和定义 14缩略语 35工作要求 35.1基本原则 35.2工作场景 45.3现场机 55.4上位机 75.5无线传输模块 75.6传输网络结构 76通讯协议 6.1协议层次 6.2通讯流程和应答机制 6.3通讯数据结构 附录A通讯数据结构说明 A-1命令编码表 A-2数据区定义 A-3字段对照表 A-4参数编码表 A-5请求命令返回表 A-6执行结果定义表 A-7数据标记表 T/CSER014-2023为贯彻落实《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国土壤污染防治法》、《土壤污染防治行动计划》、《中华人民共和国水污染防治法》和《中共中央国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》、《“十四五”土壤、地下水和农村生态环境保护规划》、《全国地下水污染防治规划（2011—2020年）》，规范和指导土壤和地下水污染场地中基于无线通信的环境信息采集与数据传输工作，制订本标准。本标准按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本标准由中关村众信土壤修复产业技术创新联盟提出并归口管理。本标准主要起草单位：生态环境部华南环境科学研究所（生态环境部生态环境应急研究所）。本标准参与起草单位：广州华科环保工程有限公司、广州市合信环保科技有限公司、武汉瑞景环境修复工程有限公司、深圳市赛盈地脉技术有限公司。本标准主要起草人：赵坤荣、骆慧斌、严佩嘉、吴双、许文骏、古涛、何婷婷、雷育宇、吴俊锋、程雪雪、柯垚、刘兴昌、张天利、潘临。1T/CSER014-2023本标准规定了使用无线通信技术进行土壤和地下水污染环境信息数据传输的技术方法和工作要求。是针对土壤和地下水污染防治领域的环境信息数据传输工作对《污染源在线监控（监测）系统数据传输标准》（HJ212-2017）的扩展。本标准适用于我国土壤和地下水污染防治领域的各工作阶段（污染调查、评估、修复和长期监控）过程中，使用无线通信技术在监控（监测）仪器仪表与数据监控平台之间进行的环境监测数据传输工作。本标准允许扩展，但扩展时不得与本标准内容相冲突。2规范性引用文件《地下水质量标准》（GB/T14848）《环境监测信息传输技术规定》（HJ660）《环境信息交换技术规范》（HJ727）《污染源在线监控（监测）系统数据传输标准》（HJ212）《环境信息系统安全技术规范》（HJ729）《建设用地土壤污染状况调查技术导则》（HJ25.1）《建设用地土壤和地下水污染风险管控和修复监测技术导则》（HJ25.2）《建设用地土壤和地下水污染风险评估技术导则》（HJ25.3）《建设用地土壤修复技术导则》（HJ25.4）《污染地块地下水修复和风险管控技术导则》（HJ25.6）《土壤监测技术规范》（HJ/T166）《地下水环境监测技术规范》（HJ164）3术语和定义下列术语和定义适用于本标准。3.1污染地块环境信息environmentalinformationofcontaminatedsite能够直接或间接地反映地块当前土壤及地下水污染状况的信息。3.2无线通信wirelesscommunication仅利用电磁波而不通过线缆和物理串口进行的数据传输。2T/CSER014-20233.3数据监控平台datamonitoringplatform进行实时数据监控的系统平台，负责数据的存储、管理、共享、应用和可视化，并下达数据采集、数据传输等命令。本标准中简称“上位机”。3.4监控（监测）仪器仪表monitoringequipment安装在现场监测点，用于监控、监测相关环境信息的设备。本标准中简称“现场机”。3.5无线数据采集传输模块wirelessdatatransmissionmodule利用数字信号处理技术和无线电技术，从各种类型的现场机中采集场地污染环境信息数据、完成与上位机数据传输通讯功能的设备。本标准中简称“无线传输模块”。