物联网在环境监测和保护中的应用研究

环境保护是指人类有意识地保护自然资源并使其得到合理的利用，防止自然环境受到污染和破坏。目前，环境保护主要应从以下几个方面做起:首先是防治由生产和生活所引起的环境污染，同时要防止由建设和开发活动引起的环境破坏，保护有特殊价值的自然环境，同时要注意环境保护、经济建设和社会发展之间的协调发展，避免“先污染后治理”的思想。

我国环境污染已成为影响社会和谐的一个重要因素。在我国经济发展取得举世瞩目成就的同时，环境质量在下降，一些新的或隐性的环境问题逐步显现:外来物种入侵成为一个新的生态问题;环境污染事件不断出现，具有集中爆发特征。从实践看，我国并没有完全绕开“先污染后治理”的老路，重点城市和地区环境治理也是在污染到一定程度后才开始治理的。我国现阶段面临的环境问题，既是经济高速增长的产物，也是经济发展不够的表现。

目前，我国环境保护领域的信息化程度还比较低,地方环保系统业务数据因为共享和服务不开放，从而造成各地重复投资。业务信息滞后造成环境污染事故频发，取证困难等问题。环境保护向自动化、智能化、网络化方向发展将是未来环境保护工作的重点，环保信息化势在必行。而物联网的快速发展，则为我国的环境保护提供了思路和方案。

1  物联网(IOT)的概念

物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件，使之成为“智能物体”，然后通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现物与物、物与人之间的互联E。物联网可以依托二维码、射频识别(RFID),各类传感器/敏感器件等技术和设备,使物体与互联网等各类网络相连，以获取无处不在的现实世界的信息，实现物与物、物与人之间的信息交互，支持智能的信息化应用，实现信息基础设施与物理基础设施的全面融合，最终形成统一的智能基础网络。

随着传感器网络技术、近程通信技术和M2M技术的快速发展，物联网的应用已出现在我们的生活中，首先是以M2M技术做为基本结构的简单物联网广泛应用于物流管理、智能交通、环境监测、公共安全、智能家居等各行各业中。陕西省“十二五”物联网规划中明确提出依托省环保厅、水利厅、长天软件、中星测控公司等单位，组织实施省环境应急监测与指挥系统、省水土保持监测与管理系统、环境在线监控系统、城市污水处理与重点污染源监控、山体滑坡预警等重点应用示范工程的环境保护物联网。

2  物联网的组织架构

智能型环境保护系统的物联网组织架构如图1所示。环境保护的物联网主要由感知层、网络层、应用层三大部分组成。其中感知层通过传感器、智能卡、RFID电子标签、识别码、摄像头等感知设备实现物体识别和环境指标、事故应急等信息的捕获、采集,以达到智能感知的目的；网络层利用无线网、移动网、固定网、互联网、广电网等传输网络实现感知层所采集信息的传输;应用层主要包括环境保护中的特定应用服务以及实现网络层和应用服务间接口和能力调用功能的中间件,用于完成信息的分析处理和决策，实现特定环境监测的智能化应用和服务任务，以实现环境监测信息的识别、感知、分析和预测，发挥智能作用。

作为物联网在环境监测和保护领域中的特定应用，其技术与其他领域中的应用有共同之处，但也有其特殊的关键技术发展。按图1所述,其技术是从感知层、网络层、应用层三个方向发展。是信息技术在基础设施中的应用，通过传感网实现对物理世界的信息感知，以进行环境监测和调控，达到环境保护的目的。该应用的主要特点是数据釆集量大、精度高，智能信息融合、协同处理能力、网络快速部署能力强，釆集数据具有高效可靠传输、网络健壮性、抗毁性。

2.1  感知层

感知层是环境保护物联网的基础组成部分，主要包括感知设备、传感网络两项关键技术。感知设备作为物联网采集信息的工具，就如同是物联网的“皮肤”、“眼睛”、“鼻子”和“耳朵”等，是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物）。传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外，还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源（通常为电池或太阳能电源）。无线电收发器主要应用短距离无线传输（WPAN）技术和RFID技术。目前最关键的是传感器本身的问题，包括传感器的精度,传感器的能耗、规模和速率等。

