概述
隨著現代社會經濟的高速發展，人類面臨的環境形勢也日益嚴峻。大氣污染、水污染、噪聲污染、電磁輻射污染、森林植被破壞以及土壤沙化等問題日趨嚴重，威脅著居民的健康、破壞著城市生態環境，嚴重制約著生態平衡及社會的可持續發展。調查發現，目前我國環境保護領域的信息化程度仍偏低，遠不能適應我國環境保護工作發展的需要，同時各個地方環保系統業務不溝通造成數據不共享、服務不開放，造成基礎設施的重復建設，總體投資巨大。因此促進環境保護向自動化、智能化、網絡化方向發展將是未來環境保護工作的重點，環保信息化勢在必行。
近年來，物聯網的發展受到廣泛關注。物聯網(InternetofThings，IOT)概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出，目前業界并沒有明確統一的定義。早期的物聯網是指依托射頻識別(RFID)技術的物流網絡，隨著技術和應用的發展，物聯網的內涵已經發生了較大變化。現階段，物聯網是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執行能力的各種信息傳感設備，通過網絡設施實現信息傳輸、協同和處理，從而實現廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換需求的互聯。物聯網依托傳感器、傳感器網絡技術、射頻識別技術、通信網與互聯網技術、智能運算技術等，實現全面感知、可靠傳遞、智能處理。物聯網的應用領域相當廣泛，包括公共安全、環境保護、智能家居、工業自動化控制、健康監控、精細農業、智能交通、智能物流等。經過過去幾年的技術和市場的培育，物聯網的發展即將進入高速發展期，將為各行各業的發展帶來巨大的發展機遇。環境保護是物聯網技術應用最早也是最為成熟的領域,將物聯網應用于環境保護領域可以有效整合通信基礎設施資源和環保基礎設施資源，使通信基礎設施資源服務于環保行業業務系統運營，提高環保行業業務系統信息化水平，提高環保行業業務系統基礎設施的利用率。可以說物聯網應用于環境保護領域是信息通信技術發展到一定階段的必然結果，也是環保領域信息化的必然趨勢。
1 面向環境保護的物聯網發展概況
1.1 面向環境保護的物聯網網絡結構及技術發展
現狀
面向環境保護的物聯網結構如圖1所示。應用于環境保護的物聯網主要由感知層、網絡層、應用層三大部分組成。其中感知層通過傳感器、智能卡、RFID電子標簽、識別碼、攝像頭等感知設備實現物體識別和環境指標、事故應急等信息的捕獲、采集，以達到智能感知的目的；網絡層利用無線網、移動網、固網、互聯網、廣電網等傳輸網絡實現感知層采集信息的傳輸；應用層，主要包括面向環境保護的特定應用服務以及實現網絡層和應用服務間接口和能力調用功能的中間件，完成信息的分析處理和決策，實現特定環境監測的智能化應用和服務任務，以實現環境監測信息的識別、感知、分析和預測，發揮智能作用。
圖1 面向環境保護的物聯網網絡結構圖
面向環境保護的物聯網作為物聯網在環境保護這一特定領域的應用，其技術發展與傳統的物聯網既有共同之處也有其特殊之處。按照上述面向環境保護物聯網的三層網絡結構，其技術發展也可從感知、傳輸、處理三個環節進行闡述。
1) 感知環節：利用傳感器、多跳自組織傳感器網絡以及其他傳統信息采集裝置，協作地感知、采集所覆蓋區域中的環境監測信息。主要包括數據采集、處理技術以及傳感器的部署、自組織組網和協同等技術，以傳感器等采集感知技術、RFID識別技術以及無線傳感器網絡技術為代表。
2) 傳輸環節：通過不同的接入方式將感知環節的傳感器、傳感器網絡和其他信息采集裝置獲取的數據接入到基礎架構統一的傳輸網絡中。由于涉及到的感知端裝置各異且數量巨大，因此需要利用異構的網絡接入技術和基礎核心網絡技術，包括基礎NGN核心網和FTTH、3G、WiFi、藍牙、Zigbee、UWB等接入技術。
