物联网在环境监测中的应用基础

7.5　环境监测

7.5.1　物联网在环境监测中的应用基础

1.物联网环境监测的定义

物联网环境监测应用是指通过运用各种物联网技术，能够对影响环境质量因素的代表值进行实时在线测定，确定环境质量（或污染程度）及其变化趋势，预警和管控环境质量。物联网环境监测应用主要分为生态环境监测和污染监测，其中生态环境监测又可进一步细分为大气质量监测、地表水质监测、土壤墒情监测以及近岸海域水质监测等；污染监测则可细分为废气污染源监测、废水污染源监测以及固体废物在线监管等。

2.物联网环境监测的特点

由于环境监测具有监测范围广阔、采样点位众多、采样频率高、监测手段多样、测定灵敏度要求高等特点，因此，传统监测方法耗费大量资源所获得的监测数据往往存在样本量和样本类型偏少、数据实效性弱、数据精度差等诸多问题。物联网新型传感及感知节点技术、感知节点组网与网络通信技术、数据融合及智能应用等技术能够在极为广阔的空间内，通过密布各种类型的感知节点，连续、实时采集并测定监测对象，通过多种通信方式快速反馈至数据处理平台，在对数据进行汇总、分析、发布的同时，系统自动反馈相应的环境预防或防治方案，从而将环境污染问题由事后监管转向事先预防。环境监测领域能够充分发挥物联网技术的优势，全国环境监测信息化建设早已成为物联网行业应用的雏形。

3.物联网在我国环境监测中的应用历程

我国环境保护部从1997年开始进行环境在线监控系统的起步试验，从1999年开始第一次在全国范围内推广环境在线监控系统，2008年第二次在全国31个省／自治区／直辖市、6个督查中心和333个地级市部署国控污染源在线监控系统。截止2009年初，在生态环境监测领域，全国范围内实现环境空气监测点位数3 793个、地表水质监测断面数9 635个、近岸海域监测点位1 203个，饮用水源地水质监测的城市1 021个，已实现全国120个重点城市空气质量监测日报联网和国家地表水水质自动监测实时数据发布系统；在污染监测领域，开展污染源监督性监测的重点企业数49 391个，已实施污染源自动监控企业总数8 405个，实施自动监控国家重点监控企业4.218个。相对于其他行业应用来看，物联网环境监测应用已经走在了其他物联网行业应用的前列，成为物联网技术与行业应用有机结合的示范性代表。虽然多年来，全国环境监测信息化建设成果已经在某个层面上（如感知层）或某种程度上实现了物联网的相关功能，但总体来说，环境监测信息化建设仍处于物联网环境监测应用的初级发展阶段，存在传感器功能单一、测定精度和可靠性不高、网络传输技术相对落后、数据利用率不高、智能应用缺乏等问题，物联网环境监测应用的智能化水平有待进一步提高。

2009年国家环保部颁布的《先进的环境监测预警体系建设纲要（2010—2020）》提出“到2020年，全面改善我国环境监测网络、技术装备、人才队伍等方面薄弱的状况，全面实现环境监测管理和技术体系的定位、转型和发展”；中央财政也长期设立多项环境监测与污染防治专项资金，从资金层面上切实落实环境监测与污染防治工作的具体落实。国家政策与资金的大力支持，成为环境监测行业快速发展的巨大推动力量。2010年，随着各种环境监测资金的到位以及全国范围内物联网环境应用示范工程的广泛建设，我国物联网环境监测应用市场（不包含电磁辐射、放射性、声、光及卫生监测系统市场）获得了快速的增长，全年实现销售环境监测系统2 980万套（台），同比大幅度增长85.8%；年销售额12 8亿元，同比增长93.8%，物联网环境监测应用市场正在国家政策和市场应用的强力驱动下迅速发展。

