于麗梅

(河北工業(yè)大學(xué)廊坊分校,河北廊坊 065000)

物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

于麗梅

(河北工業(yè)大學(xué)廊坊分校,河北廊坊 065000)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為新興的高科技科技產(chǎn)業(yè)之一,快速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能對物品進(jìn)行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理,應(yīng)用十分廣泛,其中環(huán)境保護(hù)就是一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。本文介紹物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用,闡述了面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)、技術(shù)現(xiàn)狀、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及發(fā)展中的若干問題,同時對面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景進(jìn)行探討。

物聯(lián)網(wǎng) 環(huán)境保護(hù) 傳感器

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展,人類面臨的環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻。土地退化、水資源短缺及污染、空氣污染、低質(zhì)量的城市環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施、農(nóng)村環(huán)境退化、環(huán)境事故日益頻繁、全球環(huán)境問題諸如氣候變化等。這些環(huán)境問題嚴(yán)重威脅著人們的健康,不利于社會的可持續(xù)發(fā)展。而且,目前我國環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的信息化程度仍偏低,各地區(qū)環(huán)保系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享和服務(wù)不對外開放,從而造成各地重復(fù)投資。因此未來環(huán)境保護(hù)工作的重點將是促進(jìn)環(huán)境保護(hù)向自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展,環(huán)保信息化勢在必行。又由于近年來,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域是信息通信技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果,也是環(huán)保領(lǐng)域信息化的必然趨勢。

2 物聯(lián)網(wǎng)概念及相關(guān)技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)究竟是什么呢？顧名思義,物聯(lián)網(wǎng)就是“物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IOT)概念最早于1999年由美國麻省理工學(xué)院提出,目前業(yè)界并沒有明確統(tǒng)一的定義。早期的物聯(lián)網(wǎng)是指依托射頻識別(RFID)技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò),然而在20世紀(jì)90年代“物聯(lián)網(wǎng)”的概念才產(chǎn)生,在2005年國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了互聯(lián)網(wǎng)研究報告《物聯(lián)網(wǎng)》后,它才引起各國政府與產(chǎn)業(yè)界的重視。早期的物聯(lián)網(wǎng)并沒有像現(xiàn)在這么完善,它僅僅只是依托射頻識別(RFID)技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò),隨著技術(shù)的完善和應(yīng)用的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了較大的變化。

所謂物聯(lián)網(wǎng),從狹義上講,就是傳感網(wǎng),但物聯(lián)網(wǎng)的概念相對傳感網(wǎng)要大一些;從廣義上講,就是社會生態(tài)系統(tǒng)的智能化或者說地球的智慧化(所謂智慧地球),即實現(xiàn)所有對象(物品)的智能化識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是芯片技術(shù)、微型傳感技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能技術(shù)、納米技術(shù)、射頻識別技術(shù)、MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的高度發(fā)達(dá)和信息高速公路(互聯(lián)網(wǎng))的廣泛應(yīng)用。如今的物聯(lián)網(wǎng)利用技術(shù)與智能裝置對物理世界進(jìn)行感知識別,通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián),進(jìn)行計算、處理和知識挖掘,從而世界上所有的人和物在任何時間、任何地點,都可以方便地實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的信息交互,達(dá)到對物理世界實時控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執(zhí)行能力的各種信息傳感設(shè)備,通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理,從而實現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)依托傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識別技術(shù)、通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能運算技術(shù)等,實現(xiàn)全面感知、可靠傳遞、智能處理。

