环保物联网技术应用研究

0 引言

近年来，随着中国经济的发展，环境污染问题日益严重。随着中共中央的环境保护和生态文明建设是中国经济可持续发展的重要前提。这表明，环境改善和治理已成为国家发展战略的重要组成部分。面对巨大的社会市场需求和环境政策压力，环境监测已成为新物联网技术的主要应用领域。同时，物联网技术是促进环境保护领域自动化、综合、综合、信息化的主要技术来源，对促进中国经济绿色发展具有现实意义[1-5]。

环境监测作为当前生态环境系统保护的重要组成部分，由于现场环境的复杂性和偏远性，在实际工作过程中存在许多问题[6-10]。物联网技术具有远距离、抗干扰、互联互动等优点，可以实现环境监测的准确性，及时发现和解决问题，节约人力资源，促进环境管理过程中的科学监测，为环境智能管理提供新的思路。

1物联网

1.1 物联网的基本概念

物联网最早在麻省理工学院于1999年提出，在这几十年的发展中没有明确的概念定义。直到2012年1月6日，物联网和环保物联网才被业界明确定义。

物联网是指利用低功耗传感器、无线射频技术、无线传输技术等各种传感设备，收集声、光、电、位置等信息，与互联网技术相结合，形成大网络，实现事物识别、定位、跟踪和管理[11-12]。从信息传输的角度来看，物联网的基本特征可以概括为感知、传输和智能。感知是指通过射频技术和智能传感器随时收集和获取被监控物品的位置和工作状态。传输是指通过可靠、稳定的有线或无线通信技术向互联网上传可靠的数据交互。智能是指利用多种智能优化算法对上传的大量信息进行分类，实现智能决策和控制。

环保物联网是物联网技术在环保监测领域的应用，主要应用各种集成物联网芯片的传感器，实时收集环境监测数据、土壤条件、水质和生态信息，建立全面、三维、广泛的监测网络。通过一些高传输速度的技术，将数据上传到监控中心，建立全面、大量的数据库，使环境监测、监督和决策数字化、智能化。这也有利用国家生态文明建设和环境生态防范[12]。

1.2物联网的基本应用架构

目前，我国环保物联网仍处于快速发展阶段，相关物联网应用体系标准尚未完全建立。然而，在应用物联网系统时，物联网通常被转化为四个方面[12]：用户层、感知层、应用层、网络层。使整个系统科学实用。

感知层。该过程主要是通过多样化的感知传感器实现环境污染因素的实时收集、识别和发送。感知层[13]的组成包括由感知器件和传感器组成的传输网络。在环境监测过程中，大量的传感器节点可以分散在监测区域，然后将数据上传到网关，在一定程度上提高环境监测能力。

网络层。这一层主要是将感知层收集的信息传输到数据处理中心，包括通信与互联网的集成网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心。根据感知层的不同业务需求，选择不同的通信方案（CDMA、GPRS、以太网、3G等)进行数据传输，更好地实现人与人、物与人、物与物之间的通信[3]。

应用层。应用层[15]主要是通过大数据云计算平台对感知层传感器采集的数据进行信息计算、处理和深度数据挖掘，然后结合环境监测行业背景，获得监测管理所需的数据分析和变化趋势分析。因此，在监控过程中避免了大量的人力重复性、数据采集效率低、精度差等问题。这也将促进生态无人监管模式的实施，帮助中国经济可持续发展。

用户层。这一层是物联网应用的终端，一般是环保部门和企业污染监测的相关部分。

2 物联网技术在环境保护领域的应用案例

目前，我国环保物联网正处于发展阶段，应用范围不广，但在空气监测、水质监测、垃圾分类回收等方面有一定的应用基础[16]。以下是对这三个方面的典型案例分析。

2.1环保物联网在空气监测中的应用

环保物联网在空气质量监测中的应用主要集中在室内、城市、工厂空气质量监测三个方面。本文将分析每个应用领域的典型应用案例。

2013年Sean Dieter Te bje Kelly[17]基于嵌入式设计Linux和ARM室内空气监测系统处理器。三星的系统S3C2440A作为整个硬件的核心，微处理已经实现LCD、PCF8591、SHT71以及Nrf24l软件驱动01。无线传输功能整体实现，用户难以在室内多点布线，帮助用户减少资源消耗。该方法增加了感知传感器的组网的灵活性，并具有低功耗、稳定性好、成本低等特点。