3.6通信端口communicationport设备用于连接传输网络的物理接口，用于实现数据的输入和输出。3.7通信模组communicationmodule设备中负责处理通信功能的模块，通常包括通信芯片、天线和相关硬件。3.8串口有线通信serialwiredcommunication通过物理串口进行的数据传输。稳定可靠，传输速率高但需要布线，不便于移动应用，可能受到物理障碍的限制。3.9无线局域网wirelesslocalareanetwork一种无线通信技术，允许设备通过无线方式进行本地网络连接。适用于本地范围内的高速数据传输，不需要物理连接，便于移动和部署，但传输距离相对较短，可能受到干扰和信号弱化的影响。3.10无线广域网wirelesswideareanetwork一种无线通信技术，允许设备在广大区域内进行数据传输。低功耗，适用于长距离低数据速率的通信，覆盖范围广，但相比于无线局域网传输速率相对较低。3.11蜂窝通信cellularcommunication一种采用蜂窝网络进行数据传输的通信方式。蜂窝网络是一种移动通信网络体系结构，这种网络结构将服务区域划分为较小的区块，每个区块称为一个蜂窝，中心有一个无线通信基站。蜂窝通信覆盖范围广，适用于移动应用，但可能受到信号覆盖范围、信号干扰等方面的限制。3.12卫星通信satellitecommunication一种通过卫星进行数据传输的通信方式，包括静止轨道卫星和低轨道卫星等。卫星通信覆盖范围极广，适用于偏远地区，不受地理位置限制，但受制于较高的成本、较高的功耗，3T/CSER014-2023较高的信号传输时延。4缩略语下列缩略语适用于本标准。ISO国际标准化组织（InternationalOrganizationofStandardization,ISO）OSI开放式系统互联通信参考模型（OpenSystemInterconnection,OSI）TCP传输控制协议（TransmissionControlProtocol）IP网际协议（InternetProtocol）ASCI美国信息交换标准代码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）CRC循环冗余校验（CyclicRedundancyCheck）MCU微控制单元（Micro-controllerUnit）SDK软件开发工具包（SoftwareDevelopmentKit）USB通用串行总线（UniversalSerialBus）Wi-Fi无线保真无线局域网技术（WirelessFidelity）LoRa长距离低功耗无线通信技术（LongRange）NB-IoT窄带物联网（NarrowbandInternetofThings）3G第三代移动通信技术（3rdGeneration）4G第四代移动通信技术（4thGeneration）5G第五代移动通信技术（5thGeneration）GEO静止轨道卫星（GeostationaryEarthOrbit）LEO低轨道卫星（LowEarthOrbit）5工作要求5.1基本原则基于无线通信的土壤和地下水污染环境信息的采集、传输与管理工作应遵循以下基本原5.1.1规范性原则符合国家相关法律法规、标准的规定，遵守监测技术标准、质量保证和质量控制要求，规范监测数据的储存、管理和应用。5.1.2可行性原则综合考虑污染场地的特点、特征污染物、行业现有技术水平和技术条件、无线通信技术4T/CSER014-2023的经济性与能耗等，合理设计、开展污染场地环境信息数据的无线传输工作。5.1.3真实性原则确保监测数据反映现场真实情况，如实记录监测数据的时间戳、监测点位地理坐标等时空信息，规范监测数据的统计、分析、报告，及时发现、排查、解决数据异常失真等问题。5.2工作场景无线通信具有监测布点灵活的特点，在监测数据采集传输工作场景中更适用于地理非均质性分布的监测对象。