物联网在环境保护领域中的应用研究

【摘 要】 随着经济的迅速发展，物联网已经成为新兴的高科技科技产业之一，快速发展。物联网技术能对物品进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，应用十分广泛，其中环境保护就是一个重要的应用领域。本文介绍物联网在环境保护领域中的应用，阐述了面向环境保护的物联网的组织结构、技术现状、应用和产业现状以及发展中的若干问题，同时对面向环境保护的物联网的发展前景进行探讨。

【关键词】 物联网 环境保护 传感器

1 引言

随着社会经济的蓬勃发展，人类面临的环境问题越来越严峻。土地退化、水资源短缺及污染、空气污染、低质量的城市环境基础设施、农村环境退化、环境事故日益频繁、全球环境问题诸如气候变化等。这些环境问题严重威胁着人们的健康，不利于社会的可持续发展。而且，目前我国环境保护领域的信息化程度仍偏低，各地区环保系统相关业务数据共享和服务不对外开放，从而造成各地重复投资。因此未来环境保护工作的重点将是促进环境保护向自动化、智能化、网络化方向发展，环保信息化势在必行。又由于近年来，物联网应用于环境保护领域是信息通信技术发展到一定阶段的必然结果，也是环保领域信息化的必然趋势。

2 物联网概念及相关技术

2.1 物联网的概念

物联网究竟是什么呢？顾名思义，物联网就是“物与物相连的互联网”。物联网（Internet of Things，IOT）概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，目前业界并没有明确统一的定义。早期的物联网是指依托射频识别（RFID）技术的物流网络，然而在20世纪90年代“物联网”的概念才产生，在2005年国际电信联盟（ITU）发布了互联网研究报告《物联网》后，它才引起各国政府与产业界的重视。早期的物联网并没有像现在这么完善，它仅仅只是依托射频识别（RFID）技术的物流网络，随着技术的完善和应用的发展，物联网的内涵已经发生了较大的变化。

所谓物联网，从狭义上讲，就是传感网，但物联网的概念相对传感网要大一些；从广义上讲，就是社会生态系统的智能化或者说地球的智慧化（所谓智慧地球），即实现所有对象（物品）的智能化识别和管理。物联网的基础是芯片技术、微型传感技术、无线传感器网络技术、智能技术、纳米技术、射频识别技术、MEMS（微机电系统）技术的高度发达和信息高速公路（互联网）的广泛应用。如今的物联网利用技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，从而世界上所有的人和物在任何时间、任何地点，都可以方便地实现人与人、人与物、物与物之间的信息交互，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

2.2 物联网相关技术

物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联。物联网依托传感器、传感器网络技术、射频识别技术、通信网与互联网技术、智能运算技术等，实现全面感知、可靠传递、智能处理。

（1）RFID技术。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。（2）红外感应器。红外感应器是接收信号或刺激并反应的器件，能将待测物理量或化学量转换成另一对应输出的装置。用于自动化控制、安防设备。（3）激光扫描器。激光扫描器是一种远距离条码阅读设备，其性能优越，因而被广泛应用。激光扫描器的扫描方式有单线扫描、光栅式扫描和全角度扫描三种方式。激光手持式扫描器属单线扫描，其景深较大，扫描首读率和精度较高，扫描宽度不受设备开口宽度限制；卧式激光扫描器为全角扫描器，其操作方便，操作者可双手对物品进行操作，只要条码符号面向扫描器，不管其方向如何，均能实现自动扫描，超级市场大都采用这种设备相关的技术和平台的具体介绍有待完善和发展。（4）因特网技术。物联网是在现有计算机互联网的基础上，利用技术实现对物品的电子标识，然后再利用无线通信等技术接人互联网，构造一个覆盖世界上万事万物的网络，并实现网络中物品与物品或人与物品之间的“交流”。因此，因特网技术是物联网的技术基础，或者说，物联网是因特网技术在应用范围上的一个由人及物的拓展，因特网主要解决物联网中传感器节点感知信息的传输与共享问题。（5）实体标记语言（PML）开发技术。实体标记语言（physical markup language，PML）是基于为人们广为接受的可扩展标识语言发展而来的。提供了一个描述自然物体、过程和环境的标准，并可供工业和商业中的软件开发、数据存储和分析工具之用。它将提供一种动态的环境，使与物体相关的静态的、暂时的、动态的和统计加工过的数据可以互相交换。物联网中任何单品的有用信息的描述都可以用实体标记语言这种新型的标准计算机语言书写，它将会成为描述所有自然物体、过程和环境的统一标准而得到非常广泛的应用。

2.3 物联网的组织架构

物联网作为物联网技术在环境保护这一特定领域的应用，其技术应用于传统的物联网既有共同点又有特殊之处，其技术架构可以拓展为3层：感知层、网络层和应用层。用于环保领域的物联网组织架构如图1所示。

（l）感知层。利用传感器、多跳自组织传感器网络以及任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程，实现对环境质量、污染源、生态、辐射等环境因素的更透彻的感知。主要包括数据采集、处理技术以及传感器的部署、自组织组网和协同等技术，以传感器等采集感知技术、RFID识别技术以及无线传感器网络技术为代表。（2）网络层。利用无线网、互联网、环保专网、运营商网络，将个人电子设备、组织和政府信息系统中储存的环境信息进行交互和共享，实现更全面的互联互通。需要利用异构的网络接入技术和基础核心网络技术，包括基础NGN核心网和fTTH、3G、WIFi、蓝牙、Zigbee、UWB等接入技术。（3）应用层。主要包括面向环境保护的特定应用服务，以及实现网络层和应用服务间接口和能力调用功能的中间件，完成信息的分析处理和决策，实现特定环境监测的智能化应用和服务任务，以实现环境监测信息的识别、感知、分析和预测，发挥智能作用。

