基于物联网的智慧低碳生态城市研究

基于物联网的智慧低碳生态城市研究

章谦骅

（杭州电子科技大学　通信工程学院）

高卓青

（杭州电子科技大学　会计学院）

一、国内外智慧低碳生态城市发展研究

（一）智慧城市

2008年，IBM公司提出了一种社会发展理念，即“智慧地球”。该理念认为世界的基础结构正在向智慧的方向发展，存在无数的可感应、可度量的信息源，高速发展的互联网使得人与人的交互，数据之间的传输变得更加智能。“智慧地球”提出以更智慧的方法，通过新一代信息技术来改变人们的交互方式，提高实时信息处理能力及响应速度，增强业务弹性和连续性。“智慧地球”不仅是人类的美好愿景，同时也是从人本的视角来审视今天的IT产业，促使我们更加关注人类日常活动所需要涉及的方方面面，以及与自然和社会的和谐共处。所有新兴的技术都将变得更贴近现实生活。

智慧城市是智慧地球的体现形式，是Cyber-City、Digital-City、U-City的延续，是城市信息化发展到更高阶段的必然产物。智慧城市这一概念，是在新一代信息技术、知识社会环境下发展出来的一种城市形态。智慧城市基于物联网、4G技术、下一代互联网、云计算、大数据时代等新一代信息技术，创造出更加富于创新能力的城市环境。利用信息和通信技术（ICT）令城市更加智能，生活更加便利，能源更加节约，资源利用更加高效，生活质量更高，同时减少对环境的影响，大力发展低碳经济。实现智慧技术高度集成、智慧产业高端发展、智慧服务高效便民，全面完成从数字城市向智慧城市的跃升。

但就更深层次而言，智慧地球和智慧城市的理念反映了目前国家和城市发展过程中的一个根本矛盾，就是一个被现有科技缩小了的地球村与落后的城市管理体制之间的矛盾，这个矛盾有待于用新的科学理念和尖端技术去解决。此外，智慧城市建设将改变我们的生存环境，改变物与物之间、人与物之间的联系方式，同时也必将深刻地影响和改变人们的工作、生活、娱乐、社交等一切行为方式和运行模式。因此，本质上来说，智慧城市是一种关于发展城市的新的思维方式，也是城市管理和社会发展中产生的新模式、新形态。智慧城市中核心技术的应用必须与人的行为方式、经济增长方式、社会管理模式和运行机制乃至法律制度的变革和创新相联系、相结合。

（二）低碳生态城市

进入21世纪以来，“生态城市”和“低碳城市”两大城市发展理念在全世界范围内探索和实践。“生态城市”和“低碳城市”作为城市发展的两种新模式，侧重点各有不同。从城市本质角度来说，生态城市关注自然环境、人居环境等多个方面，最主要的目标是实现人与自然的和谐发展，使生活更美好；而低碳城市则更为关注全球气候变化及其引发的相关问题，最直接的目的就是有效地减少碳排放量。显而易见，两者在核心理念上是一致的，最终目的都是实现城市的可持续发展。

低碳城市作为低碳经济发展的载体，目前已成为许多大中城市发展的热点，这些城市均以各种形式开展了低碳城市建设实践。在生态城市建设实践方面，20世纪末以来，世界各国致力于解决全球变暖、可持续发展和等问题，总体上呈现出从少数到多数、从探索到实践，从单一到多样的发展模式。

在全球气候变化、各界广泛关注的大背景下，低碳生态城市这一复合概念的提出，将对城市低碳化和生态化起到非常积极的作用。虽然国内针对低碳生态城市的研究起步较晚，但基于“生态城市”、“低碳城市”、“低碳经济”、“低碳发展”的研究成果比较广泛，研究内容也较为丰富。尽管低碳生态城市概念提出的时间并不长，但是有了之前的研究作为铺垫，且政府对低碳生态城市建设给予很大重视的基础上，关于低碳生态城市研究的进度还是相当迅速的。

（三）智慧生态城市的关键技术

现代信息技术正以前所未有的速度向前发展，并以史无前例的广度和深度介入到人们生活的方方面面，世界在不断地向信息时代迈进。20世纪后发生的多数重大事件，基本都摆脱不了由于信息技术的发展对经济、社会所产生的重大影响。