从物联网环境监测应用的具体细分领域来看，污染监测系统是物联网环境监测应用市场的主力，2010年市场销售额达7.2亿元，占市场总额的56%，其中废水和废气污染源监测系统市场发展相对比较成熟，市场份额较大，而固体废物在线监管系统兴起较晚，市场仍处于成长阶段。生态环境监测系统市场销售额为4.5亿元，占市场总额的35%，其中大气质量监测系统、地表水质监测系统等市场快速发展，土壤墒情、近岸海域水质监测等市场也正处于快速成长阶段，市场份额相对较小。

7.5.2　物联网在环境监测中的主要应用

1.物联网在环境监测中的主要应用领域

物联网可以广泛地应用于环境质量检测、污染源监控、应急指挥等领域，如图7.59所示，包括控制质量检测、地表水检测、环境噪声检测、远程图像监控、污染源在线监控、环保设施状态监控、环境应急指挥预案、执法车辆指挥调度等监测项目。从目前国内环保物联网的建设情况来看，其作用主要表现为：

①加强对重点污染源监管。

②加强环境监管、提高环境保护执行力。

③全面掌握污染源信息，实时监控企业环境违法行为。

④建立环境安全危机应急体系。

⑤环保部门能面向公众，服务社会。

图7.59　物联网在环保监测中的应用领域

2.物联网环境监测的体系结构及组网方案

物联网环境监测系统从结构上分，可以分为三层结构，如图7.60所示。首先是感知层，主要是污染治理设施（污染源）现场端的感知，包括现代化的传感器、分析仪、智能仪表等。其次是通信层，通信层的主要作用是实现感知层数据的传输，主要包括两种数据传输方式，有线传输和无线传输。最后是数据应用层，数据应用层有两方面的含义，一方面是通过数据分析，得出相关的结论支持环保管理决策；另一方面是通过远程控制来优化环保治理设计的工艺运行条件。

图7.60　物联网在环保监测的体系结构

物联网环境监测的组网方案如图7.61所示，可以通过无线传感器网络构建感知层，通过环保专网、3G移动网络构建传输层。

3.物联网环境监测的应用案例

（1）大气质量监测

物联网技术可以广泛应用于大气环境监测，可以在所需监测大气环境质量的区域布设大量大气环境监测无线传感器网络，构成大气环境无线监测系统。通过微型传感器可以连续、自动采集大气的温度、气压、可吸入颗粒物、CO2、SO2或其他需要监测的气体含量等参数。

图7.61　物联网在环保监测的组网方案

对大气质量的监测一般可采用固定在线监测、流动采样监测等方式，可在污染源安装固定在线监测仪表，在监控范围内按网络形式布置有毒、有害气体传感器，人群密集或敏感地区布置相应的传感器。这些传感器遵循统一的通信和传输标准，主要功能：对各类大气质量指标的采集，再利用数据挖掘技术，可实现对空气质量级别自动判定；能作出趋势分析和质量状况统计，与同期对比，快速了解环保治理状况；自动生成和发布空气质量日报；对污染负荷比及空气质量状况排序、对比，从而进行综合评价；开展空气质量预警、预报，增加公众服务能力。

（2）水质监测

应用物联网技术，可以实现水质的实时连续监测和远程监控，及时掌握主要流域重点断面水体的水质状况，预警预报重大或流域性水质污染事故，解决跨行政区域的水污染事故纠纷，监督总量控制制度落实情况。

水质监测包含饮用水源监测和水质污染监测两种。饮用水源监测是在水源地布置各种传感器、视频监视等传感设备，将水源地基本情况、企业水质的PH值等指标实时传送至监控中心，实现实时监测和预警。而水质污染监测是在各企业污水排放口安装水质自动分析仪表和视频监控，对排污企业排放的污水中的BOD、COD、氨氮、流量等进行实时监控，并将数据同步更新到排污单位、中央控制中心、环境执法人员的终端上，以便有效防止过度排放或重大污染事故的发生。