3 物联网在环境保护中的应用及产业化现状

全球面向环境保护的物联网发展还处于初级阶段，但已具备较好的基础。国内外已经有了众多面向环境保护的物联网应用案例，在污染防治、生态保护等领域发挥着巨大作用，如美国部署的用于实时监测城市环境污染数据的“CitySense”监测系统和用于监测大鸭岛海鸟栖息情况的生态监测系统、澳大利亚用于监测蟾蜍分布情况的生态监测系统、我国在无锡部署的太湖水环境监测示范工程等。随着国内外物联网在环境保护领域的大量应用，其各项技术也逐步趋向成熟，同时大量技术的成熟和产品的应用也为面向环境保护的物联网产业的发展奠定了良好的基础。

总体而言，我国面向环境保护的物联网产业环境建设正处于起步阶段。产业链面临着企业分散、规模小、技术能力薄弱等不利因素，全国知名研究机构和物联网行业内的产学研机构正在积极推进面向环境保护的物联网产业环境的发展。

4 物联网在环境保护中面临的问题

（1）关键技术制约物联网的发展。在感知层、网络层、应用层三个方面都存在着相应的关键技术的突破。如传感器的灵敏度和准确度有可能使产生错误的预警，直接造成了不必要的流程；传感网的低速率问题直接影响到大规模布置节点和终端所需要的路由和地址资源；目前物联网的网络层是多运营商、多种通信制式、多网络并存的，使环境信息无法实时进行共享，导致协同能力尚不能满足环境保护的需要；云计算的关键技术突破，对于各种应用领域的建模、数据处理、数据存储安全也有很大的影响。（2）安全性和可靠性有待加强。大多数情况下，环保感知层中的传感器是处于环境恶劣的地方的，有的地方甚至会有化学物质对其进行腐蚀等，另外又有个别不法分子破坏传感器，这都对传感器的可靠性有了进一步的要求，因此，感知层应能适应各种恶劣的应用环境。而网络层容易受到病毒或是黑客的侵入，导致数据的丢失；应用层的数据共享也会使数据的安全性进一步下降。（3）应用与产业化问题。现阶段面向环境保护的物联网应用规模领域较小，一方面形成不了成熟的商业模式，另一方面也不利于市场的培育，因此未来要选择重点领域和重点工程，积极引导面向环境保护的物联网行业示范应用，扩大应用规模，积累技术发展、产业应用、经营管理、政策实施等方面的经验。同时，目前我国面向环境保护的物联网产业链尚未成熟，仍然面临着巨大挑战。首先，是产业链各环节尚未形成共赢商业模式，各环节之间协同能力较差；其次，是产业链环节较长，复杂度高，导致整体成本很难降低；最后，产业链各环节企业相对分散，规模小，尤其是服务环节。因此，面向环境保护的物联网未来发展需要产业链的共同努力，只有在芯片商、传感设备商、系统解决方案厂商、移动运营商等上下游厂商的通力配合下才能实现上下游的联动，从而带动整个产业链，共同推动面向环境保护的物联网的发展。（4）人才相对匮乏。物联网在环境监测方面的应用是一个系统工程，涉及到法律法规、环境管理、化学分析、仪器仪表、自动化控制、信息通信、软硬件技术等多个学科领域。我国的环境保护工作经过十几年的努力虽然已经培养了大批人才队伍，但随物联网、云计算等新兴技术的发展和科学技术的不断提高，各种专业型、复合型的人才比较匮乏，新技术研发、行业应用开发等没有形成规模，这将直接制约环境监测的进一步发展。加大人才培养是物联网时代环境监测的重要任务，目前全国已经有几十所高校新增成立物联网工程等专业，将为我国物联网的发展培养大量人才；同时各单位要注重现有人才的培养，除了能应对现有工作之外，还可以胜任未来挑战性的多种工作。

5 面向环境保护的物联网的发展前景

物联网时代的到来是不可避免的，“智慧地球”、“感知中国”等理念越来越被人们重视，物联网相关的政策、技术、应用等正在加速推进，各行各业正在加快技术创新研究和行业应用实践，所有这些都说明物联网正以势不可挡之势向我们快速走来。在物联网时代即将到来的新一轮产业革命背景之下，污染源自动监控、环境在线监控、卫星遥感等技术手段的应用不仅会改变“废气靠看、废水靠闻、噪声靠听”的落后监管局面，也将会对环境管理理念、方法、体制、机制的变革形成推动力量。推进物联网在环保领域的应用，加快环保信息化的进程，将是利在当代、功在千秋的利民工程，也是当今中国所迫切需要的。我们相信，通过我国政府和行业从业者的不懈努力，抓住物联网时代这个发展契机，我国在环境污染有效控制和环境保护方面一定能取得飞跃式发展。

6 结语

面向环境保护的物联网是新时期物联网背景下环境保护领域信息化的必然趋势，现阶段我国面向环境保护物联网的发展已经具有一定的技术储备，同时也有相当的应用和产业化基础，但是总体而言仍处于起步阶段，在关键技术、标准体系、应用和产业化方面仍存在着一些亟待解决的问题，这些问题的解决需要政府、企业、科研部门以及各个行业的共同努力。面向环境保护的物联网的发展是一个持续长效的工程，也是一个利国利民的工程，在各方力量的不懈努力下必将构建出远大宏伟的面向环境保护的物联网，使其施惠于国，让利于民。

参考文献

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