生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析

畢永良,楊任能

（廣州市微生物研究所有限公司，廣東 廣州 510700）

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和信息技術(shù)的進步，人們的環(huán)保意識日益提升，如何做好對生態(tài)環(huán)境的保護工作，是目前社會各界共同重視的問題。生態(tài)環(huán)境保護工作比較復(fù)雜，涉及的內(nèi)容多樣化，只有加強對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測，才能制定出科學、有效、完善的保護措施。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就是在此背景下孕育而生的產(chǎn)物，它的本質(zhì)是借助智能傳感設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，實現(xiàn)對特定生態(tài)環(huán)境或污染源的識別、定位和實時監(jiān)測等智能化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理。

1 簡述生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其基本架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要基于智能傳感設(shè)備，如射頻識別設(shè)備、定位設(shè)備、紅外線氣體多功能傳感設(shè)備等。根據(jù)目前社會的實際需要，需要合理運用互聯(lián)網(wǎng)，最大化地將其融入環(huán)境監(jiān)測工作中，利用高效的信息交換途徑搭建起對特定生態(tài)環(huán)境或污染源的識別、定位和實時監(jiān)控機制，通過對數(shù)據(jù)的分析，判定被監(jiān)控對象的污染程度和污染變化趨勢，最終實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警和環(huán)境質(zhì)量控制。環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)按監(jiān)測類型可分為污染源監(jiān)測技術(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)；按環(huán)境要素可分為水質(zhì)、大氣、噪聲等監(jiān)測技術(shù)。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式在獲取數(shù)據(jù)時受監(jiān)測條件限制，監(jiān)測樣本種類比較少，數(shù)據(jù)的準確性因人為因素影響得不到保障，難以滿足當前監(jiān)測的要求。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、傳感器及其智能技術(shù)等多種技術(shù)的作用下，實現(xiàn)實時智能采集監(jiān)測對象的各項數(shù)據(jù)，并同時將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺，對數(shù)據(jù)進行分類、匯總及分析。在此基礎(chǔ)上，制定出符合其要求的環(huán)境防治方案，以此降低環(huán)境污染[1]。

2 概述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的關(guān)系

首先，環(huán)境監(jiān)測前要進行現(xiàn)場調(diào)查，包括水文地理信息、采集點設(shè)計、監(jiān)測點信息采集、樣品采集保存等；其次，對樣品的分析，利用相關(guān)儀器設(shè)備進行科學處理，得出超標污染物的組成，最后依靠數(shù)據(jù)分析綜合評估監(jiān)測點的污染狀況和污染原因。國內(nèi)學者將物聯(lián)網(wǎng)定義為通過傳感器和射頻識別技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等設(shè)備將物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，以達到通信、定位和監(jiān)控目的的網(wǎng)絡(luò)。其主要思想是將傳感器放置在所需的物體上并進行網(wǎng)絡(luò)通信。學者們將物聯(lián)網(wǎng)分為三層架構(gòu)，如圖1所示。第一層是應(yīng)用層，即物聯(lián)網(wǎng)的信息處理和應(yīng)用。對獲得的數(shù)據(jù)進行全面的分析和處理，并總結(jié)出相關(guān)結(jié)論，傳感器收集的信息是環(huán)境監(jiān)測和污染防治的管理體系[2]。智能管理技術(shù)讓環(huán)境監(jiān)測擺脫了人類勞動帶來的低精度、低效率的工作模式，創(chuàng)新綠色環(huán)境管理模式，有利于促進我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展；第二層是網(wǎng)絡(luò)層，其任務(wù)是傳遞信息，包括互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的集成操作、網(wǎng)絡(luò)管理、智能操作等，利用來自感知層的信息，合理配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通信，并實現(xiàn)環(huán)境、物和人之間的通信。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，擴大了通信的范圍，使融合方式多樣化；第三層是感知層，負責物與物之間的連接，通過技術(shù)手段收集關(guān)鍵信息和識別物體。涉及的技術(shù)主要包括電子射頻識別標簽和閱讀器、電子條形碼和自組織網(wǎng)絡(luò)。感知層面臨的主要問題是節(jié)能和降低成本。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測原理

要充分認識到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的重要性和作用，就需要全方位了解監(jiān)測系統(tǒng)的原理。具體分析如下：

3.1 污染源運行監(jiān)測模塊調(diào)試

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成得到了廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)了污染源動態(tài)監(jiān)測模塊，快速、準確地獲取環(huán)境污染信息，尤其是環(huán)境污染信息數(shù)據(jù)的采集。

3.2 調(diào)試數(shù)據(jù)類型模塊

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測中，不但可以激活連接監(jiān)測所需的模塊，還可以為自控中心提供豐富、可靠的信息資源，為環(huán)境保護工作的順利進行提供一定的基礎(chǔ)保障。在這個過程中，可以通過激活數(shù)據(jù)類型模塊，對環(huán)境污染的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整合，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的全面分析，保障生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和管理的有效性。

