物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)中的應(yīng)用研究

環(huán)境保護(hù)是指人類(lèi)有意識(shí)地保護(hù)自然資源并使其得到合理的利用，防止自然環(huán)境受到污染和破壞。目前，環(huán)境保護(hù)主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面做起:首先是防治由生產(chǎn)和生活所引起的環(huán)境污染，同時(shí)要防止由建設(shè)和開(kāi)發(fā)活動(dòng)引起的環(huán)境破壞，保護(hù)有特殊價(jià)值的自然環(huán)境，同時(shí)要注意環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，避免“先污染后治理”的思想。

我國(guó)環(huán)境污染已成為影響社會(huì)和諧的一個(gè)重要因素。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得舉世矚目成就的同時(shí)，環(huán)境質(zhì)量在下降，一些新的或隱性的環(huán)境問(wèn)題逐步顯現(xiàn):外來(lái)物種入侵成為一個(gè)新的生態(tài)問(wèn)題;環(huán)境污染事件不斷出現(xiàn)，具有集中爆發(fā)特征。從實(shí)踐看，我國(guó)并沒(méi)有完全繞開(kāi)“先污染后治理”的老路，重點(diǎn)城市和地區(qū)環(huán)境治理也是在污染到一定程度后才開(kāi)始治理的。我國(guó)現(xiàn)階段面臨的環(huán)境問(wèn)題，既是經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的產(chǎn)物，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展不夠的表現(xiàn)。

目前，我國(guó)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的信息化程度還比較低,地方環(huán)保系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)因?yàn)楣蚕砗头?wù)不開(kāi)放，從而造成各地重復(fù)投資。業(yè)務(wù)信息滯后造成環(huán)境污染事故頻發(fā)，取證困難等問(wèn)題。環(huán)境保護(hù)向自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展將是未來(lái)環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)，環(huán)保信息化勢(shì)在必行。而物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，則為我國(guó)的環(huán)境保護(hù)提供了思路和方案。

1  物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知能力、計(jì)算能力和執(zhí)行能力的嵌入式芯片和軟件，使之成為“智能物體”，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)E。物聯(lián)網(wǎng)可以依托二維碼、射頻識(shí)別(RFID),各類(lèi)傳感器/敏感器件等技術(shù)和設(shè)備,使物體與互聯(lián)網(wǎng)等各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)相連，以獲取無(wú)處不在的現(xiàn)實(shí)世界的信息，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的信息交互，支持智能的信息化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息基礎(chǔ)設(shè)施與物理基礎(chǔ)設(shè)施的全面融合，最終形成統(tǒng)一的智能基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、近程通信技術(shù)和M2M技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已出現(xiàn)在我們的生活中，首先是以M2M技術(shù)做為基本結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于物流管理、智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全、智能家居等各行各業(yè)中。陜西省“十二五”物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃中明確提出依托省環(huán)保廳、水利廳、長(zhǎng)天軟件、中星測(cè)控公司等單位，組織實(shí)施省環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)與指揮系統(tǒng)、省水土保持監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)、環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)、城市污水處理與重點(diǎn)污染源監(jiān)控、山體滑坡預(yù)警等重點(diǎn)應(yīng)用示范工程的環(huán)境保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)。

2  物聯(lián)網(wǎng)的組織架構(gòu)

智能型環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組織架構(gòu)如圖1所示。環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三大部分組成。其中感知層通過(guò)傳感器、智能卡、RFID電子標(biāo)簽、識(shí)別碼、攝像頭等感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別和環(huán)境指標(biāo)、事故應(yīng)急等信息的捕獲、采集,以達(dá)到智能感知的目的；網(wǎng)絡(luò)層利用無(wú)線網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、固定網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)感知層所采集信息的傳輸;應(yīng)用層主要包括環(huán)境保護(hù)中的特定應(yīng)用服務(wù)以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用服務(wù)間接口和能力調(diào)用功能的中間件,用于完成信息的分析處理和決策，實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化應(yīng)用和服務(wù)任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的識(shí)別、感知、分析和預(yù)測(cè)，發(fā)揮智能作用。

作為物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)領(lǐng)域中的特定應(yīng)用，其技術(shù)與其他領(lǐng)域中的應(yīng)用有共同之處，但也有其特殊的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展。按圖1所述,其技術(shù)是從感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個(gè)方向發(fā)展。是信息技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用，通過(guò)傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的信息感知，以進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)和調(diào)控，達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的。該應(yīng)用的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)釆集量大、精度高，智能信息融合、協(xié)同處理能力、網(wǎng)絡(luò)快速部署能力強(qiáng)，釆集數(shù)據(jù)具有高效可靠傳輸、網(wǎng)絡(luò)健壯性、抗毀性。

2.1  感知層

感知層是環(huán)境保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)組成部分，主要包括感知設(shè)備、傳感網(wǎng)絡(luò)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。感知設(shè)備作為物聯(lián)網(wǎng)采集信息的工具，就如同是物聯(lián)網(wǎng)的“皮膚”、“眼睛”、“鼻子”和“耳朵”等，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多在空間上分布的自動(dòng)裝置組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器協(xié)作監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物）。傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)除配備了一個(gè)或多個(gè)傳感器之外，還裝備了一個(gè)無(wú)線電收發(fā)器、一個(gè)很小的微控制器和一個(gè)能源（通常為電池或太陽(yáng)能電源）。無(wú)線電收發(fā)器主要應(yīng)用短距離無(wú)線傳輸（WPAN）技術(shù)和RFID技術(shù)。目前最關(guān)鍵的是傳感器本身的問(wèn)題，包括傳感器的精度,傳感器的能耗、規(guī)模和速率等。