3) 處理環節：此環節面對眾多的數據來源和龐大的數據量，一方面需要具有極強的數據處理能力和分發能力；另一方面需要結合特定流程和規則進行數據分析和利用。因此，將會利用數據的計算處理分析和信息分發平臺技術，其中以云計算和P2P技術為代表。
1.2 面向環境保護的物聯網應用及產業化現狀
全球面向環境保護的物聯網發展還處于初級階段，但已具備較好的基礎。國內外已經有了眾多面向環境保護的物聯網應用案例，在污染防治、生態保護等領域發揮著巨大作用，如美國部署的用于實時監測城市環境污染數據的“CitySense”監測系統和用于監測大鴨島海鳥棲息情況的生態監測系統、澳大利亞用于監測蟾蜍分布情況的生態監測系統、我國在無錫部署的太湖水環境監測示范工程等。隨著國內外物聯網在環境保護領域的大量應用，其各項技術也逐步趨向成熟，同時大量技術的成熟和產品的應用也為面向環境保護的物聯網產業的發展奠定了良好的基礎。
從總體上看，國外發達國家如歐美日韓等國面向環境保護物聯網的發展代表了國際先進水平，其產業鏈已經初步形成，產業鏈各環節的分工較為清晰，以全球領先的跨國企業為核心，帶動其產業鏈能力的總體提升，各產業環節初步形成了產業的相關能力。另外，由于全球運營商尋求新的增長驅動，將物聯網作為新的發展契機，同時新興的服務商也積極推動物聯網的產業發展，因此環境與安全監測物聯網作為整個物聯網產業的重要部分，其產業鏈的發展也得到了強有力的推進。
總體而言，我國面向環境保護的物聯網產業環境建設正處于起步階段。產業鏈面臨著企業分散、規模小、技術能力薄弱等不利因素，全國知名研究機構和物聯網行業內的產、學、研機構正在積極推進面向環境保護的物聯網產業環境的發展。在面向環境保護的物聯網產業鏈的各環節中，終端側及應用側技術環節較為薄弱，技術標準緊跟國際步伐并有一定的影響力，國內通信模塊廠商發展較為成熟，中間件、軟硬件集成、應用開發劃分尚不清晰。現有國內面向環境保護的物聯網產業鏈各環節合作模式比較單一，主要集中于產業聯盟，運營商是產業鏈的主導力量，扮演集成商和服務商角色，通過產品和服務購買的形式向產業鏈下游滲透。
1.3 面向環境保護的物聯網發展面臨的問題及對策
1.3.1 關鍵技術有待突破
由于面向環境保護的物聯網應用場景的特殊性，其發展中仍面臨一些關鍵技術的挑戰，如復雜環境下傳感器組網技術、能耗問題、傳感器節點部署模式及策略、安全隱私問題等等，這些關鍵技術的解決是面向環境保護的物聯網大規模推廣應用的必要條件，因此努力完善面向環境保護的物聯網技術體系，突破面向環境保護的物聯網應用中的關鍵技術是目前亟待解決的問題。
1.3.2 標準體系尚未統一
目前，面向環境保護的物聯網標準無論是在國際或國內均處于初級階段，尚未系統化。面向環境保護的物聯網包括感知、網絡、應用三個層面，每一個層面都會涉及到一些標準化組織，目前已經成立了很多標準化組織，而國際各標準組織之間對面向環境保護的物聯網的研究也缺乏統一的協作，同時缺乏權威以及可遵循的標準。每個國際標準組織的研究都是針對某一方面或自己擅長的部分進行研究，國內對于面向環境保護的物聯網的研究也很零散，沒有系統的端到端的規劃。而由于缺乏統一標準，面向環境變化的物聯網應用和產業規模也都受到很大影響。因此，面對各行業間的技術和應用差異，如何做到標準的大統一，這是目前面臨的較大問題。未來面向環境變化的物聯網標準化問題需要在政府統一領導下，由相關部門牽頭，協調其他部門共同制定和統一面向環境保護的物聯網的相關標準和規范，打破行業壁壘，跨行業、部門，在標準化組織之間形成標準體系，只有這樣才能促進面向環境保護的物聯網的健康發展。