3.3 無線發(fā)射模塊的啟動

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測工作兩者之間的融合，需要及時啟動無線傳輸模塊，使監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠在第一時間準確到達指定地點，實現(xiàn)對代理模塊傳輸數(shù)據(jù)的分析和快速處理。這一過程提升了環(huán)境監(jiān)測信息數(shù)據(jù)的及時性、準確性，促進了監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用的進一步發(fā)展。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的主要應(yīng)用

4.1 水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在監(jiān)測水和城市生活廢水中得到了廣泛的應(yīng)用，有效提高了的監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量、工業(yè)廢水處理的效率以及降低了廢水中污染物濃度。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以對水質(zhì)自動監(jiān)測站的設(shè)備和技術(shù)進行更新和完善，還可以對野生江河湖泊水質(zhì)的狀況進行連續(xù)性自動監(jiān)測，并對其污染狀況進行評價，及時采取相關(guān)措施進行水污染防治工作，提升水污染防治的效率，確保水源的安全。此外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以實現(xiàn)對污染源連續(xù)自動監(jiān)測，尤其是對廢水排放和廢水處理效率的實時監(jiān)測，使其達到更高標準的預(yù)警，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)果，制定出完善的污染控制方案，及時解決污染問題，降低水污染的概率，提前控制水污染。如下圖2所示為物聯(lián)網(wǎng)水環(huán)境監(jiān)測示意圖。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)水環(huán)境監(jiān)測示意圖

4.2 大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

大氣污染直接影響著公眾的健康安全，大氣環(huán)境監(jiān)測一般是在固定的時間內(nèi)進行，負責的操作人員需要對空氣污染物進行確認，及時掌控當?shù)氐目諝馕廴緺顩r，這種監(jiān)控方式存在很多不足之處，如監(jiān)測效率低下等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)在監(jiān)測區(qū)域安裝傳感器等先進設(shè)備，及時分析和掌握污染物濃度和種類，有效了解目前的污染狀況，并及時獲取監(jiān)測結(jié)果，實現(xiàn)對大氣污染物的全面、有效監(jiān)測。上述方法的應(yīng)用除了可以快速了解當?shù)氐目諝馕廴厩闆r以外，還可以減少監(jiān)測方面的人力、物力投入，有效降低了監(jiān)測的時間和成本。在監(jiān)測空氣質(zhì)量時，相關(guān)部門只需要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來獲取相關(guān)的監(jiān)測信息。它可以為研究人員提供準確、全面、高效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高污染監(jiān)測工作的準確性和有效性，為相關(guān)機構(gòu)在調(diào)整相關(guān)決策工作中提供一定的數(shù)據(jù)保障，促進環(huán)境保護和環(huán)境政策工作的順利進行[3]，如下圖3所示為某大氣環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用示意圖。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)大氣環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用圖

4.3 生態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各個重點生態(tài)監(jiān)測區(qū)域的具體監(jiān)測數(shù)據(jù)進行信息傳遞和交換。

在目前的環(huán)境監(jiān)測中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)對生態(tài)監(jiān)測區(qū)域范圍的聚類，將其劃分為各個區(qū)域組。通過利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的綜合監(jiān)測分析功能，還可以了解各個區(qū)域的生態(tài)信息，尤其是分組后的信息情況。要選擇最合適的監(jiān)測傳感器，傳感器的作用是將其采集的環(huán)境信息在第一時間內(nèi)傳輸并反饋給生態(tài)控制管理中心，包括環(huán)境溫度、濕度和環(huán)境噪聲等。最后，研究人員只需要對各傳感器采集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)進行對比和綜合分析，以此來保障生態(tài)環(huán)境的安全性和穩(wěn)定性。

因此，在環(huán)境監(jiān)測工作中，物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用功不可沒，遠程動態(tài)監(jiān)測功能有效提高了污染監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取速度也得到了有效提升，為監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸速度奠定了基礎(chǔ)。同時，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)是研究人員評估審查的重要指標，這些數(shù)據(jù)對環(huán)境的監(jiān)管、污染源的發(fā)現(xiàn)以及環(huán)境問題的反饋與處理方面發(fā)揮了極大的作用，更有利于我國生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測的穩(wěn)定、健康發(fā)展[4]。

5 概述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中存在的問題

從物聯(lián)網(wǎng)目前的應(yīng)用分析可以看出，降低了環(huán)境監(jiān)測的成本，提高了監(jiān)測結(jié)果的準確性。但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中仍然存在很多問題，主要表現(xiàn)在以下三個方面。一、管理制度不科學。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)雖然具有高效準確的優(yōu)勢，但不科學的管理方式導(dǎo)致了該技術(shù)的作用沒有得到充分發(fā)揮。目前關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的理論研究尚未建立統(tǒng)一的國際標準，部分技術(shù)細節(jié)仍在研究中，因此，建立監(jiān)管物聯(lián)網(wǎng)的跨區(qū)域生態(tài)環(huán)境非常困難，管理難度成倍增加；二、目前物聯(lián)網(wǎng)的重點監(jiān)測領(lǐng)域大部分局限于水質(zhì)監(jiān)測、大氣監(jiān)測和噪聲監(jiān)測等。監(jiān)測內(nèi)容不足以全面描述我國生態(tài)環(huán)境的變化和現(xiàn)狀；三、電子傳感器也是一種終端設(shè)備，不能做到無死角監(jiān)測，只能監(jiān)測射頻發(fā)射范圍內(nèi)的環(huán)境狀況。物流網(wǎng)絡(luò)以終端設(shè)備為基礎(chǔ)，射頻識別技術(shù)的原理是發(fā)射射頻頻段，因此容易受到金屬、電磁波、噪聲等聲源的影響，大大降低了監(jiān)測的準確性。

