泛在網(wǎng)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

劉正乾，周 峰，董 斌

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 泛在網(wǎng)的架構(gòu)

泛在網(wǎng) （ubiquitous network），即廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)，以“無所不在”、“無所不包”、“無所不能”為基本特征，即在任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信。國際電信聯(lián)盟（ITU）認(rèn)為，泛在網(wǎng)將原本不屬于電信范疇的技術(shù)，如傳感器技術(shù)、標(biāo)簽技術(shù)等各種近距離通信技術(shù)納入其中，從而構(gòu)建起一個范疇更大的網(wǎng)絡(luò)體系。

FTTH、IPv6、3G、Wi-Fi、RFID、藍牙等都是組成泛在網(wǎng)的重要技術(shù)。FTTH完成了光纖到戶；IPv6保證了世界上所有物品都可以擁有自己獨立的IP地址；3G技術(shù)解決了網(wǎng)絡(luò)和用戶終端之間的相互認(rèn)證；Wi-Fi和藍牙技術(shù)一樣，實現(xiàn)了辦公室和家庭中的短距離無線傳輸；RFID具有非接觸而迅速簡便無誤地獲取各種產(chǎn)品信息進而識別產(chǎn)品的能力。

與傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，泛在網(wǎng)的底層出現(xiàn)了感知延伸層，如圖1所示。這種感知延伸實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)采集的功能，所借助的正是上面提到的這些基本的通信技術(shù)，主要實現(xiàn)各種信息采集、捕獲、物體識別。感知延伸層的關(guān)鍵技術(shù)還包括傳感器、RFID、自組織網(wǎng)絡(luò)、短距離無線通信、低功耗路由等。目前，感知延伸層必須解決低功耗、低成本和小型化的問題，并且將向更敏感、更全面的感知能力方向發(fā)展。

泛在網(wǎng)中接入網(wǎng)涉及各種有線接入 （廣電網(wǎng)，電力網(wǎng)）、無線接入（2G/3G網(wǎng)絡(luò)）、衛(wèi)星等技術(shù)以及相應(yīng)的節(jié)點和網(wǎng)關(guān)。接入網(wǎng)根據(jù)感知延伸層的業(yè)務(wù)及傳輸特征，設(shè)置相應(yīng)網(wǎng)關(guān)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)特性，更好地支持物物與物人通信。

業(yè)務(wù)管理和應(yīng)用層最終面向各類應(yīng)用，實現(xiàn)信息的處理、協(xié)同、共享、決策。從服務(wù)主體出發(fā)，泛在網(wǎng)應(yīng)用分為行業(yè)專用服務(wù)、行業(yè)公眾服務(wù)、公眾服務(wù)。從應(yīng)用場景看，包含工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、醫(yī)療、家居、個人服務(wù)等各種場景。業(yè)務(wù)和應(yīng)用層涉及海量信息的智能處理、分布式計算、中間件、信息發(fā)現(xiàn)等多種技術(shù)。

2 環(huán)保應(yīng)用對泛在網(wǎng)的需求

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，人類社會對自然環(huán)境的壓力也越來越大，隨著市民環(huán)境意識的增強，越來越多的人開始關(guān)心所處環(huán)境質(zhì)量的好壞，要求環(huán)境保護工作透明化，要求有關(guān)部門更快更全面地發(fā)布相關(guān)信息。

另一方面國家已把發(fā)展綠色經(jīng)濟、低碳經(jīng)濟寫入了“十二五”規(guī)劃，對于碳排放量較大的企業(yè)來說，對其碳排放進行監(jiān)測，能夠幫助企業(yè)提升能源效率且降低溫室氣體排放。通過從各種傳感儀器和監(jiān)測系統(tǒng)中收集信息，針對動態(tài)能源目標(biāo)跟蹤能耗，獲取并分析這些數(shù)據(jù)，幫助用戶了解關(guān)鍵能源指標(biāo)以及它們是如何影響整體能源消耗，實現(xiàn)碳排放可測量、可監(jiān)測、可交易，從而可在生產(chǎn)過程中控制碳排放量。隨著國家對環(huán)境監(jiān)測工作的加強，智能環(huán)保應(yīng)用的需求將趨于旺盛，市場價值和商業(yè)潛力巨大。

