物聯網在環境保護領域中的應用研究

于麗梅

(河北工業大學廊坊分校,河北廊坊 065000)

物聯網在環境保護領域中的應用研究

于麗梅

(河北工業大學廊坊分校,河北廊坊 065000)

隨著經濟的迅速發展,物聯網已經成為新興的高科技科技產業之一,快速發展。物聯網技術能對物品進行智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理,應用十分廣泛,其中環境保護就是一個重要的應用領域。本文介紹物聯網在環境保護領域中的應用,闡述了面向環境保護的物聯網的組織結構、技術現狀、應用和產業現狀以及發展中的若干問題,同時對面向環境保護的物聯網的發展前景進行探討。

物聯網 環境保護 傳感器

1 引言

隨著社會經濟的蓬勃發展,人類面臨的環境問題越來越嚴峻。土地退化、水資源短缺及污染、空氣污染、低質量的城市環境基礎設施、農村環境退化、環境事故日益頻繁、全球環境問題諸如氣候變化等。這些環境問題嚴重威脅著人們的健康,不利于社會的可持續發展。而且,目前我國環境保護領域的信息化程度仍偏低,各地區環保系統相關業務數據共享和服務不對外開放,從而造成各地重復投資。因此未來環境保護工作的重點將是促進環境保護向自動化、智能化、網絡化方向發展,環保信息化勢在必行。又由于近年來,物聯網應用于環境保護領域是信息通信技術發展到一定階段的必然結果,也是環保領域信息化的必然趨勢。

2 物聯網概念及相關技術

2.1 物聯網的概念

物聯網究竟是什么呢？顧名思義,物聯網就是“物與物相連的互聯網”。物聯網(Internet of Things,IOT)概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出,目前業界并沒有明確統一的定義。早期的物聯網是指依托射頻識別(RFID)技術的物流網絡,然而在20世紀90年代“物聯網”的概念才產生,在2005年國際電信聯盟(ITU)發布了互聯網研究報告《物聯網》后,它才引起各國政府與產業界的重視。早期的物聯網并沒有像現在這么完善,它僅僅只是依托射頻識別(RFID)技術的物流網絡,隨著技術的完善和應用的發展,物聯網的內涵已經發生了較大的變化。

所謂物聯網,從狹義上講,就是傳感網,但物聯網的概念相對傳感網要大一些;從廣義上講,就是社會生態系統的智能化或者說地球的智慧化(所謂智慧地球),即實現所有對象(物品)的智能化識別和管理。物聯網的基礎是芯片技術、微型傳感技術、無線傳感器網絡技術、智能技術、納米技術、射頻識別技術、MEMS(微機電系統)技術的高度發達和信息高速公路(互聯網)的廣泛應用。如今的物聯網利用技術與智能裝置對物理世界進行感知識別,通過網絡傳輸互聯,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 物聯網相關技術

物聯網是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執行能力的各種信息傳感設備,通過網絡設施實現信息傳輸、協同和處理,從而實現廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯。物聯網依托傳感器、傳感器網絡技術、射頻識別技術、通信網與互聯網技術、智能運算技術等,實現全面感知、可靠傳遞、智能處理。

(1)RFID技術。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據,識別工作無須人工干預,可工作于各種惡劣環境。RFID技術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,只有兩個基本器件,該系統用于控制、檢測和跟蹤物體。系統由一個詢問器(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,均能實現自動掃描,超級市場大都采用這種設備相關的技術和平臺的具體介紹有待完善和發展。(4)因特網技術。物聯網是在現有計算機互聯網的基礎上,利用技術實現對物品的電子標識,然后再利用無線通信等技術接人互聯網,構造一個覆蓋世界上萬事萬物的網絡,并實現網絡中物品與物品或人與物品之間的“交流”。因此,因特網技術是物聯網的技術基礎,或者說,物聯網是因特網技術在應用范圍上的一個由人及物的拓展,因特網主要解決物聯網中傳感器節點感知信息的傳輸與共享問題。(5)實體標記語言(PML)開發技術。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展而來的。提供了一個描述自然物體、過程和環境的標準,并可供工業和商業中的軟件開發、數據存儲和分析工具之用。它將提供一種動態的環境,使與物體相關的靜態的、暫時的、動態的和統計加工過的數據可以互相交換。物聯網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、過程和環境的統一標準而得到非常廣泛的應用。

2.3 物聯網的組織架構

物聯網作為物聯網技術在環境保護這一特定領域的應用,其技術應用于傳統的物聯網既有共同點又有特殊之處,其技術架構可以拓展為3層:感知層、網絡層和應用層。用于環保領域的物聯網組織架構如圖1所示。

(l)感知層。利用傳感器、多跳自組織傳感器網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、系統或流程,實現對環境質量、污染源、生態、輻射等環境因素的更透徹的感知。主要包括數據采集、處理技術以及傳感器的部署、自組織組網和協同等技術,以傳感器等采集感知技術、RFID識別技術以及無線傳感器網絡技術為代表。(2)網絡層。利用無線網、互聯網、環保專網、運營商網絡,將個人電子設備、組織和政府信息系統中儲存的環境信息進行交互和共享,實現更全面的互聯互通。需要利用異構的網絡接入技術和基礎核心網絡技術,包括基礎NGN核心網和fTTH、3G、WIFi、藍牙、Zigbee、UWB等接入技術。(3)應用層。主要包括面向環境保護的特定應用服務,以及實現網絡層和應用服務間接口和能力調用功能的中間件,完成信息的分析處理和決策,實現特定環境監測的智能化應用和服務任務,以實現環境監測信息的識別、感知、分析和預測,發揮智能作用。