1.3.3 應用與產業化問題
現階段面向環境保護的物聯網應用規模領域較小，一方面形成不了成熟的商業模式，另一方面也不利于市場的培育，因此未來要選擇重點領域和重點工程，積極引導面向環境保護的物聯網行業示范應用，擴大應用規模，積累技術發展、產業應用、經營管理、政策實施等方面的經驗。同時，目前我國面向環境保護的物聯網產業鏈尚未成熟，仍然面臨著巨大挑戰。首先，是產業鏈各環節尚未形成共贏商業模式，各環節之間協同能力較差；其次，是產業鏈環節較長，復雜度高，導致整體成本很難降低；最后，產業鏈各環節企業相對分散，規模小，尤其是服務環節。因此，面向環境保護的物聯網未來發展需要產業鏈的共同努力，只有在芯片商、傳感設備商、系統解決方案廠商、移動運營商等上下游廠商的通力配合下才能實現上下游的聯動，從而帶動整個產業鏈，共同推動面向環境保護的物聯網的發展。
2 面向環境保護的物聯網前景分析
2.1 面向環境保護的物聯網技術發展方向
隨著我國物聯網在環保領域應用的不斷推廣，應用中遇到的問題也愈發錯綜復雜，這對面向環境保護的物聯網提出更高的技術要求。
在面向環境保護的物聯網感知層，作為感知層獲取環境信息的重要手段，傳感器應該具備精確感知熱、力、光、電、聲、位移等多種信號的能力，為網絡系統的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。同時，作為物聯網在環境保護領域的特殊應用，傳感器應該滿足在大范圍無人值守環境大規模部署的要求，同時應能適應各種惡劣的應用環境，因此，要求傳統的傳感器逐步實現微型化、低成本、低能耗、智能化、信息化、網絡化，經歷一個從傳統傳感器(dumbsensor)→智能傳感器(smartsensor)→嵌入式Web傳感器(embeddedwebsensor)的內涵不斷豐富的發展過程。新材料、MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems微機電系統)、微型化傳感器、智能處理和存儲信息的智能化傳感器和多功能傳感器等領域必將會成為未來研究的熱點問題。對RFID技術的研究今后將重點放在RFID的反碰撞沖突問題、RFID天線研究、工作頻率的選擇以及安全與隱私問題上。在感知層網絡方面，無線傳感器網絡將成為主流，同時嵌入式芯片和軟件、近距離無線通信芯片和新型電池技術等也會是未來面向環境保護的物聯網研究的重點。
在面向環境保護的物聯網網絡層，隨著3G網絡的大規模部署，3G及LTE無線接入技術將能提供高吞吐量的傳輸能力，將進一步促進面向環境保護的物聯網應用的普及。與此同時，電信網絡的接入層和網絡架構也將面臨改進和優化問題，電信網絡未來需要針對面向環境保護的物聯網的低移動性、低數據量、高可靠性、海量容量進行優化，包括適應面向環境保護的物聯網業務模型的無線接入技術、核心網優化技術，包括鑒權、計費、網絡管理、移動性管理等技術，包括適用于傳感器節點的短距離通信技術，自組織組網技術以及異構網絡的融合技術和協同技術等。
在面向環境保護的物聯網應用層，高效處理海量數據的技術和科學模型將會出現并將大規模應用。面向環境保護的物聯網中每時每刻都在產生大量的數據，這其中既有對決策有很大貢獻的數據，也有幫助較小的數據，還有噪聲數據，對如此海量數據的處理，需要有超級計算能力，并且在科學模型的指導下，才能高效地發現有用的決策信息，并智能地處理。由于云計算的應用包含了“把力量聯合起來，給其中的每一個成員使用”的思想[8-9]，讓人們能夠調用全網絡資源，預計將在面向環境保護的物聯網中大規模地使用。