本标准中涉及的土壤和地下水污染环境信息数据采集传输工作包括但不限于以下场景：5.2.1工业企业土壤和地下水自行监测在产工业企业重点设施及重点区域存在有毒有害物质、生产过程中可能导致土壤及地下水污染的，为保障厂区土壤及地下水安全、防止污染通过地下水途径扩散，应进行土壤和地下水污染监测，可基于无线通信技术进行土壤和地下水污染环境信息数据采集传输。5.2.2重点污染源及周边环境状况监控垃圾填埋场、矿山开采区与尾矿库、危险废物处置场、加油站与储油设施、农业固定污染源等各类土壤与地下水重点污染源及其周边环境区域，应及时对土壤和地下水环境状况进行调查评价，可基于无线通信技术进行土壤和地下水污染环境信息数据采集传输：（1）垃圾填埋场：垃圾填埋场所含危害成分复杂，如重金属、有机物等，难以降解，危害特性长期存在。若填埋场工程防渗材料老化或破裂，危害组分泄漏的风险增大，将对周边土壤和地下水环境构成长期重大威胁。（2）矿山与尾矿库：矿山尾矿库、固体废弃物的堆放会对地下水环境造成严重污染，特别是有色金属、黑色金属等矿类（种）矿山，其污染风险程度相对较高。（3）危废处置场：危险废物处理中产生的废水、废气、废物会对周边的土壤和地下水环境产生影响。（4）加油站与储油设施：加油站在操作管理不当、卸油过程、地下油槽及管线腐蚀等情况均可能发生油品泄露，以及油槽管线清洗等，都会造成土壤或地下水污染。（5）农业固定污染源：对于畜禽养殖场等农业固定污染源，没有经过处理的畜禽粪便以及养殖废水直接排入到河流和湖泊等水体中，造成水体富营养化。被污染的水用于农田灌溉，会引起农用地土壤和地下水污染。极端不当施肥、喷洒农药等也会造成污染。5T/CSER014-20235.2.3污染地块风险管控部分对土壤及地下水采用风险管控的污染地块，应对地块及周边区域长期监测土壤和地下水中的污染物质浓度进行监测，确保风险管控的效果，可基于无线通信技术进行土壤和地下水污染环境信息数据采集传输。5.2.4场地修复与效果评估在修复过程中需要对修复区域污染物浓度进行实时在线监测的污染场地，以及在修复工程完成后需要进行修复效果调查评估的污染场地，可基于无线通信技术进行土壤和地下水污染环境信息数据采集传输。5.3现场机现场机设备应具备采集污染地块土壤和地下水污染相关环境参数的能力，用于监控、监测土壤和地下水污染状况，以及相关的岩性、水文地质参数等。现场机宜具备无线通信能力。若现场机不具备无线通信能力，应具备物理串口有线通讯能力并符合RS-232、RS-485、USB、Ethernet等通信标准。针对不同的土壤和地下水污染类型的特征，应合理选择监测参数，并根据监测和数据传输要求进行设备选型。针对不同的土壤和地下水污染分布，应设计不同的现场机布点方案。5.3.1监测参数选择污染环境信息数据采集时，应根据环境调查、风险评估和地块修复实际情况，选取适当的监测参数进行调查。监测参数选择时需考虑的污染地块特征包括但不限于：（1）不同代表位置和深度或选定深度的土壤及地下水样品的理化性质；（2）场地（所在地）气象、水文、地质特征信息和数据；（3）场地特征污染物等。在线监测参数选择还应考虑技术可行性，包括但不限于以下方面：（1）土壤中的重金属、总挥发性有机物等可作为监测参数直接监测；（2）土壤中的半挥发性有机物、持久性有机污染物等可通过监测电阻率等参数间接监测；（3）土壤中的氰化物、石棉污染不可在线监测；（4）地下水的水位、水质指标（pH值、溶解氧、化学需氧量等）、部分有机污染物等可作为监测参数直接监测。6T/CSER014-2023常见污染地块类型及特征污染物可参考《建设用地土壤污染状况调查技术导则》（HJ25.1不同行业污染源中的地下水潜在特征污染物可参考《地下水环境监测技术规范》（HJ164），实际调查过程中应根据具体情况确定。5.3.2监测设备选择（1）土壤污染监测可使用X射线荧光元素分析法（X-rayFluorescence,XRF）用于监测污染场地土壤中的汞、镉、铅、砷、铜、锌、镍、钴、钒、锰、铬、铁等重金属污染物浓度。可使用薄膜界面探测法（MembraneInterfaceProbe,MIP）用于监测污染场地中土壤的总挥发性有机物（VOCs）浓度。