2018年，李雪莲[18]设计了物联网架构的智能室内空气监测系统。该系统以意大利系列芯片为微处理，以各种空气传感器为外部设备收集室内数据、数据和QQ物联网平台主要是腾讯QQ作为载体，从云端下载数据，方便人们实时查看空气质量。在使用过程中，室内监控系统可以实时收集和预警一些可燃气体，对避免火灾事故具有积极意义，但系统没有实现智能控制，功能不强，不能广泛应用，需要改进。

2019年Swati Dhingra[19]等人设计了相空气监测系统，其中三相为端-边-云系统架构，感知端为高精度气敏传感器，准确测量空气污染因子，Arduino模块为边缘处理模块，处理后收集到的环境数据通过无线处理WI-FI该模块上传到云服务器，通过手机应用程序向用户显示分析结果。该方法解决了空气监测系统精度低、灵敏度差、数据处理不及时的问题，在一定程度上实现了空气质量预测。

2015年，绍兴[20]利用物联网采集、云计算和数据处理技术对工业废气进行了深入研究，设计了一套废气监测系统。该方案将大量传感器阻性Zigbee无线通信网络，数据上传到节点网关，监测各种环境污染因素；云平台利用大量数据和人工智能算法进行危险预警，为工业废气排放提供决策数据支持。

2.2 物联网技术在水资源监测中的应用

由于水质监测是环境保护的重要组成部分，物联网技术在水质监测中的应用相对成熟。许多国内外专业人士设计并实现了许多智能水质信息采集系统，克服了布线复杂、传输距离短、传输不稳定、数据精度低、实时性差等缺点[21]。

Baojie Ji,Shao long Ji,Chunhui Zhang[22]等设计了基于无线网络的水质监控系统，感知端的传感器采集完数据并上传到中心基站，在通过GPRS模块发送给用户端。该监控系统脱离有限的监控设备，采用无线数传输方式，有效解决现场布线问题，实现全天候水质监控。

胡晓波，宋良图[23]等待传统的水质监测ZigBee无线技术和ARM结合技术，实现了两种技术的互补优势。该系统使水质采集过程更加信息化和智能化。

陈娜娜，周益明[24]等等，渔业养殖水质实时监测系统的设计ZigBee和GPRS无线通信技术应用于渔业养殖，通过无线通信技术实时监控水产环境，提高水产生活水质，最大限度地提高水产效率。同时，在设计中实现网络传输的低功耗，提高传输网络协议，提高传输数据的稳定性。

在传统的水质监测系统技术中，胡诣嵩[25]加入了上位机软件JavaNIO该技术改进了信息服务端的界面设计。同时提出了先进的通信算法，提高了水质采集的传输速率。

张慧，贾宝良，罗熠[26]等人利用意法半导体的低功耗处理器来设计水质数据采集系统，该系统利用STM32作为中央处理单元来对传感器采集到的的数据进行存储和分类，数据在通过网关通过互联网上传云端，解决了目前人工采集慢、信息化程度低的缺点，也为水质评价提供了数据支撑。

Nasser,Nidal,Asmaa,Karim [27]用了Web技术和云计算技术设计了一套水质信息监控系统，该系统基本实现了智能化，用户可以根据自身需求来随时查看水质信息，不仅如此用还可以根据现场情况来控制相关电磁阀的工作，大大提高了水质监测效率。

Mo Deqing,Zhao Ying,Chen Shangsong[28]用GSM网络技术设计了一套自动测量和报告系统，该系统由多个水质检测传感器，中央处理器，电脑服务端中心等模块组成。在MCU微控制器的驱动下，实现了低功耗来处理全天监测多种水质参数，将数据处理分析后，最后通过GSM网络以SMS通信协议发送电脑服务端。该设计方案让水质采集的过程更加信息化、智能化和自动化。

2.3 物联网技术在垃圾分类中的应用

垃圾分类也是环保物联网应用热点方向，传统的垃圾分类阻碍国家环保进程的推进。近年来，北京、上海的等多个城市已经开始试点垃圾回收，也取得了良好的效果，也推动垃圾处理过程的信息化、自动化。