(1)RFID技術(shù)。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識別工作無須人工干預(yù),可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽,操作快捷方便。RFID是一種簡單的無線系統(tǒng),只有兩個基本器件,該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器(或閱讀器)和很多應(yīng)答器(或標(biāo)簽)組成。(2)紅外感應(yīng)器。紅外感應(yīng)器是接收信號或刺激并反應(yīng)的器件,能將待測物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換成另一對應(yīng)輸出的裝置。用于自動化控制、安防設(shè)備。(3)激光掃描器。激光掃描器是一種遠(yuǎn)距離條碼閱讀設(shè)備,其性能優(yōu)越,因而被廣泛應(yīng)用。激光掃描器的掃描方式有單線掃描、光柵式掃描和全角度掃描三種方式。激光手持式掃描器屬單線掃描,其景深較大,掃描首讀率和精度較高,掃描寬度不受設(shè)備開口寬度限制;臥式激光掃描器為全角掃描器,其操作方便,操作者可雙手對物品進(jìn)行操作,只要條碼符號面向掃描器,不管其方向如何,均能實現(xiàn)自動掃描,超級市場大都采用這種設(shè)備相關(guān)的技術(shù)和平臺的具體介紹有待完善和發(fā)展。(4)因特網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)有計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,利用技術(shù)實現(xiàn)對物品的電子標(biāo)識,然后再利用無線通信等技術(shù)接人互聯(lián)網(wǎng),構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的網(wǎng)絡(luò),并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中物品與物品或人與物品之間的“交流”。因此,因特網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ),或者說,物聯(lián)網(wǎng)是因特網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用范圍上的一個由人及物的拓展,因特網(wǎng)主要解決物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點感知信息的傳輸與共享問題。(5)實體標(biāo)記語言(PML)開發(fā)技術(shù)。實體標(biāo)記語言(physical markup language,PML)是基于為人們廣為接受的可擴(kuò)展標(biāo)識語言發(fā)展而來的。提供了一個描述自然物體、過程和環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn),并可供工業(yè)和商業(yè)中的軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)存儲和分析工具之用。它將提供一種動態(tài)的環(huán)境,使與物體相關(guān)的靜態(tài)的、暫時的、動態(tài)的和統(tǒng)計加工過的數(shù)據(jù)可以互相交換。物聯(lián)網(wǎng)中任何單品的有用信息的描述都可以用實體標(biāo)記語言這種新型的標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)語言書寫,它將會成為描述所有自然物體、過程和環(huán)境的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而得到非常廣泛的應(yīng)用。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)的組織架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)這一特定領(lǐng)域的應(yīng)用,其技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)既有共同點又有特殊之處,其技術(shù)架構(gòu)可以拓展為3層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。用于環(huán)保領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)組織架構(gòu)如圖1所示。

(l)感知層。利用傳感器、多跳自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)以及任何可以隨時隨地感知、測量、捕獲和傳遞信息的設(shè)備、系統(tǒng)或流程,實現(xiàn)對環(huán)境質(zhì)量、污染源、生態(tài)、輻射等環(huán)境因素的更透徹的感知。主要包括數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)以及傳感器的部署、自組織組網(wǎng)和協(xié)同等技術(shù),以傳感器等采集感知技術(shù)、RFID識別技術(shù)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表。(2)網(wǎng)絡(luò)層。利用無線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、環(huán)保專網(wǎng)、運營商網(wǎng)絡(luò),將個人電子設(shè)備、組織和政府信息系統(tǒng)中儲存的環(huán)境信息進(jìn)行交互和共享,實現(xiàn)更全面的互聯(lián)互通。需要利用異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)和基礎(chǔ)核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù),包括基礎(chǔ)NGN核心網(wǎng)和fTTH、3G、WIFi、藍(lán)牙、Zigbee、UWB等接入技術(shù)。(3)應(yīng)用層。主要包括面向環(huán)境保護(hù)的特定應(yīng)用服務(wù),以及實現(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,完成信息的分析處理和決策,實現(xiàn)特定環(huán)境監(jiān)測的智能化應(yīng)用和服務(wù)任務(wù),以實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測信息的識別、感知、分析和預(yù)測,發(fā)揮智能作用。

圖1 環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)組織架構(gòu)圖

3 物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

全球面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還處于初級階段,但已具備較好的基礎(chǔ)。國內(nèi)外已經(jīng)有了眾多面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例,在污染防治、生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用,如美國部署的用于實時監(jiān)測城市環(huán)境污染數(shù)據(jù)的“CitySense”監(jiān)測系統(tǒng)和用于監(jiān)測大鴨島海鳥棲息情況的生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、澳大利亞用于監(jiān)測蟾蜍分布情況的生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、我國在無錫部署的太湖水環(huán)境監(jiān)測示范工程等。隨著國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的大量應(yīng)用,其各項技術(shù)也逐步趨向成熟,同時大量技術(shù)的成熟和產(chǎn)品的應(yīng)用也為面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

總體而言,我國面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)環(huán)境建設(shè)正處于起步階段。產(chǎn)業(yè)鏈面臨著企業(yè)分散、規(guī)模小、技術(shù)能力薄弱等不利因素,全國知名研究機(jī)構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)正在積極推進(jìn)面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)環(huán)境的發(fā)展。