（2）地下水污染监测可使用压阻水位计、电容式水位计、电阻式水位计、声波测距仪等用于监测污染场地中地下水的水位。可使用水质监测仪用于监测地下水的水位、pH值、色度、溶解性总固体、溶解氧、水温、悬浮物、电导率、化学需氧量等。可使用气相/液相色谱质谱联用仪（GC/LC-MS）、紫外-可见光谱仪（UV-Vis）、荧光光谱仪等监测地下水的有机物污染。可使用分光光度法、电化学分析法、原子吸收法等用于监测汞、镉、铅、砷、铜、锌、镍、钴、钒、锰、铬、铁等重金属等指标。（3）土壤气污染监测可使用光离子化检测器（PID）或火焰离子化检测器（FID）用于监测污染场地中土壤气的总挥发性有机物（VOCs）浓度。（4）土壤与地下水电阻率监测可使用高密度电阻率法（ERT）用于监测污染场地关键设施附近土壤和地下水电阻率、极化率等电法参数。5.3.3点位布设工业企业场地自行监测点位布设宜参考《工业企业土壤和地下水自行监测技术指南（试行）》（HJ1209）、《重点行业企业用地调查疑似污染地块布点技术规定（试行）》。重点污染源及周边环境监测点位布设宜参考《建设用地土壤污染状况调查技术导则》污染场地风险管控、场地修复监测点位布设宜参考《建设用地土壤污染风险管控和修复7T/CSER014-2023监测技术导则》（HJ25.2）。污染场地土壤修复效果评估监测点位布设宜参考《污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则（试行）》（HJ25.5）。5.4上位机本标准规定的上位机为土壤与地下水污染数据的接收、处理和存储系统，包括计算机及计算机软件等。上位机应具备IP地址、通信端口等，能够根据传输协议通过传输网络进行通讯（包括发起、数据交换、应答等）。5.5无线传输模块本标准规定的无线传输模块应具备IP地址、通信端口等，能够根据传输协议通过传输网络进行通讯（包括发起、数据交换、应答等）。无线传输模块应符合以下要求：（1）通讯及时：数据收发过程响应要快，响应速度应做到毫秒级。（2）数据中立：不应处理通信数据，所有数据传输的控制应由上位机与现场机协商完（3）参数管理：应能够保存上位机的IP地址、通信端口等参数，并能通过通信端口实现参数的修改。（4）安全管理：应使用符合网络安全标准的通信标准。5.6传输网络结构现场机与上位机之间的数据传输网络结构主要包括以下三种：（1）基于串口有线通信和无线广域网通信；（2）基于无线局域网和无线广域网通信；（3）仅基于无线广域网通信。传输网络结构应依据实际情况自行选择、结合使用，具体通信方式应符合对应的通信标准，同时需设置合适、可靠的通信参数（通信速率、传输距离、校验参数等）。5.6.1基于串口有线通信和无线广域网通信的传输网络结构针对不具备无线通信端口的现场机，可采用物理串口有线通信方式，根据RS-232、RS-485、USB等通信标准，先与无线传输模块链接，再利用无线传输模块与上位机进行蜂窝通8T/CSER014-2023信（3G/4G/5G）、卫星通信（GEO/LEO）等无线广域网通信。其传输网络结构如图1，单个无线传输模块可服务一套或多套现场机。在物理串口有线通信方式选择时，应综合考虑通信距离、功耗要求、数据传输速率、设备成本等因素，结合场地实际情况进行综合比选，选取适宜的传输方式：（1）RS-232简单易用、成本相对较低，但通信距离有限、只能实现单向数据传输、对（2）RS-485支持多点通信、通信距离较远、对抗电磁干扰的能力较强，但需要额外的控制电路、硬件和软件实现较为复杂；（3）USB传输速率高、插拔方便，但通信距离较短、设备较多时可能需要使用集线器。图1基于串口有线通信和无线广域网通信的传输网络结构5.6.2基于无线局域网和无线广域网通信的传输网络结构针对具备无线通信端口，但因不具备软件开发工具包（SDK）而无法实现通讯协议，或因不具备IP地址而不能直接与上位机直接建立连接的现场机设备，可采用Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、LoRa、NB-IoT等无线局域网通信的方式与无线传输模块链接，再利用无线传输模块的无线通信能力与上位机进行蜂窝通信（3G/4G/5G）、卫星通信（GEO/LEO）等无线广域网通信。