数字智能技术作为生态城市管理的技术支撑工具，影响着整个城市的管理效率。在生态城市管理数据库和网络平台的支持下，可以利用数字智能技术，有效监控生态城市中各系统的动态情况，还可以设计系统的连锁报警系统，为生态城市的规划、设计、服务提供技术支持，为生态城市的完善和可持续发展提供实践基础。

按当前已有技术手段，建立生态城市管理系统，要采用的数字技术主要包括地理信息系统（Gls）、遥感（Rs）、遥测（TM）、互联网（Internet）、虚拟现实（VR）与仿真（simulation）这几个关键技术领域。其中，遥感与遥测技术是取得城市自然地理信息的有效手段；互联网作为传输数据的载体，能快速准确地将信息传递到数据库；地理信息系统将采集到的遥感和遥测技术数据为信息源，经过存贮、处理、分析数据，为虚拟实现提供数据；虚拟现实与仿真技术和地理信息系统结合，可以把城市内的某些管理虚拟化实现，经过仿真处理后再进入城市管理的实施阶段。

生态城市管理系统利用数字智能技术可以安全、快速、高效、动态、规范地得到和存储城市规划、建设与管理的成果信息（包括属性的和空间的）；快速、高精度对城市管理信息的查询进行检索和统计，以便用户获取各种精确信息；有效地对城市信息的空间进行分析，支持城市管理深化工作，快速、高精度地更新城市定位信息，使城市管理工作中信息的现实性得到保证。

二、物联网的关键技术研究

（一）物联网体系结构

物联网体系结构最早是在1999年提出的，即按约定的协议，通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，把物品与互联网连接起来进行信息交换和通讯，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络结构。可以说，通过物联网技术可以使传统行业实现信息化。

物联网体系由传感网络、传输网络与应用网络三大部分组成。在传感网络中，我们在需要监控的目标周围布置大量的各类传感器和相关无线通信节点。通过电流型、电压型或者数字型的传感器，可以感知被到监测目标或者目标周边的环境参数。在传输网络中，首先终端无线通信设备经过单跳或者多跳将感知的数据传送到汇聚节点设备，接着若干汇聚节点一起将所有感知数据汇总到网关设备，最后汇总到网关设备的数据通过Internet、GSM、3G等网络传输到集群服务器。在应用网络中，通过Internet等外部网络可以读取整个网络的数据和状态，同时，这些反馈信息可以通过智能决策和人工决策进一步反向控制整个网络的运行。

在物联网应用中有三大关键技术：

1.传感器技术。这也是计算机应用中的关键技术。目前绝大部分计算机处理的都是数字信号。因此就需要传感器把原来的模拟信号转换成计算机能够识别的数字信号。

2.射频识别技术（RFID）。这也是一种传感器技术，它是融合了无线射频技术和嵌入式技术，在自动识别、物品物流管理等方面有着广阔的应用前景。

3.嵌入式系统技术。这是一项综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见。这项技术改变了人们的生产和生活方式，推动着工业尤其是国防的发展。

（二）无线传感器网络技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的传感器以自主和多跳的方式构成的无线网络，相互协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络所有者。无线传感器网络基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系统（System on Chip，SoC）、无线通信和低功耗嵌入式技术并在此基础上不断发展，以其低功耗、低成本、分布式和自主式的特点带来了信息感知的一场变革。

无线传感器网络越来越大众化更重要的一个原因是智能环境的推广与普及。智能环境是指在建筑、公用事业、工业、家庭、船上以及运输系统上实现自动化。它主要依赖于从真实的世界感知的数据。而感官数据来自多个分布在不同位置的不同的形式传感器。正因如此无线传感器网络越来越为人们所接受与应用。

（三）RFID技术

射频识别即RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据的通信技术，其特点是无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID从结构上讲是一种简单的无线系统，只有两个基本器件即一个阅读器和很多应答器组成，该系统用于控制、检测和跟踪物体。其中的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作；而其中的应答器能够传输与回复信息，近些年，由于射频技术发展迅猛，应答器又被叫做了智能标签。RFID技术可以高效地识别高速运动物体以及同时识别多个标签，操作快捷方便。

