面向环境保护的物联网发展探讨

　　概述

　　随着现代社会经济的高速发展，人类面临的环境形势也日益严峻。大气污染、水污染、噪声污染、电磁辐射污染、森林植被破坏以及土壤沙化等问题日趋严重，威胁着居民的健康、破坏着城市生态环境，严重制约着生态平衡及社会的可持续发展。调查发现，目前我国环境保护领域的信息化程度仍偏低，远不能适应我国环境保护工作发展的需要，同时各个地方环保系统业务不沟通造成数据不共享、服务不开放，造成基础设施的重复建设，总体投资巨大。因此促进环境保护向自动化、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。

　　近年来，物联网的发展受到广泛关注。物联网(InternetofThings，IOT)概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，目前业界并没有明确统一的定义。早期的物联网是指依托射频识别(RFID)技术的物流网络，随着技术和应用的发展，物联网的内涵已经发生了较大变化。现阶段，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各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联。物联网依托传感器、传感器网络技术、射频识别技术、通信网与互联网技术、智能运算技术等，实现全面感知、可靠传递、智能处理。物联网的应用领域相当广泛，包括公共安全、环境保护、智能家居、工业自动化控制、健康监控、精细农业、智能交通、智能物流等。经过过去几年的技术和市场的培育，物联网的发展即将进入高速发展期，将为各行各业的发展带来巨大的发展机遇。环境保护是物联网技术应用最早也是最为成熟的领域,将物联网应用于环境保护领域可以有效整合通信基础设施资源和环保基础设施资源，使通信基础设施资源服务于环保行业业务系统运营，提高环保行业业务系统信息化水平，提高环保行业业务系统基础设施的利用率。可以说物联网应用于环境保护领域是信息通信技术发展到一定阶段的必然结果，也是环保领域信息化的必然趋势。

　　1 面向环境保护的物联网发展概况

　　1.1 面向环境保护的物联网网络结构及技术发展
现状

　　面向环境保护的物联网结构如图1所示。应用于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、固网、互联网、广电网等传输网络实现感知层采集信息的传输；应用层，主要包括面向环境保护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，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。

图1 面向环境保护的物联网网络结构图

　　面向环境保护的物联网作为物联网在环境保护这一特定领域的应用，其技术发展与传统的物联网既有共同之处也有其特殊之处。按照上述面向环境保护物联网的三层网络结构，其技术发展也可从感知、传输、处理三个环节进行阐述。

　　1) 感知环节：利用传感器、多跳自组织传感器网络以及其他传统信息采集装置，协作地感知、采集所覆盖区域中的环境监测信息。主要包括数据采集、处理技术以及传感器的部署、自组织组网和协同等技术，以传感器等采集感知技术、RFID识别技术以及无线传感器网络技术为代表。

　　2) 传输环节：通过不同的接入方式将感知环节的传感器、传感器网络和其他信息采集装置获取的数据接入到基础架构统一的传输网络中。由于涉及到的感知端装置各异且数量巨大，因此需要利用异构的网络接入技术和基础核心网络技术，包括基础NGN核心网和FTTH、3G、WiFi、蓝牙、Zigbee、UWB等接入技术。

　　3) 处理环节：此环节面对众多的数据来源和庞大的数据量，一方面需要具有极强的数据处理能力和分发能力；另一方面需要结合特定流程和规则进行数据分析和利用。因此，将会利用数据的计算处理分析和信息分发平台技术，其中以云计算和P2P技术为代表。

　　1.2 面向环境保护的物联网应用及产业化现状

　　全球面向环境保护的物联网发展还处于初级阶段，但已具备较好的基础。国内外已经有了众多面向环境保护的物联网应用案例，在污染防治、生态保护等领域发挥着巨大作用，如美国部署的用于实时监测城市环境污染数据的“CitySense”监测系统和用于监测大鸭岛海鸟栖息情况的生态监测系统、澳大利亚用于监测蟾蜍分布情况的生态监测系统、我国在无锡部署的太湖水环境监测示范工程等。随着国内外物联网在环境保护领域的大量应用，其各项技术也逐步趋向成熟，同时大量技术的成熟和产品的应用也为面向环境保护的物联网产业的发展奠定了良好的基础。

　　从总体上看，国外发达国家如欧美日韩等国面向环境保护物联网的发展代表了国际先进水平，其产业链已经初步形成，产业链各环节的分工较为清晰，以全球领先的跨国企业为核心，带动其产业链能力的总体提升，各产业环节初步形成了产业的相关能力。另外，由于全球运营商寻求新的增长驱动，将物联网作为新的发展契机，同时新兴的服务商也积极推动物联网的产业发展，因此环境与安全监测物联网作为整个物联网产业的重要部分，其产业链的发展也得到了强有力的推进。