圖1 環保物聯網組織架構圖

3 物聯網在環境保護中的應用及產業化現狀

全球面向環境保護的物聯網發展還處于初級階段,但已具備較好的基礎。國內外已經有了眾多面向環境保護的物聯網應用案例,在污染防治、生態保護等領域發揮著巨大作用,如美國部署的用于實時監測城市環境污染數據的“CitySense”監測系統和用于監測大鴨島海鳥棲息情況的生態監測系統、澳大利亞用于監測蟾蜍分布情況的生態監測系統、我國在無錫部署的太湖水環境監測示范工程等。隨著國內外物聯網在環境保護領域的大量應用,其各項技術也逐步趨向成熟,同時大量技術的成熟和產品的應用也為面向環境保護的物聯網產業的發展奠定了良好的基礎。

總體而言,我國面向環境保護的物聯網產業環境建設正處于起步階段。產業鏈面臨著企業分散、規模小、技術能力薄弱等不利因素,全國知名研究機構和物聯網行業內的產學研機構正在積極推進面向環境保護的物聯網產業環境的發展。

4 物聯網在環境保護中面臨的問題

(1)關鍵技術制約物聯網的發展。在感知層、網絡層、應用層三個方面都存在著相應的關鍵技術的突破。如傳感器的靈敏度和準確度有可能使產生錯誤的預警,直接造成了不必要的流程;傳感網的低速率問題直接影響到大規模布置節點和終端所需要的路由和地址資源;目前物聯網的網絡層是多運營商、多種通信制式、多網絡并存的,使環境信息無法實時進行共享,導致協同能力尚不能滿足環境保護的需要;云計算的關鍵技術突破,對于各種應用領域的建模、數據處理、數據存儲安全也有很大的影響。(2)安全性和可靠性有待加強。大多數情況下,環保感知層中的傳感器是處于環境惡劣的地方的,有的地方甚至會有化學物質對其進行腐蝕等,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境。而網絡層容易受到病毒或是黑客的侵入,導致數據的丟失;應用層的數據共享也會使數據的安全性進一步下降。(3)應用與產業化問題。現階段面向環境保護的物聯網應用規模領域較小,一方面形成不了成熟的商業模式,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,積極引導面向環境保護的物聯網行業示范應用,擴大應用規模,積累技術發展、產業應用、經營管理、政策實施等方面的經驗。同時,目前我國面向環境保護的物聯網產業鏈尚未成熟,仍然面臨著巨大挑戰。首先,是產業鏈各環節尚未形成共贏商業模式,各環節之間協同能力較差;其次,是產業鏈環節較長,復雜度高,導致整體成本很難降低;最后,產業鏈各環節企業相對分散,規模小,尤其是服務環節。因此,面向環境保護的物聯網未來發展需要產業鏈的共同努力,只有在芯片商、傳感設備商、系統解決方案廠商、移動運營商等上下游廠商的通力配合下才能實現上下游的聯動,從而帶動整個產業鏈,共同推動面向環境保護的物聯網的發展。(4)人才相對匱乏。物聯網在環境監測方面的應用是一個系統工程,涉及到法律法規、環境管理、化學分析、儀器儀表、自動化控制、信息通信、軟硬件技術等多個學科領域。我國的環境保護工作經過十幾年的努力雖然已經培養了大批人才隊伍,但隨物聯網、云計算等新興技術的發展和科學技術的不斷提高,各種專業型、復合型的人才比較匱乏,新技術研發、行業應用開發等沒有形成規模,這將直接制約環境監測的進一步發展。加大人才培養是物聯網時代環境監測的重要任務,目前全國已經有幾十所高校新增成立物聯網工程等專業,將為我國物聯網的發展培養大量人才;同時各單位要注重現有人才的培養,除了能應對現有工作之外,還可以勝任未來挑戰性的多種工作。

5 面向環境保護的物聯網的發展前景

物聯網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,物聯網相關的政策、技術、應用等正在加速推進,各行各業正在加快技術創新研究和行業應用實踐,所有這些都說明物聯網正以勢不可擋之勢向我們快速走來。在物聯網時代即將到來的新一輪產業革命背景之下,污染源自動監控、環境在線監控、衛星遙感等技術手段的應用不僅會改變“廢氣靠看、廢水靠聞、噪聲靠聽”的落后監管局面,也將會對環境管理理念、方法、體制、機制的變革形成推動力量。推進物聯網在環保領域的應用,加快環保信息化的進程,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從業者的不懈努力,抓住物聯網時代這個發展契機,我國在環境污染有效控制和環境保護方面一定能取得飛躍式發展。

6 結語

面向環境保護的物聯網是新時期物聯網背景下環境保護領域信息化的必然趨勢,現階段我國面向環境保護物聯網的發展已經具有一定的技術儲備,同時也有相當的應用和產業化基礎,但是總體而言仍處于起步階段,在關鍵技術、標準體系、應用和產業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、科研部門以及各個行業的共同努力。面向環境保護的物聯網的發展是一個持續長效的工程,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建出遠大宏偉的面向環境保護的物聯網,使其施惠于國,讓利于民。

[1]周燕燕.物聯網對于保護環境的方式的轉換[N].中國環境報,2011.3.

[2]劉韻杰.關于傳感器網絡產業及未來網絡發展的建議[C].國務院總理聽取信息領域專家匯報會,2009.9.19.

[3]物聯網技術與應用發展的探討[J].信息通信技術,2010.4(2):9-13.

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

[5]張宏偉.物聯網在環境監測和保護中的應用研究[J].物聯網技術,2011.8:(73-76).

《:物聯網技術在環境保護領域中的應用研究》---廊坊市科學技術研究與發展計劃項目(2013011026)。

于麗梅(1978－),女,碩士,講師,主要研究方向為嵌入式系統及軟件工程。