胡文帅[29]设计一个基于物联网的智能垃圾桶，该系统由垃圾识别模块、自动翻盖模块、垃圾存储箱模块、电源模块、传感器模块等模块组成，采用近距离蓝牙技术传输，实现了自动行走、自动识别、自动分类的、桶内温度检测与报警的功能，推动了环保节能的要求，符合当前用户的需求。

李秀丽[30]设计了一种基于物联网城市垃圾分类系统，该系统通过ZigBee射频技术来实时监测垃圾容量，并进行组网、入网、数据上传，网关中心处理单元根据上传的信息来进行垃圾车的调度问题，并通过实时北斗卫星来监测车辆信息，以便垃圾车最大的工作效率。

 

4 环保物联网在环境保护中面临的问题

4.1 关键技术制约环保物联网的发展

在环保物联网中感知层、网络层、应用层三个层次方面都需要相关关键技术的突破。如感知层的传感器的灵敏度以及准确度都有可能采集到的错误的数据，造成整个系统数据传输错误；网络层数据传输速率的问题直接影响采集节点和网关布置的数量和位置；应用层中存在多种通信协议、多种运营商并存的问题，导致环境监测信息不能实时显示、多个系统信息协同能力差。

4.2 感知设备种类繁多，数据多源异构导致建设难度大[31-45]

环保物联网系统应用在环境复杂、情况多变的场景下，并且要采集各种污染物多种信息的感知，因此，要将多种污染因子、位置等感知设备相结合来实现全面感知的效果。同时，各种感知传感器采用的通信方式不同，数据传输结构、标准不一致，这样便带来了多远异构、感知传感器种类多样的问题，阻碍环保物联网的应用场合。而信息多样性、全面性确是环保物联网所必须拥有的功能，因此要在物联网建设中要进行各种传感通讯协议的整合为统一形式，并将人工智能、云计算等算法来整合到现有的物联网传输体系中，打造一个全天候、多层次、智能化的环境监控系统。

4.3 应用与产业化问题

目前环保物联网的应用范围小，未形成成熟的商业模式和不能实现采集信息的实时共享。产业链之间的配合能力差、建设成本高、复杂度高，这就导致产业链中成本费用高[40-45]。最后就是上中下游产业链，企业规模小、分散、集成度低。这就需要在物联网建设中，充分调动企业的积极性，做到能为节约产能相关联，提供准确的排污信息，来促使企业自觉整改和建设。国家有关部门也要积极整合芯片开发商、感知传感器商、系统方案商来进行融合，形成一条无壁垒的产业链，共同推进环境保护物联网的健康发展。

 

5 环保物联网的发展趋势

目前我国环保物联网技术正飞速发展，克服了传统环保监测的障碍，节约出大量的人力、物力成本，保证了监测的持续性和稳定性，实现了国家监测数据的监测精度和准确度。但是也面临了较多的问题如监控因子少、监测过程中不能完全脱离人、没有统一的监控平台，故下面将介绍未来环保物联网的发展趋势。

5.1 建立环保物联网多污染因子自动监控模式

随着《环境保税法》的实施，环境监测因子不在局限于常规的水质监测，也要将大气环境、固体废物污染源也要纳入监测系统中。这就需要环保物联网不断进行监测数据监测和完善，并支持污染源设备的远程反控，用整体化、系统化、全方位自动监测来代替单一的监测模式。

建立架构科学化、配置合理、监测准确以及自动无人监测系统，围绕这监控设备监测污染物种类，进行监测数据自动上传、汇总和公告，为违法排污企业提供数据证据，也为减排管理、节能、重金属和危废的管理提供全面和精确的数据来促使管理过程形成闭环管理。

5.2 建立统一平台的环保监测平台，深化数据综合评价[46-50]

伴随着环保物联网技术的兴起，环境监测设备突破了传统的局限性，可以安装的环境场合也越来越多。但这个过程是无人值守的，不可避免的影响监测精度和有效性。因此环保物联网的发展趋势就是克服目前缺陷，弥补当前的不足，增加监测因子的多样化，并将这些因子进行集成化。建立全地区的统一平台的环保物联网平台，将多种监测因子集成到统一平台，实现水质质量、空气污染、固体污染源等应急业务的共同监测和预警。除外统一的平台可以大量数据进行审核、自动报警以及深层次的数据挖掘，对整个区域的环境进行综合评价。这将促进国家环境立体化的建设，推动环境监测网格化有着重要意义。