　　总体而言，我国面向环境保护的物联网产业环境建设正处于起步阶段。产业链面临着企业分散、规模小、技术能力薄弱等不利因素，全国知名研究机构和物联网行业内的产、学、研机构正在积极推进面向环境保护的物联网产业环境的发展。在面向环境保护的物联网产业链的各环节中，终端侧及应用侧技术环节较为薄弱，技术标准紧跟国际步伐并有一定的影响力，国内通信模块厂商发展较为成熟，中间件、软硬件集成、应用开发划分尚不清晰。现有国内面向环境保护的物联网产业链各环节合作模式比较单一，主要集中于产业联盟，运营商是产业链的主导力量，扮演集成商和服务商角色，通过产品和服务购买的形式向产业链下游渗透。

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　　1.3 面向环境保护的物联网发展面临的问题及对策

　　1.3.1 关键技术有待突破

　　由于面向环境保护的物联网应用场景的特殊性，其发展中仍面临一些关键技术的挑战，如复杂环境下传感器组网技术、能耗问题、传感器节点部署模式及策略、安全隐私问题等等，这些关键技术的解决是面向环境保护的物联网大规模推广应用的必要条件，因此努力完善面向环境保护的物联网技术体系，突破面向环境保护的物联网应用中的关键技术是目前亟待解决的问题。

　　1.3.2 标准体系尚未统一

　　目前，面向环境保护的物联网标准无论是在国际或国内均处于初级阶段，尚未系统化。面向环境保护的物联网包括感知、网络、应用三个层面，每一个层面都会涉及到一些标准化组织，目前已经成立了很多标准化组织，而国际各标准组织之间对面向环境保护的物联网的研究也缺乏统一的协作，同时缺乏权威以及可遵循的标准。每个国际标准组织的研究都是针对某一方面或自己擅长的部分进行研究，国内对于面向环境保护的物联网的研究也很零散，没有系统的端到端的规划。而由于缺乏统一标准，面向环境变化的物联网应用和产业规模也都受到很大影响。因此，面对各行业间的技术和应用差异，如何做到标准的大统一，这是目前面临的较大问题。未来面向环境变化的物联网标准化问题需要在政府统一领导下，由相关部门牵头，协调其他部门共同制定和统一面向环境保护的物联网的相关标准和规范，打破行业壁垒，跨行业、部门，在标准化组织之间形成标准体系，只有这样才能促进面向环境保护的物联网的健康发展。

　　1.3.3 应用与产业化问题

　　现阶段面向环境保护的物联网应用规模领域较小，一方面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，目前我国面向环境保护的物联网产业链尚未成熟，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。

　　2 面向环境保护的物联网前景分析

　　2.1 面向环境保护的物联网技术发展方向

　　随着我国物联网在环保领域应用的不断推广，应用中遇到的问题也愈发错综复杂，这对面向环境保护的物联网提出更高的技术要求。

　　在面向环境保护的物联网感知层，作为感知层获取环境信息的重要手段，传感器应该具备精确感知热、力、光、电、声、位移等多种信号的能力，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。同时，作为物联网在环境保护领域的特殊应用，传感器应该满足在大范围无人值守环境大规模部署的要求，同时应能适应各种恶劣的应用环境，因此，要求传统的传感器逐步实现微型化、低成本、低能耗、智能化、信息化、网络化，经历一个从传统传感器(dumbsensor)→智能传感器(smartsensor)→嵌入式Web传感器(embeddedwebsensor)的内涵不断丰富的发展过程。新材料、MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems微机电系统)、微型化传感器、智能处理和存储信息的智能化传感器和多功能传感器等领域必将会成为未来研究的热点问题。对RFID技术的研究今后将重点放在RFID的反碰撞冲突问题、RFID天线研究、工作频率的选择以及安全与隐私问题上。在感知层网络方面，无线传感器网络将成为主流，同时嵌入式芯片和软件、近距离无线通信芯片和新型电池技术等也会是未来面向环境保护的物联网研究的重点。

　　在面向环境保护的物联网网络层，随着3G网络的大规模部署，3G及LTE无线接入技术将能提供高吞吐量的传输能力，将进一步促进面向环境保护的物联网应用的普及。与此同时，电信网络的接入层和网络架构也将面临改进和优化问题，电信网络未来需要针对面向环境保护的物联网的低移动性、低数据量、高可靠性、海量容量进行优化，包括适应面向环境保护的物联网业务模型的无线接入技术、核心网优化技术，包括鉴权、计费、网络管理、移动性管理等技术，包括适用于传感器节点的短距离通信技术，自组织组网技术以及异构网络的融合技术和协同技术等。