綜合起來對于環(huán)保行業(yè)整體來講，有兩個方面的應(yīng)用需求：一是對環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測，面臨著監(jiān)測范圍、項目種類和監(jiān)測頻次等方面的不斷擴大和增加；二是對污染源（包括應(yīng)用廢棄物）的監(jiān)測，同樣也有實時預(yù)警和監(jiān)測范圍的要求。如何使數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋面更廣、更富實用性和靈活性，同時還能滿足各方面對環(huán)境監(jiān)測信息的需求，是目前環(huán)保領(lǐng)域發(fā)展面臨的問題。

泛在網(wǎng)可以廣泛地應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域的諸多方面，進行監(jiān)測感知和智能分析。采用泛在網(wǎng)對環(huán)境質(zhì)量和污染源進行監(jiān)測具有投資較少，建設(shè)周期短，運行維護簡單，性價比高等優(yōu)點。

對環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測是一種分散式的監(jiān)測，沒有特定的區(qū)域要求，只需要對城市或周邊較大范圍了解環(huán)境的整體信息，因此采用傳感數(shù)據(jù)采集模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)直接與監(jiān)測中心通信的方式比較合適；對污染源的監(jiān)測需要對各個排污區(qū)域進行較密集的監(jiān)測，只憑借某個位置的傳感數(shù)據(jù)采集無法對污染源整體狀況進行明確的判斷，通過重點區(qū)域的短距離局域網(wǎng)與無線通信的廣域網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)的組合來實現(xiàn)污染源監(jiān)測，能夠充分滿足環(huán)境污染源監(jiān)測的需求。

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)及功能

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)主要由三大部分組成，包括環(huán)保監(jiān)測傳感網(wǎng)、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、環(huán)保監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)，如圖2所示。

（1）環(huán)保監(jiān)測傳感網(wǎng)

由各種智能水文傳感器，空氣質(zhì)量傳感器，光照、溫濕傳感器及短距離通信傳輸模塊設(shè)備等組成，各類傳感器采集數(shù)據(jù)后將其匯聚到相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，通信方式可以由具體的應(yīng)用場景來決定，低功耗、低成本的ZigBee協(xié)議被采用得比較廣泛，感應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)關(guān)節(jié)點再上傳至感知數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

（2）無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)

其負(fù)責(zé)將匯聚到感知數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的感應(yīng)數(shù)據(jù)通過感應(yīng)數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)上相應(yīng)的cdma2000 EV-DO無線模塊再上傳到網(wǎng)絡(luò)側(cè)的應(yīng)用平臺。

對于污染源需要重點監(jiān)測的區(qū)域，各種傳感器構(gòu)成的單個節(jié)點采集到數(shù)據(jù)后（每個節(jié)點都采用ZigBee或者WLAN等短距離通信模塊來進行組網(wǎng)）進行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)匯集到一個匯結(jié)點，匯結(jié)點進行協(xié)議轉(zhuǎn)化后再通過cdma2000 EV-DO無線數(shù)據(jù)通信模塊向監(jiān)測平臺發(fā)送數(shù)據(jù)。對于非重點區(qū)域的質(zhì)量監(jiān)測，由于其對數(shù)據(jù)采集點的密度要求不高，可以采用傳感器模塊直接通過EV-DO通信模塊進行傳感采集數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸模式可分為：永遠(yuǎn)在線模式、定時傳輸模式、中心呼叫模式、數(shù)據(jù)觸發(fā)模式，分別針對不同的應(yīng)用場景，對于一般情形的環(huán)境監(jiān)測，考慮到傳感器設(shè)備和無線數(shù)據(jù)模塊的能耗以及數(shù)據(jù)傳送對EV-DO網(wǎng)絡(luò)的壓力可以采用定時傳輸模式。