2.2  網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要利用無(wú)線網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、寬帶網(wǎng)、固定網(wǎng)、廣電網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)感知層采集數(shù)據(jù)的傳輸和處理，是物聯(lián)網(wǎng)的“中樞神經(jīng)”。一般情況下，傳感網(wǎng)只能在特定范圍內(nèi)組網(wǎng)，不可能實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的無(wú)縫隙的覆蓋。通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施,它安置在動(dòng)物、植物、機(jī)器和物品上的電子介質(zhì)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)可隨時(shí)隨地通過(guò)無(wú)處不在的通信網(wǎng)絡(luò)傳送出去。事實(shí)上，只有實(shí)現(xiàn)各種傳感網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)、廣域的數(shù)據(jù)交互和多方共享，以及規(guī)模性的應(yīng)用,才能真正建立一個(gè)有效的物聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)在于傳感網(wǎng)與通信網(wǎng)的融合。

2.3  應(yīng)用層

環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層主要包括環(huán)境保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)的特定應(yīng)用服務(wù)以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的接口、數(shù)據(jù)處理和能力調(diào)用功能的中間件，完成信息的分析處理和決策,實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化應(yīng)用和服務(wù)任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的識(shí)別、感知、分析和預(yù)測(cè)，發(fā)揮智能作用。應(yīng)用層是環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”。指揮協(xié)調(diào)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)調(diào)工作。龐大的數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的擴(kuò)展是應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)。

早期的并行計(jì)算、集群計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算往往造成各城市之間數(shù)據(jù)和資源共享困難，應(yīng)用擴(kuò)展難度大、成本高，而現(xiàn)在基于“云計(jì)算”技術(shù)的運(yùn)用，使數(shù)以?xún)|計(jì)的各類(lèi)數(shù)據(jù)和終端的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理變得可能，其應(yīng)用擴(kuò)展只進(jìn)行外圍設(shè)備調(diào)整，因而比較快捷和方便。

4.3  安全性和可靠性制約物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步推廣

在物聯(lián)網(wǎng)中，感知層的傳感網(wǎng)組網(wǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單，傳感器體積小，功耗有一定的限制，數(shù)據(jù)加密強(qiáng)度弱；網(wǎng)絡(luò)層中由于病毒、黑客、網(wǎng)絡(luò)自身漏洞等原因會(huì)使用數(shù)據(jù)的安全受到威協(xié);應(yīng)用層由于數(shù)據(jù)的共享也使得使用數(shù)據(jù)的安全性進(jìn)一步下降。物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)件多層面相互間協(xié)同運(yùn)作的整體安全性和可靠性、安全接入控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于可信平臺(tái)的安全模塊及其提供的可信度量和評(píng)估機(jī)制、加密技術(shù)等，已成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的攔路虎。

在環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)中，感知層的傳感器大多處理環(huán)境惡劣的地方，會(huì)有化學(xué)物質(zhì)的腐蝕等，而個(gè)別不法分子的破壞，也會(huì)對(duì)傳感器的可靠性要求增高，因此，感知層應(yīng)能適應(yīng)各種惡劣的應(yīng)用環(huán)境。

4.4  應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題

在現(xiàn)階段，環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模領(lǐng)域還比較小,還形成不了成熟的商業(yè)模式，另一方面,也不利于市場(chǎng)的培育，因此，未來(lái)要選擇重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)工程,積極引導(dǎo)面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)示范應(yīng)用，擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，積累技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、經(jīng)營(yíng)管理、政策實(shí)施等方面的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，當(dāng)前我國(guó)面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈也尚未成熟，仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。首先是產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)尚未形成共贏商業(yè)模式，各環(huán)節(jié)之間協(xié)同能力較差；其次是產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)較長(zhǎng)，復(fù)雜度高,導(dǎo)致整體成本很難降低;最后,產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)企業(yè)相對(duì)分散，規(guī)模小，尤其是服務(wù)環(huán)節(jié)。因此，面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)發(fā)展，沿需要產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力，只有在芯片商、傳感設(shè)備商、系統(tǒng)解決方案廠商、移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商等上下游廠商的通力配合下，才能實(shí)現(xiàn)上下游的聯(lián)動(dòng),從而帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，共同推動(dòng)面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

5  結(jié)論

我國(guó)基于物聯(lián)網(wǎng)的解決方案雖然在環(huán)境保護(hù)中得到了初步的應(yīng)用，但仍存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、系統(tǒng)規(guī)模小、設(shè)備成熟度低、信息處理平臺(tái)不完善等問(wèn)題。傳統(tǒng)的壞境保護(hù)方式必將由環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)所替代?，F(xiàn)階段我國(guó)對(duì)于運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)來(lái)保護(hù)環(huán)境的發(fā)展已經(jīng)具有一定的技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)也有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用和產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，但是，總體而言，仍處于起步階段,在關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)體系、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面仍存在著一些亟待解決的問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決需要政府、企業(yè)、科研部門(mén)以及各個(gè)行業(yè)的共同努力。但是,利用物聯(lián)網(wǎng)來(lái)保護(hù)環(huán)境是一個(gè)持續(xù)長(zhǎng)效的工程，也是一個(gè)利國(guó)利民的工程，我們堅(jiān)信，在各方力量的不懈努力下，我們必將構(gòu)建出遠(yuǎn)大宏偉的、面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)，使其施惠于國(guó)，惠利于民。