4 物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護(hù)中面臨的問題

(1)關(guān)鍵技術(shù)制約物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個方面都存在著相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)的突破。如傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確度有可能使產(chǎn)生錯誤的預(yù)警,直接造成了不必要的流程;傳感網(wǎng)的低速率問題直接影響到大規(guī)模布置節(jié)點和終端所需要的路由和地址資源;目前物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層是多運營商、多種通信制式、多網(wǎng)絡(luò)并存的,使環(huán)境信息無法實時進(jìn)行共享,導(dǎo)致協(xié)同能力尚不能滿足環(huán)境保護(hù)的需要;云計算的關(guān)鍵技術(shù)突破,對于各種應(yīng)用領(lǐng)域的建模、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲安全也有很大的影響。(2)安全性和可靠性有待加強(qiáng)。大多數(shù)情況下,環(huán)保感知層中的傳感器是處于環(huán)境惡劣的地方的,有的地方甚至?xí)谢瘜W(xué)物質(zhì)對其進(jìn)行腐蝕等,另外又有個別不法分子破壞傳感器,這都對傳感器的可靠性有了進(jìn)一步的要求,因此,感知層應(yīng)能適應(yīng)各種惡劣的應(yīng)用環(huán)境。而網(wǎng)絡(luò)層容易受到病毒或是黑客的侵入,導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失;應(yīng)用層的數(shù)據(jù)共享也會使數(shù)據(jù)的安全性進(jìn)一步下降。(3)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化問題?，F(xiàn)階段面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模領(lǐng)域較小,一方面形成不了成熟的商業(yè)模式,另一方面也不利于市場的培育,因此未來要選擇重點領(lǐng)域和重點工程,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)營管理、政策實施等方面的經(jīng)驗。同時,目前我國面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟,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,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)未來發(fā)展需要產(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、移動運營商等上下游廠商的通力配合下才能實現(xiàn)上下游的聯(lián)動,從而帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈,共同推動面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。(4)人才相對匱乏。物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用是一個系統(tǒng)工程,涉及到法律法規(guī)、環(huán)境管理、化學(xué)分析、儀器儀表、自動化控制、信息通信、軟硬件技術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域。我國的環(huán)境保護(hù)工作經(jīng)過十幾年的努力雖然已經(jīng)培養(yǎng)了大批人才隊伍,但隨物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷提高,各種專業(yè)型、復(fù)合型的人才比較匱乏,新技術(shù)研發(fā)、行業(yè)應(yīng)用開發(fā)等沒有形成規(guī)模,這將直接制約環(huán)境監(jiān)測的進(jìn)一步發(fā)展。加大人才培養(yǎng)是物聯(lián)網(wǎng)時代環(huán)境監(jiān)測的重要任務(wù),目前全國已經(jīng)有幾十所高校新增成立物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè),將為我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展培養(yǎng)大量人才;同時各單位要注重現(xiàn)有人才的培養(yǎng),除了能應(yīng)對現(xiàn)有工作之外,還可以勝任未來挑戰(zhàn)性的多種工作。

5 面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景

物聯(lián)網(wǎng)時代的到來是不可避免的,“智慧地球”、“感知中國”等理念越來越被人們重視,物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的政策、技術(shù)、應(yīng)用等正在加速推進(jìn),各行各業(yè)正在加快技術(shù)創(chuàng)新研究和行業(yè)應(yīng)用實踐,所有這些都說明物聯(lián)網(wǎng)正以勢不可擋之勢向我們快速走來。在物聯(lián)網(wǎng)時代即將到來的新一輪產(chǎn)業(yè)革命背景之下,污染源自動監(jiān)控、環(huán)境在線監(jiān)控、衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段的應(yīng)用不僅會改變“廢氣靠看、廢水靠聞、噪聲靠聽”的落后監(jiān)管局面,也將會對環(huán)境管理理念、方法、體制、機(jī)制的變革形成推動力量。推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用,加快環(huán)保信息化的進(jìn)程,將是利在當(dāng)代、功在千秋的利民工程,也是當(dāng)今中國所迫切需要的。我們相信,通過我國政府和行業(yè)從業(yè)者的不懈努力,抓住物聯(lián)網(wǎng)時代這個發(fā)展契機(jī),我國在環(huán)境污染有效控制和環(huán)境保護(hù)方面一定能取得飛躍式發(fā)展。

6 結(jié)語

面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)是新時期物聯(lián)網(wǎng)背景下環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域信息化的必然趨勢,現(xiàn)階段我國面向環(huán)境保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)具有一定的技術(shù)儲備,同時也有相當(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題,這些問題的解決需要政府、企業(yè)、科研部門以及各個行業(yè)的共同努力。面向環(huán)境保護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是一個持續(xù)長效的工程,也是一個利國利民的工程,在各方力量的不懈努力下必將構(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,讓利于民。

[1]周燕燕.物聯(lián)網(wǎng)對于保護(hù)環(huán)境的方式的轉(zhuǎn)換[N].中國環(huán)境報,2011.3.

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[4]沈杰,邢濤.傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化分析[J].電信技術(shù),2010(1):13-15.

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《:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究》---廊坊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目(2013011026)。

于麗梅(1978－),女,碩士,講師,主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)及軟件工程。