总体而言，RFID是一项结合系统工程、软件开发和加密解密等为一体的综合技术，目前有许多工程师参与研究和应用RFID技术。近年来，无线射频识别技术已经从默默无闻到主流应用程序。其相关产业链，如制造业也得到了迅速的发展。与较早的条形码技术相比，RFID最大的特点是可以支持远程识别，不再需要直接接触。

三、基于物联网的智慧城市解决方案

这里将智慧城市信息通信系统可以分为三个层次，底层是用来感知收集数据并能根据指令做出智慧响应的感知控制层，第二层是数据传送的网络层，最上层是应用层，分层结构如图1所示。如图，感知控制层位于整个智慧城市的底层，包含感知控制元器件、智慧城市感知控制网关以及元件与网关之间的传感网络。网络层可以分为接入网络和传输网络。应用层包含智慧城市的统一支撑平台以及各种智慧应用中心。

图1　智慧城市分层结构图

（一）感知控制层

感知控制层主要实现对各种事物性质数据的感应、监测、识别、探测、控制等。感知控制层可以完成对任意对象的数据信息采集，并将信息转换为数字或者模拟信号，并以对数据格式进行改变，使之能够适配于各种网络接入技术，最后将数据送入网络接入层。同时，感知控制层接收应用层发来的各种指令和消息，遵照既定程序，通过感知控制器件实现对现实物体或者环境的智慧控制。

感知控制层一般会由传感器网络、网关网桥、智能终端、摄像设备、二维码识别器、RFID识别器等部分组成。感知控制设备与网关间可以采用使用各种通信协议，可以使用专用协议或开放协议，组网可以通过近距离无线通信、有线通信、甚至是光纤来实现。

（二）网络接入层

智慧城市的网络层主要完成所有感知控制网络的接入，可以理解为上下层联通的桥梁，因此可以理解为“服务层”。网络层可以提供安全、可靠、准确、及时的高速数据传送，使得整个智慧城市得以全面的互联互通。通过各种形式的高速率高带宽的通信网络工具，将各种电子设备、组织和政府信息系统中收集和储存的分散信息及数据汇聚起来，进行智慧交互或多方共享。从而更好地对城市中的各种参数进行实时监控，从全局的角度分析所有参数并采取实时控制，使得所有智慧操作可以通过远程操作完成。

目前，网络IP化的趋势越来越明显，随之而来的是网络层所承载的业务发生了巨大的变化。IP数据业务发展非常迅速，特别是宽带、IPTV、视频业务的发展，对网络层提出了新的要求：传送网络需要适应这种海量增长的带宽需求，并可以进行快速灵活的业务调度，完善便捷的网络管理维护。同时，为了适应这些新的需求，必须进行网络的划分，以网段为单位进行小范围控制。

（三）应用层

在整个智慧城市信息通信系统架构中，应用信息系统属于最上层的应用层。在应用层，需要建设智慧城市统一支撑平台，实现各类信息资源之间的关联、整合、协同、互动和智慧服务。所有的智慧服务和应用都部署在统一支撑平台之上。统一支撑平台需要提供分层、开放的体系架构，提供模块化设计，方便各种智慧应用的部署。同时应用层需要屏蔽底层的各种网络的差异，能够适配所有网络参数。

应用层中最核心的技术就是最近正在高速发展的云计算技术。云计算技术提升了智慧服务的处理能力和存储能力。同时，云计算也为智慧服务提供标准接口集和大量的开放接入点供高层服务调用。

四、总　结

我们可以实现智慧生态城市，是因为全球许多国家已经迈入了3I时代，即Instrumented（工具植入化），Interconnected（互联化）和Intelligent（智能化）。而物联网已被确定为中国战略性新兴产业之一，《物联网“十二五”发展规划》的出台，无疑给正在发展的中国物联网又吹来一股强劲的东风，而一系列配套的相关技术作为物联网发展中各方面的关键技术。关于智慧生态城市的研究必将随着物联网的发展而不断完善。

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