　　在面向环境保护的物联网应用层，高效处理海量数据的技术和科学模型将会出现并将大规模应用。面向环境保护的物联网中每时每刻都在产生大量的数据，这其中既有对决策有很大贡献的数据，也有帮助较小的数据，还有噪声数据，对如此海量数据的处理，需要有超级计算能力，并且在科学模型的指导下，才能高效地发现有用的决策信息，并智能地处理。由于云计算的应用包含了“把力量联合起来，给其中的每一个成员使用”的思想[8-9]，让人们能够调用全网络资源，预计将在面向环境保护的物联网中大规模地使用。

　　在联网的共性技术方面，未来将主要研究网络虚拟化技术、资源管理、QoS技术、分布式信息处理和分布式资源管理技术、内容聚合技术、网络管理技术、设备管理技术和多种无线技术的使用带来的干扰等共性支撑技术，同时，还将重点研究频谱资源协调，认知无线电、动态频谱管理技术等。另外，随着面向环境保护的物联网应用的普及，安全和隐私问题在面向环境保护的物联网领域将会更加凸显。因此，其总体安全需求的确定、安全架构的设计、如何建立基于普适异构环境下的可信物联网络的安全机制以保证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，必然会成为今后研究的热点问题。

　　总之，在应用的引领作用下，不断涌现的各种新技术、新材料、新思想将推动面向环境保护的物联网向多元化、智能化的方向演进。

　　2.2 面向环境保护的物联网应用及产业化发展方向

　　面向环境保护的物联网未来应用的发展方向有两个：广度和深度。所谓广度就是面向环境保护的物联网的应用范围。目前我国面向环境保护物联网的应用主要集中在几个有限的方面，如污染检测、环境质量监测等，随着面向环境保护物联网各项技术的不断成熟，标准体系的不断完善，未来在海洋环境监测、空间环境监测、电磁或核辐射监测、固体或化学废弃物监测等领域的应用还有极大的发展潜力。所谓深度，就是面向环境保护物联网的应用水平。未来面向环境保护的物联网应用的各项业务能力将愈发成熟，各个应用系统将愈发完善，同时，不同应用系统间的信息互联及共享机制将更加发达，面向环境保护的物联网的应用水平将得到整体提升。

　　现阶段面向环境物联网的应用还只是一个个比较孤立的应用，距离规模化应用差距还比较大。未来要实现面向环境保护的物联网的规模化应用，必须要实现不同应用系统之间信息互联和共享以及智能化处理，建立新的业务平台——面向环境保护的物联网业务支撑平台全面实现综合监控和应急处理是必然趋势。

　　举例说明，从2007年至今，根据环境保护部要求，依托各大运营商既有网络，已逐步建成覆盖全国范围的国家、省、市、县四级环保监测监察专网，但是仍存在不同级别之间、同一级别不同部门之间数据不共享、业务不开放等弊端，这样“各自为战”的后果就是导致资源得不到有效利用，加大了管理难度。因此，在未来的应用中应注重统筹先进的科研、技术、仪器和设备优势，充分利用全天候、多区域、多门类、多层次的监测手段，依托先进的网络通讯资源，及时调动包括多样的数据采集系统、先进的计算机网络支撑系统、快捷安全的数据传输系统、充足的数据库存储系统、功能完备的业务处理系统和及时的监测信息分发系统，科学预警监测和报告，实施联动的预警响应对策。

　　我国面向环境保护的物联网产业的发展特点是应用先导、政府推动、企业参与、社会受益。目前，面向环境保护的物联网产业在中国还处于前期的概念导入期和产业链逐步形成阶段，没有形成成熟的技术标准和完善的技术体系，整体产业处于酝酿阶段。面向环境保护的物联网概念提出以后，首先面向具有迫切需求的环境保护领域，以政府投资实施应用示范项目带动面向环境保护的物联网市场的启动将是必要之举。进而随着面向环境保护的物联网应用解决方案的不断成熟、企业集聚、技术的不断整合和提升，逐步形成比较完整的面向环境保护的物联网产业链。

　　3 结论

　　面向环境保护的物联网是新时期物联网背景下环境保护领域信息化的必然趋势，现阶段我国面向环境保护物联网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。面向环境保护的物联网的发展是一个持续长效的工程，也是一个利国利民的工程，在各方力量的不懈努力下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，让利于民。