在聯網的共性技術方面，未來將主要研究網絡虛擬化技術、資源管理、QoS技術、分布式信息處理和分布式資源管理技術、內容聚合技術、網絡管理技術、設備管理技術和多種無線技術的使用帶來的干擾等共性支撐技術，同時，還將重點研究頻譜資源協調，認知無線電、動態頻譜管理技術等。另外，隨著面向環境保護的物聯網應用的普及，安全和隱私問題在面向環境保護的物聯網領域將會更加凸顯。因此，其總體安全需求的確定、安全架構的設計、如何建立基于普適異構環境下的可信物聯網絡的安全機制以保證物聯網構件多層面相互間協同運作的整體安全性和可靠性、安全接入控制系統設計、基于可信平臺的安全模塊及其提供的可信度量和評估機制、加密技術等，必然會成為今后研究的熱點問題。
總之，在應用的引領作用下，不斷涌現的各種新技術、新材料、新思想將推動面向環境保護的物聯網向多元化、智能化的方向演進。
2.2 面向環境保護的物聯網應用及產業化發展方向
面向環境保護的物聯網未來應用的發展方向有兩個：廣度和深度。所謂廣度就是面向環境保護的物聯網的應用范圍。目前我國面向環境保護物聯網的應用主要集中在幾個有限的方面，如污染檢測、環境質量監測等，隨著面向環境保護物聯網各項技術的不斷成熟，標準體系的不斷完善，未來在海洋環境監測、空間環境監測、電磁或核輻射監測、固體或化學廢棄物監測等領域的應用還有極大的發展潛力。所謂深度，就是面向環境保護物聯網的應用水平。未來面向環境保護的物聯網應用的各項業務能力將愈發成熟，各個應用系統將愈發完善，同時，不同應用系統間的信息互聯及共享機制將更加發達，面向環境保護的物聯網的應用水平將得到整體提升。
現階段面向環境物聯網的應用還只是一個個比較孤立的應用，距離規模化應用差距還比較大。未來要實現面向環境保護的物聯網的規模化應用，必須要實現不同應用系統之間信息互聯和共享以及智能化處理，建立新的業務平臺——面向環境保護的物聯網業務支撐平臺全面實現綜合監控和應急處理是必然趨勢。
舉例說明，從2007年至今，根據環境保護部要求，依托各大運營商既有網絡，已逐步建成覆蓋全國范圍的國家、省、市、縣四級環保監測監察專網，但是仍存在不同級別之間、同一級別不同部門之間數據不共享、業務不開放等弊端，這樣“各自為戰”的后果就是導致資源得不到有效利用，加大了管理難度。因此，在未來的應用中應注重統籌先進的科研、技術、儀器和設備優勢，充分利用全天候、多區域、多門類、多層次的監測手段，依托先進的網絡通訊資源，及時調動包括多樣的數據采集系統、先進的計算機網絡支撐系統、快捷安全的數據傳輸系統、充足的數據庫存儲系統、功能完備的業務處理系統和及時的監測信息分發系統，科學預警監測和報告，實施聯動的預警響應對策。
我國面向環境保護的物聯網產業的發展特點是應用先導、政府推動、企業參與、社會受益。目前，面向環境保護的物聯網產業在中國還處于前期的概念導入期和產業鏈逐步形成階段，沒有形成成熟的技術標準和完善的技術體系，整體產業處于醞釀階段。面向環境保護的物聯網概念提出以后，首先面向具有迫切需求的環境保護領域，以政府投資實施應用示范項目帶動面向環境保護的物聯網市場的啟動將是必要之舉。進而隨著面向環境保護的物聯網應用解決方案的不斷成熟、企業集聚、技術的不斷整合和提升，逐步形成比較完整的面向環境保護的物聯網產業鏈。
3 結論
面向環境保護的物聯網是新時期物聯網背景下環境保護領域信息化的必然趨勢，現階段我國面向環境保護物聯網的發展已經具有一定的技術儲備，同時也有相當的應用和產業化基礎，但是總體而言仍處于起步階段，在關鍵技術、標準體系、應用和產業化方面仍存在著一些亟待解決的問題，這些問題的解決需要政府、企業、科研部門以及各個行業的共同努力。面向環境保護的物聯網的發展是一個持續長效的工程，也是一個利國利民的工程，在各方力量的不懈努力下必將構建出遠大宏偉的面向環境保護的物聯網，使其施惠于國，讓利于民。