其传输网络结构如图2，单个无线传输模块可服务一套或多套现场机。在无线局域网通信方式选择时，应综合考虑通信距离、功耗要求、数据传输速率、设备成本等因素，结合场地实际情况进行综合比选，选取适宜的传输方式：9T/CSER014-2023（1）Wi-Fi适用于100米内中等范围的通信，对移动设备有一定的支持性，传输速率高、普及度高，但功耗较高、设备成本较高；（2）Bluetooth适用于10米内短距离的通信，且非常适用于移动中的设备，传输速率中等，功耗较低，设备成本低；（3）Zigbee适用于100米内中等范围的通信，对移动设备的支持性较差，传输速率较低，功耗较低，设备成本低；（4）LoRA适用于数千米内长距离的通信，对移动设备有一定的支持性，传输速率较低，功耗较低，设备成本中等；（5）NB-IoT适用于50米内中等范围的通信，对移动设备支持性较好，传输速率较低，功耗较低，设备成本较低。图2基于无线局域网和无线广域网通信的传输网络结构5.6.3仅基于无线广域网通信的传输网络结构针对自身集监控、监测和无线通信功能为一体的现场机设备，可直接与上位机进行蜂窝通信（3G/4G/5G）、卫星通信（GEO/LEO）等无线广域网通信，其传输网络结构如图3。此类现场机应内置微控制单元（MCU）与软件开发工具包（SDK可执行数据通讯协议，并具备无线广域网通信模组和具体IP地址。数据通讯协议的逻辑运行在MCU上，由MCU控制无线广域网通信模组连接上位机收发数据。T/CSER014-2023图3基于无线广域网通信的传输网络结构6通讯协议6.1协议层次本标准规定的通讯协议对应于ISO/OSI定义的协议模型的应用层，在现场机与上位机之间提供交互通讯。现场机与上位机通讯接口应满足选定通信方式的要求，本标准不作规定。在通讯协议中，无线通信模块被视为现场机的一部分，其与现场机的通信方式与本章所述的通讯协议的应用层无关。基于可靠性、通用性、可扩展性，本标准中的基础传输层采用TCP/IP模型中的TCP协议。本标准的应用层替代TCP/IP协议中的应用层，整个应用层的协议和具体的传输网络无6.2通讯流程和应答机制6.2.1平台订阅模式平台订阅模式的通讯流程为：（1）上位机作为平台向现场机站点发送请求命令；（2）站点收到请求命令，向平台返回应答命令，执行请求操作，执行完成后将执行结果发送给平台；（3）平台收到应答命令，等待站点执行结果，如果在规定时间内未收到应答命令，按请求回应超时处理；如果在规定时间内收到应答命令但没有接收到执行结果，按执行超时处理。平台订阅模式通信流程和应答机制时序图如下：T/CSER014-2023图4平台订阅模式通信流程和应答机制时序图6.2.2设备推送模式设备推送模式的通讯流程为：（1）站点主动执行预定操作，执行完成后，将请求命令和执行结果发送给平台，并等待平台应答命令；（2）平台收到站点请求命令和执行结果，向站点返回应答命令；（3）站点如果在规定时间内没有收到应答命令，按请求回应超时处理。设备推送模式通信流程和应答机制时序图如下：图5设备推送模式通信和应答机制时序图6.2.3超时重发机制本标准采用基于TCP协议的重传机制。在通信过程中，请求（或命令）的响应超过规定时间后，应重发此请求（或命令）。若重发超过规定次数后仍未收到回应，则视为通讯不可用，通讯结束。请求回应超时的时间阈值，应根据具体的通讯方式和任务性质自定义。T/CSER014-20236.3通讯数据结构6.3.1通讯包结构组成通讯包数据结构如下所示：注：（1）包头为长度为2的字符，固定为“##”；（2）数据段长度为描述数据段结构长度的十进制整数，长度固定为4字节；（3）数据段为长度在0到8186之间的不定长字节，具体数据段组成见6.3.2；（4）CRC校验为数据段的校验结果，是十六进制整数，长度固定为4字节，校验算法参考《污染源在线监控（监测）系统数据传输标准》（HJ21