以太湖为例，多年来深受“富营养化”的困扰。为了及时获得太湖水质的第一手资料，2009年无锡首度运用物联网新技术在太湖大范围布放传感器，通过无线传输方式24小时在线监测太湖水的各项变化。截至2009年年底，五里湖、梅梁湖、贡湖和宜兴沿岸等水域已相继投放设立了86个固定式、浮标式水质自动监测站，覆盖饮用水源地、主要出入湖河道、太湖湖体和重点监控水域，总投资1 8亿元。这些监测站不仅为太湖治理提供了有力的数据支撑，而且有效搭建了一个水质监测预警平台，顺利帮助太湖安全度夏。

（3）生物生态环境监测

2002年，英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况，如图7.62所示。位于缅因州海岸的大鸭岛环境恶劣，岛上的海燕又十分机警，研究人员无法采用常规方法进行跟踪观察。为此他们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型及数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据传输到百米外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。之后，全球的研究人员都可以通过互联网察看该地区各个节点的数据，掌握第一手的环境资料，为生态环境研究者提供了一个极为便利的平台。

图7.62　大鸭岛生态环境监测系统

2005年，澳大利亚的科学家利用无线传感器网络来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况，如图7.63所示。由于蟾蜍的叫声响亮而独特，因此利用声音作为检测特征非常有效。科研人员将采集到的信号在节点上就地处理，然后将处理后的少量结果数据发回给控制中心。通过统计分析，就可以大致了解蟾蜍的分布、栖息情况。

图7.63　北澳大利亚的蟾蜍的分布情况

2012年，我国黄山风景区利用物联网技术，实现了景区保护管理和迎客松生态环境监测，如图7.64所示。通过布设在景区周边的物联网设备，指挥中心可实时获取迎客松松实现微细化保护管理。

图7.64　黄山迎客松物联网生态环境监控系统

周边环境的温度、湿度、土壤的水分、土壤的温度、光照等数据，从而对迎客（4）防灾减灾监测与预警

如图7.65所示，利用物联网技术，在山区中泥石流、滑坡等自然灾害容易发生的地方布设监测节点，这些节点按自组织方式形成无线传感器网络，可以定时或测量值超过预定值范围时，自动将山体、边坡的数据由汇聚节点回送，然后通过卫星通信信道发送到控制中心。控制中心可以实时掌握山体与边坡的状态信息，可提前发出预警，以便做好准备，采取相应措施，防止进一步恶性事故的发生。

图7.65　物联网防灾减灾监测与预警系统

技能练习

参观查看一个物联网应用系统，并画图说明构成及功能。

本章小结

应用是物联网存在的理由。发展物联网技术就是要使信息技术与各个行业、多个学科更进一步地紧密结合、相互渗透、深度融合，达到促进生产力发展、提高人们生活质量、改善生态环境、支持经济与社会可持续发展的目的。

本章主要介绍了物联网在各个领域的应用情况，其内容包括：

（1）智能电网的定义、特征及发展历程，物联网应用于智能电网中的主要形式、作用。

（2）智能交通的定义、系统构成及技术构成，物联网应用于智能交通中的主要形式、作用。

（3）我国现代物流发展的基础，物联网应用于智能物流中的主要形式、作用。

（4）智能家居的定义、功能、发展历程、主要企业，物联网智能家居的体系结构及典型系统。

（5）我国物联网环境监测的发展历程，物联网应用于环境监测中的主要形式、作用。

通过本章的学习，能够熟悉物联网在智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、环境监测中的应用形式及作用，为进一步了解物联网的发展动力、发展趋势奠定基础。

自测题

简答题

1.简述智能电网的定义，并说明其主要特征。

2.举例说明物联网在智能电网中有哪些具体的应用？

3.简述智能交通的定义，并说明其系统结构和技术构成。

4.举例说明物联网在智能交通中有哪些具体的应用？

5.简述现代物流的概念、特点及发展趋势。

6.简述智能物流需要哪些支撑技术？

7.举例说明物联网在智能物流中有哪些具体的应用。

8.简述智能家居的定义、功能及发展历程。

9.国内主要有哪些智能家居企业？

10.请查阅有关智能家居企业的典型产品，并制作一份宣传报告。

11.简述物联网在我国环境监测方面的应用概况。

12.举例说明物联网在环境监测中有哪些具体的应用？