2.2  网络层

网络层主要利用无线网、移动网、宽带网、固定网、广电网等传输网络实现感知层采集数据的传输和处理，是物联网的“中枢神经”。一般情况下，传感网只能在特定范围内组网，不可能实现任何时间、任何地点的无缝隙的覆盖。通信网络是实现“物联网”必不可少的基础设施,它安置在动物、植物、机器和物品上的电子介质产生的数字信号可随时随地通过无处不在的通信网络传送出去。事实上，只有实现各种传感网络的互联、广域的数据交互和多方共享，以及规模性的应用,才能真正建立一个有效的物联网。网络层的关键技术在于传感网与通信网的融合。

2.3  应用层

环境监测与保护物联网的应用层主要包括环境保护物联网的特定应用服务以及实现网络层和应用层的接口、数据处理和能力调用功能的中间件，完成信息的分析处理和决策,实现特定环境监测的智能化应用和服务任务，以实现环境监测信息的识别、感知、分析和预测，发挥智能作用。应用层是环保物联网的“大脑”。指挥协调感知层、网络层和应用层协调工作。庞大的数据处理、应用服务和物联网应用的扩展是应用层的关键技术。

早期的并行计算、集群计算、网格计算往往造成各城市之间数据和资源共享困难，应用扩展难度大、成本高，而现在基于“云计算”技术的运用，使数以亿计的各类数据和终端的实时动态管理变得可能，其应用扩展只进行外围设备调整，因而比较快捷和方便。

4.3  安全性和可靠性制约物联网的进一步推广

在物联网中，感知层的传感网组网相对简单，传感器体积小，功耗有一定的限制，数据加密强度弱；网络层中由于病毒、黑客、网络自身漏洞等原因会使用数据的安全受到威协;应用层由于数据的共享也使得使用数据的安全性进一步下降。物联网构件多层面相互间协同运作的整体安全性和可靠性、安全接入控制系统设计、基于可信平台的安全模块及其提供的可信度量和评估机制、加密技术等，已成为物联网发展中的拦路虎。

在环保物联网中，感知层的传感器大多处理环境恶劣的地方，会有化学物质的腐蚀等，而个别不法分子的破坏，也会对传感器的可靠性要求增高，因此，感知层应能适应各种恶劣的应用环境。

4.4  应用与产业化问题

在现阶段，环境保护的物联网应用规模领域还比较小,还形成不了成熟的商业模式，另一方面,也不利于市场的培育，因此，未来要选择重点领域和重点工程,积极引导面向环境保护的物联网行业示范应用，扩大应用规模，积累技术发展、产业应用、经营管理、政策实施等方面的经验。同时，当前我国面向环境保护的物联网产业链也尚未成熟，仍然面临着巨大挑战。首先是产业链各环节尚未形成共赢商业模式，各环节之间协同能力较差；其次是产业链环节较长，复杂度高,导致整体成本很难降低;最后,产业链各环节企业相对分散，规模小，尤其是服务环节。因此，面向环境保护的物联网未来发展，沿需要产业链的共同努力，只有在芯片商、传感设备商、系统解决方案厂商、移动运营商等上下游厂商的通力配合下，才能实现上下游的联动,从而带动整个产业链，共同推动面向环境保护的物联网的发展。

5  结论

我国基于物联网的解决方案虽然在环境保护中得到了初步的应用，但仍存在标准不统一、系统规模小、设备成熟度低、信息处理平台不完善等问题。传统的坏境保护方式必将由环境保护的物联网所替代。现阶段我国对于运用物联网来保护环境的发展已经具有一定的技术储备，同时也有相当的应用和产业化基础，但是，总体而言，仍处于起步阶段,在关键技术、标准体系、应用和产业化方面仍存在着一些亟待解决的问题，这些问题的解决需要政府、企业、科研部门以及各个行业的共同努力。但是,利用物联网来保护环境是一个持续长效的工程，也是一个利国利民的工程，我们坚信，在各方力量的不懈努力下，我们必将构建出远大宏伟的、面向环境保护的物联网，使其施惠于国，惠利于民。