物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護領域中的應用研究

于麗梅

(河北工業(yè)大學廊坊分校,河北廊坊 065000)

物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護領域中的應用研究

于麗梅

(河北工業(yè)大學廊坊分校,河北廊坊 065000)

隨著經(jīng)濟的迅速發(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)能對物品進行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理,應用十分廣泛,其中環(huán)境保護就是一個重要的應用領域。本文介紹物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境保護領域中的應用,闡述了面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)、技術(shù)現(xiàn)狀、應用和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及發(fā)展中的若干問題,同時對面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景進行探討。

物聯(lián)網(wǎng) 環(huán)境保護 傳感器

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展,人類面臨的環(huán)境問題越來越嚴峻。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)境基礎設施、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)境保護領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)務數(shù)據(jù)共享和服務不對外開放,從而造成各地重復投資。因此未來環(huán)境保護工作的重點將是促進環(huán)境保護向自動化、智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展,環(huán)保信息化勢在必行。又由于近年來,物聯(lián)網(wǎng)應用于環(huán)境保護領域是信息通信技術(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,然而在20世紀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,隨著技術(shù)的完善和應用的發(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)的基礎是芯片技術(shù)、微型傳感技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)、智能技術(shù)、納米技術(shù)、射頻識別技術(shù)、MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)的高度發(fā)達和信息高速公路(互聯(lián)網(wǎng))的廣泛應用。如今的物聯(lián)網(wǎng)利用技術(shù)與智能裝置對物理世界進行感知識別,通過網(wǎng)絡傳輸互聯(lián),進行計算、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,達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的。

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備,通過網(wǎng)絡設施實現(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對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識別工作無須人工干預,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)和很多應答器(或標簽)組成。(2)紅外感應器。紅外感應器是接收信號或刺激并反應的器件,能將待測物理量或化學量轉(zhuǎn)換成另一對應輸出的裝置。用于自動化控制、安防設備。(3)激光掃描器。激光掃描器是一種遠距離條碼閱讀設備,其性能優(yōu)越,因而被廣泛應用。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)有計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上,利用技術(shù)實現(xiàn)對物品的電子標識,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,并實現(xiàn)網(wǎng)絡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,或者說,物聯(lián)網(wǎng)是因特網(wǎng)技術(shù)在應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)實體標記語言(PML)開發(fā)技術(shù)。實體標記語言(physical markup language,PML)是基于為人們廣為接受的可擴展標識語言發(fā)展而來的。提供了一個描述自然物體、過程和環(huán)境的標準,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記語言這種新型的標準計算機語言書寫,它將會成為描述所有自然物體、過程和環(huán)境的統(tǒng)一標準而得到非常廣泛的應用。

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)境保護這一特定領域的應用,其技術(shù)應用于傳統(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)絡層和應用層。用于環(huán)保領域的物聯(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)絡以及任何可以隨時隨地感知、測量、捕獲和傳遞信息的設備、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)絡技術(shù)為代表。(2)網(wǎng)絡層。利用無線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、環(huán)保專網(wǎng)、運營商網(wǎng)絡,將個人電子設備、組織和政府信息系統(tǒng)中儲存的環(huán)境信息進行交互和共享,實現(xiàn)更全面的互聯(lián)互通。需要利用異構(gòu)的網(wǎng)絡接入技術(shù)和基礎核心網(wǎng)絡技術(shù),包括基礎NGN核心網(wǎng)和fTTH、3G、WIFi、藍牙、Zigbee、UWB等接入技術(shù)。(3)應用層。主要包括面向環(huán)境保護的特定應用服務,以及實現(xiàn)網(wǎng)絡層和應用服務間接口和能力調(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)測的智能化應用和服務任務,以實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測信息的識別、感知、分析和預測,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)境保護中的應用及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

全球面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還處于初級階段,但已具備較好的基礎。國內(nèi)外已經(jīng)有了眾多面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)應用案例,在污染防治、生態(tài)保護等領域發(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)境保護領域的大量應用,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)品的應用也為面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎。

總體而言,我國面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)環(huán)境建設正處于起步階段。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,全國知名研究機構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)學研機構(gòu)正在積極推進面向環(huán)境保護的物聯(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)絡層、應用層三個方面都存在著相應的關(guān)鍵技術(shù)的突破。如傳感器的靈敏度和準確度有可能使產(chǎn)生錯誤的預警,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)絡層是多運營商、多種通信制式、多網(wǎng)絡并存的,使環(huán)境信息無法實時進行共享,導致協(xié)同能力尚不能滿足環(huán)境保護的需要;云計算的關(guān)鍵技術(shù)突破,對于各種應用領域的建模、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。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,有的地方甚至會有化學物質(zhì)對其進行腐蝕等,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一步的要求,因此,感知層應能適應各種惡劣的應用環(huán)境。而網(wǎng)絡層容易受到病毒或是黑客的侵入,導致數(shù)據(jù)的丟失;應用層的數(shù)據(jù)共享也會使數(shù)據(jù)的安全性進一步下降。(3)應用與產(chǎn)業(yè)化問題?，F(xiàn)階段面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)應用規(guī)模領域較小,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域和重點工程,積極引導面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)示范應用,擴大應用規(guī)模,積累技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)應用、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,復雜度高,導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,尤其是服務環(huán)節(jié)。因此,面向環(huán)境保護的物聯(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)測方面的應用是一個系統(tǒng)工程,涉及到法律法規(guī)、環(huán)境管理、化學分析、儀器儀表、自動化控制、信息通信、軟硬件技術(shù)等多個學科領域。我國的環(huán)境保護工作經(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)展和科學技術(shù)的不斷提高,各種專業(yè)型、復合型的人才比較匱乏,新技術(shù)研發(fā)、行業(yè)應用開發(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,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)、應用等正在加速推進,各行各業(yè)正在加快技術(shù)創(chuàng)新研究和行業(yè)應用實踐,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、機制的變革形成推動力量。推進物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)保領域的應用,加快環(huán)保信息化的進程,將是利在當代、功在千秋的利民工程,也是當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,我國在環(huán)境污染有效控制和環(huán)境保護方面一定能取得飛躍式發(fā)展。

6 結(jié)語

面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng)是新時期物聯(lián)網(wǎng)背景下環(huán)境保護領域信息化的必然趨勢,現(xiàn)階段我國面向環(huán)境保護物聯(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?shù)膽煤彤a(chǎn)業(yè)化基礎,但是總體而言仍處于起步階段,在關(guān)鍵技術(shù)、標準體系、應用和產(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)建出遠大宏偉的面向環(huán)境保護的物聯(lián)網(wǎng),使其施惠于國,讓利于民。

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

[2]劉韻杰.關(guān)于傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)及未來網(wǎng)絡發(fā)展的建議[C].國務院總理聽取信息領域?qū)＜覅R報會,2009.9.19.

[3]物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用發(fā)展的探討[J].信息通信技術(shù),2010.4(2):9-13.

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

[5]張宏偉.物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測和保護中的應用研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2011.8:(73-76).

《:物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境保護領域中的應用研究》---廊坊市科學技術(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。