（3）環(huán)保監(jiān)測應(yīng)用平臺

該平臺主要由兩部分組成，包括服務(wù)器端接收存儲、分析模塊（環(huán)境監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)）以及基于Web的數(shù)據(jù)發(fā)布監(jiān)測操作界面（Web browser）。

環(huán)境監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)主要由一臺服務(wù)器和磁盤陣列組成，服務(wù)器申請配置固定IP地址，數(shù)據(jù)可保存在磁盤陣列中，服務(wù)器端軟件對實時數(shù)據(jù)進行分析，并對異常信息進行告警提示，同時也具有網(wǎng)管功能，可以實時/半實時地了解各個節(jié)點的工作情況，或者以中心呼叫模式直接對某一節(jié)點上的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行巡檢查看。

采用cdma2000 EV-DO構(gòu)建環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)，目前有包月收費和以數(shù)據(jù)流量計費兩種方式，對運營商來說目前可運營的商業(yè)模式主要是流量計費。由于各類傳感數(shù)據(jù)都比較小，對于用戶來說，按流量計費通信費用比其他方式低，一定程度上節(jié)約了建設(shè)、維護以及使用成本。電信運營商也將因此獲得業(yè)務(wù)穩(wěn)定的集團用戶，隨著用戶數(shù)量的增加，營收也隨之增加，調(diào)動了運營商的積極性，符合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用同步發(fā)展的要求。

4 泛在網(wǎng)應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

針對較大地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測，包括對水文、空氣質(zhì)量、溫濕度、光照、噪聲污染情況以及污染源等環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測。要在較大范圍內(nèi)對溫濕、光照、空氣顆粒度等感應(yīng)參數(shù)進行收集，需要大面積放置感應(yīng)節(jié)點，同時對在野外和復(fù)雜環(huán)境下傳感節(jié)點的耐用性提出了很高的要求，首先要求傳感節(jié)點可以在高溫、高濕或者有酸堿性污染區(qū)域下長久工作；其次，傳感節(jié)點無論采用哪種通信方式匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，都需要制定每個節(jié)點對感應(yīng)參數(shù)的上報規(guī)則，這樣才能更合理地減小節(jié)點功耗，盡可能地延長傳感節(jié)點的電池使用壽命。只有解決了上述兩個問題才可使傳感節(jié)點適應(yīng)環(huán)保應(yīng)用領(lǐng)域中的復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測要求。

對于目前環(huán)保監(jiān)測中廢棄物處理的監(jiān)測是環(huán)保部門十分關(guān)心的問題，因為這種廢棄物若隨意處理會對環(huán)境造成重大污染，需要特殊的處理方式如高壓焚燒，在特定區(qū)域內(nèi)進行填埋等。因此，環(huán)保部門需要對這些應(yīng)用廢棄物從流出到處理結(jié)束的全過程進行監(jiān)測，這種應(yīng)用方式對監(jiān)測手段提出了新的要求，如：定位要求，對廢棄物實時視頻監(jiān)控的需要，這些都是泛在網(wǎng)下環(huán)保應(yīng)用亟待解決的問題。

5 結(jié)束語

泛在網(wǎng)技術(shù)充分利用傳感技術(shù)并融合短距離的ZigBee通信和cdma2000 EV-DO無線傳輸?shù)仁侄?，很好地解決了環(huán)境保護領(lǐng)域?qū)υ诰€監(jiān)測系統(tǒng)的要求，如監(jiān)控數(shù)據(jù)實時性強，監(jiān)控點多，監(jiān)測點相隔距離遠(yuǎn)，能應(yīng)用于復(fù)雜監(jiān)測環(huán)境等。對環(huán)境質(zhì)量與重點污染源的監(jiān)測，利用傳感器網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成了初步的泛在網(wǎng)體系，在下一步的探索中，還可以將智能數(shù)據(jù)分析處理平臺引入到監(jiān)測和管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)有效的環(huán)境污染控制以及對排污單位或個人的及時監(jiān)管，為環(huán)境保護提供一個全新的自動化與信息化的管理監(jiān)測方式。