环保物联网应用现状及问题

徐新宇

摘　要　物联网是科技创新的重要成果。目前，物联网的发展在国际国内都呈如火如荼之势。作为新兴高技术产业的重要组成部分，物联网技术广泛应用于各行各业。本文介绍了物联网在环境保护领域的应用意义、应用前景，并对涉及技术以及发展的若干问题进行全面分析。

关键词　环保　物联网

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，并在相当广阔的领域得到了应用，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之一,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，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必然结果，也是环保领域信息化的必然趋势。

环保物联网就是通过综合应用传感器、RFID（射频识别）等相关技术，实时采集污染源、生态等信息，构建的全方位、多层次、全覆盖的生态环境监测网络。目前这项技术已在环境质量在线监测等系统应用了10多年，是物联网技术应用较早的一个领域。未来，随着物联网技术的发展和在环保领域的全面应用，特别是在监控PM2.5，即直径小于或等于2.5微米的细颗粒物方面，物联网技术将在环境质量监测领域大展身手。

（一） 物联网技术将在促进循环经济建设上发挥重要作用。一方面，它可以密切监控产生废气、废水等废弃物的生产过程，把有害环境的污染物、废弃物减少到最低限度；另一方面，它还能辅助对废气、废水、污染物等进行深入分析，进而实现废弃物的资源化和无害化处理，使部分污染物或废弃物可以进行循环再利用，如对排污进行余热回收、物质提取等。

（二） 物联网技术将促进环境监控由点及面，全方位满足环境监测、控制、治理的需要。从适应经济发展和群众呼声需求看，监控对象将从废水、废气排放扩展到危废、重金属、辐射源、环境风险监控等，从城市监控、工业监控向城镇、农村污染监控扩展。从服务政府、企业的角度看，在监控深度上，既监控污染源末端，如污染物的排放浓度、排放量，还监控企业污染排放和治理设施的工况运行情况。此外，物联网的协同，如气象、交通物联网的连接，还能构成范围更广、更全面的监控体系，支持环境的全面保护。

（三） 物联网技术将推动环境保护以服务为根本理念全面展开。通过物联网整合现有应用和信息资源，就能建立起集环境质量监测、污染源监控、环境风险防范等于一体的环保管理和服务体系，为各方利益者提供服务。如PM2.5颗粒物，不足头发丝的1/20，来源十分复杂，监控起来十分困难。而通过物联网技术在这方面的智能应用，以此为切口，就能达到促进污染减排与环境风险防范、培育环保战略性新型产业等方面的目的。

（四） 物联网应用能够促进环保领域的信息共享机制的建立，支撑城市环境和经济协调发展，支撑跨区域协同应用与统筹管理。如加强和城市管理、卫生、交通等领域的信息共享与业务协同，既可以为城市安全、医疗、交通管理等提供服务，促进城市经济发展和环境保护相协调，还可以扩大环保领域的物联网覆盖范围和效果，使环保工作不仅仅成为环保部门的事情，还要变成整个城市的事情。

全球环保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环保物联网应用案例，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环保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保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。

（一） 感知环节。利用一组传感器以ADHOC方式构成的有线或无线网络，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。

（二） 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、UWB等接入技术。

（三） 处理环节。此环节面对众多的数据来源和庞大的数据库，一方面需要有极强的数据处理能力和分析能力，另一方面需要结合特定流程和规格进行数据分析和应用，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。

总体而言，我国环保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。

一是关键技术有待突破。由于环保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环保物联网大规模推广应用的必要条件，因此努力完善环保物联网技术体系，突破环保物联网应用中的关键技术是目前亟待解决的问题。

二是标准体系尚未统一。随着我国物联网在环保领域应用的不断推广、应用，目前，环保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。环保物联网包括感知、网络、应用三个层面，每一个层面都会涉及一些标准化组织，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环保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，国内对于环保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。

三是现阶段环保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，积极引导环保物联网行业示范应用，扩大应用规模，推动技术发展、产业应用、经营管理、政策实施等在环保物联网网络层，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，将进一步促进环保物联网应用的普及。与此同时，电信网络的接入层和网络架构也在研究与开其新技术、新材料、新思想将推动环保物联网向多元化、智能化的方向演进。

环保物联网未来应用的发展方向有两个： 广度和深度。所谓广度就是环保物联网的应用范围。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。未来环保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，环保物联网的应用水平将得到整体提升。

尽管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，但未来实现环保物联网规模化应用势在必行。我们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——环保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。

与此同时，在环保物联网应用层，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。环保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，让人们能够调用全网络资源，预计它将在环保物联网中大规模地使用。

在环保物联网的共性技术方面，未来应主要研究网络虚拟化技术、资源管理、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，随着环保物联网应用的普及，安全和隐私问题在环保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，必须通过技术先导、政府推动、企业参与、社会受益。目前，环保物联网产业在我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。环保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环保物联网市场的启动将是必要之举。进而随着环保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环保物联网产业链。

环保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。环保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环保物联网，使其施惠于国，造福于民。

（作者单位： 无锡市环保局）