6 提升物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用效率的對策分析

6.1 擴大生態(tài)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用范圍，提升物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測能力

為了促進環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)代化發(fā)展，要求我們不斷運用科學技術(shù)提高環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，為可靠、準確、完整的數(shù)據(jù)獲取提供了有效途徑，提高了環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量。除了可以有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交換以外，還大大提高了系統(tǒng)監(jiān)測水平，例如監(jiān)測和控制油蒸氣污染、植物有毒有害氣體泄漏預(yù)警、大氣顆粒物監(jiān)測、揮發(fā)性有機化合物監(jiān)測、大氣顆粒物監(jiān)測等等方面，有效實現(xiàn)了對大氣污染物的監(jiān)測。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用還可以準確找到污染物的傳播途徑，及時查明污染源。結(jié)合實際需求，制定出精準、科學、合理的環(huán)境保護政策和對策，進一步改善環(huán)境空氣質(zhì)量。同時，該技術(shù)在生物監(jiān)測方面的應(yīng)用也比較廣泛，尤其在多樣性生態(tài)監(jiān)測、環(huán)境質(zhì)量聲學監(jiān)測方面。

6.2 完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測工作在社會可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用，因此必須完善其管理制度，提升信息技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范性和有效性。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，整個監(jiān)控系統(tǒng)的效率得到了提升。在建設(shè)管理體系時，要綜合考慮跨區(qū)域、跨類別的影響因素，使物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠得到廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)對各種環(huán)境數(shù)據(jù)的交換，保證環(huán)境監(jiān)測工作的正常運行。

6.3 進一步完善物聯(lián)網(wǎng)信息共享平臺

完善物聯(lián)網(wǎng)環(huán)保信息交流平臺，逐步提高環(huán)境監(jiān)測工作的有效性。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息能夠有效進行實時共享，要將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)融入人們的日常生活中，不斷提高人們的環(huán)保意識，提升物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用的重要性。借助數(shù)據(jù)共享平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動分析、分類和存儲，提高環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量的可靠性。

6.4 加大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)力度

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合信息技術(shù)的支撐作用。為促進信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促進信息技術(shù)的進一步發(fā)展，需要加大對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新。有關(guān)人員要認識到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要性，加大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究力度，科學合理地對其評估，為生態(tài)環(huán)境的治理提供一定的基礎(chǔ)保障。一方面，相關(guān)機構(gòu)需要加大資金的投入力度，尤其是在傳感器的研發(fā)上，確保設(shè)備和人才的有效性，為監(jiān)測設(shè)備的準確性和穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通常基于網(wǎng)絡(luò)信息的交換。為了促進物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)，提升數(shù)據(jù)平臺的有效性，應(yīng)綜合考慮數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)的準確性，與時俱進，及時對相關(guān)信息進行更新[5]。

7 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢

一是制定科學的空氣監(jiān)測體系，擴大物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測范圍。大氣監(jiān)測面臨的形勢復(fù)雜多變，因此，監(jiān)測計劃必須根據(jù)具體污染物進行調(diào)整。例如，對霧霾的主要成分二氧化硫等的監(jiān)測，需要協(xié)調(diào)多種監(jiān)測手段，根據(jù)霧霾的嚴重程度確定射頻電子設(shè)備的配置量，制定不同的監(jiān)測策略。對水資源的監(jiān)測還應(yīng)包括重金屬、輻射源等，實現(xiàn)地表水綜合監(jiān)測。家庭自來水監(jiān)測更為重要，管道口可安裝射頻裝置，實時監(jiān)測水源污染情況，并在水質(zhì)異常時發(fā)出警報，提醒用戶不要使用飲用水，以防一些潛在的疾病。此外，還需要建立統(tǒng)一的信息平臺，讓人們可以自由獲取生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果提示人們是否采取預(yù)防措施。

8 結(jié)語

總之，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器節(jié)點技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、云平臺等在當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用中最為廣泛，進一步加強了環(huán)境監(jiān)測的能力，可以提供持續(xù)、動態(tài)的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時預(yù)警環(huán)境污染問題并完善控制計劃，為有效預(yù)控污染提供了一定的基礎(chǔ)保障。未來，還需要加大對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，尤其是在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，為監(jiān)測范圍的擴大、監(jiān)測工作的開展和污染成分的控制奠定基礎(chǔ)。提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用水平，切實推進環(huán)境監(jiān)測工作的順利進行，以確保環(huán)境監(jiān)測體系區(qū)域智能化、現(xiàn)代化。