环保物联网技术应用研究综述

0 引言

近年来我国经济的告诉发展，其中环境污染的问题也日益严重。随着党中央在多次报告中之处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经成为国家发展战略层面中的重要一环。面对巨大的社会市场需求以及环境政策的压力，环境监测成为了新型物联网技术的应用主要领域。同时，物联网技术是推动环保领域自动化、全面化、综合化以及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工作的重要一部分，由于实际现场环境的复杂性、偏僻性等问题，在实际工作过程中存在较多问题[6-10]。而物联网技术具有远距离性、抗干扰性、互联互动等优点，可以实现环境监测的精确性，及时发现问题、解决问题，从而在环境管理过程中节约人力资源、促进科学监测，也为环境智能化管理提供了新的思路。

1物联网

1.1 物联网基本概念

物联网最早在麻省理工学院于1999年提出，在这发展的几十年内一直没有明确的概念定义。一直到2012年1月6日，业界才明确给出了物联网和环保物联网的定义。

物联网是指利用各种传感设备，如低功耗传感器、无线射频技术、无线透传技术，采集声、光、电、位置等一切需要的信息，在与互联网技术结合，形成一个大的网络，实现对事物的识别、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概括为感知性、传送性和智能性。感知性，指通过射频技术、智能传感器等来随时采集和获取被监测物品的位置、工作状态。传送性，指将全面感知的物品信息通过可靠、稳定有线或无线通信技术上传至互联网，进行可靠的数据交互。智能性，指将上传的大量信息，利用多种智能优化算法，对数据进行分类处理，来实现智能化决策和控制。

环保物联网就是物联网技术在环保监测领域的应用，其中主要是通过应用各种集成了物联网芯片的传感器，实时采集环境监测数据、土壤状况、水质以及生态等信息，来构建一个全方位、立体、覆盖面广的监测网络。在通过一些高传输速率的技术，将数据上传到监控中心来建立一个综合化、海量的数据库，从而使环境监测、监督以及决策数字化、智能化。这也有利用国家生态文明的建设和环境生态防范[12]。

1.2物联网的基本应用架构

目前我国的环保物联网还处于飞速发展阶段，相关的物联网应用体系标准还没有完全建立。但在实现应用物联网系统时，一般将物联网化为四个方面[12]：用户层、感知层、应用层、网络层。来整个整个系统的科学性和实用性。

感知层。这一过程主要是通过多样化的感知传感器来实现对环境污染因子的实时采集、识别和发送。感知层[13]的组成包括感知器件以及感应器组成的传输网络。在环境监测过程中，可以将大量的传感器节点散布在监测区域，然后把数据上传至网关，在一定程度上提升环境监测能力。

网络层。这一层面主要是将感知层采集的信息传送到数据处理中心，网络层[14]包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。根据感知层的业务不同的需要，选择不同的通讯方案（CDMA、GPRS、以太网、3G等）来进行数据传输，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]主要是对感知层传感器采集的数据，通过大数据云计算平台进行信息计算、处理和深度数据挖掘，再和环境监测行业背景进行结合，继而获得监测管理工作中所需要的数据分析、变化趋势分析。从而在监测过程避免了大量人力重复性以及采集数据的效率低、精确性差等问题。这也将推动生态无人监管模式实施，助力我国经济可持续发展发展。

用户层。这一层面是物联网应用中终端，一般是环保部门和企业污染监控的相关部分。

2 物联网技术在环保领域的应用案例

目前，我国环保物联网处于发展阶段，应用范围不是很广，但在空气监测、水质监测、垃圾分类回收有一定的应用基础[16]。下面将对这三个方面进行典型案例分析。

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应用主要是在室内、城市、工厂空气质量监测等三个方面，下面本文将对每个应用领域进行典型应用案例分析。

2013年Sean Dieter Te bje Kelly[17]设计一种基于嵌入式Linux和ARM处理器的室内空气监测系统。该系统由三星的S3C2440A微处理作为整个硬件的核心，实现了LCD、PCF8591、SHT71以及Nrf24l01的软件驱动。整体实现了无线传输功能，用户在室内进行多点布线的困难，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，该系统是以意法系列芯片为微处理，以各种空气传感器为外设来采集室内数据，采集到的数据与QQ物联网平台进行信息交互，其中主要是以腾讯QQ为载体，从云端来下载数据，方便人们实时来查看空气质量状况。在使用过程中，此室内监测系统可以对一些可燃性气体进行实时数据采集和预警功能，对避免火灾事故有着积极意义，但是系统没有实现智能控制，功能性不强，不能大范围应用，需要进步改进。

2019年Swati Dhingra[19]等人设计一种三相空气监测系统，其中三相为“端-边-云”的系统架构，感知端为高精度气敏传感器来精确测得空气污染因子，Arduino模块为边缘处理模块，将采集到的环境数据经处理后通过无线WI-FI模块上传到云服务器，服务器在将分析结果通过手机应用展示给用户。此方法解决了当前市场上空气监测系统精度低、灵敏度差、数据处理不及时的问题，并在一定程度上实现空气质量的预测。

2015年绍星[20]等利用物联网的采集、云计算以及数据处理技术来对工业废气进入比较深入的研究，从而设计了一套废气监测系统。该方案将大量的传感器阻性Zigbee无线通信组网，并将数据上传至节点网关，实现了对多种环境污染因子的监测；云平台利用海量数据和人工智能算法来进行危险预警，为工业废气排放提供了决策数据支撑。

2.2 物联网技术在水资源监测中的应用

由于水质监测在环保是比较重要一部分，因此物联网技术在水质监测方面运用较成熟。国内外很多专业人士设计并实现了很多智能的水质信息采集系统，这些系统克服了布线复杂、传输距离短、传输不稳定、数据精度低、实时性较差等缺点[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。该套监控系统脱离了有限监测设备，采用无线数传输方式，有效解决现场布线的难题和实现全天候监测水质。

胡晓波、宋良图[23]等在水质监控中将传统的ZigBee无线技术和ARM技术进行结合，实现了两种技术的优点互补。这套系统让水质采集的过程更加信息化和智能化。

陈娜娜、周益明[24]等，设计的渔业养殖水质实时监控系统把传统的ZigBee和GPRS无线通信技术运用到渔业养殖中，通过无线通信技术来实时监控水产环境，来进行改善水产生活水质，从而将水产效益达到最大户，同时他们也在设计中实现网络传输的低功耗、改进传输网络协议，增加传输数据的稳定性。

胡诣嵩[25]在传统的水质监测系统的技术，在上位机软件中加入JavaNIO技术，改善了信息服务端的界面设计。与此同时还提出一套先进的通信算法，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。