物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，我國(guó)對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用活動(dòng)越來(lái)越多，對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)也提出了更高的要求。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，代表著世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新成果。探索建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于提升我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)能力和海洋環(huán)境管理水平有著重要意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；海洋環(huán)境；監(jiān)測(cè)應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0197-02

Abstract：With the rapid development of the economy and the continuous progress of science and technology，the development and utilization of marine resources in China is more and more，and the monitoring technology of the marine environment has also raised higher requirements. The internet of things is an important part of the new generation of information technology，representing the latest achievements in the development of information industry in the world. The exploration and construction of the marine environment monitoring system based on the technology of internet of things is of great significance to enhance the monitoring ability of the marine environment and the management level of the marine environment.

Keywords：internet of things technology；marine environment；monitoring applications

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，代表著世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新成果。物聯(lián)網(wǎng)利用智能感知、識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過(guò)新的方式連在一起，形成一個(gè)人與物、物與物、萬(wàn)物互聯(lián)的龐大網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)和應(yīng)用創(chuàng)新是其發(fā)展的核心。物聯(lián)網(wǎng)不但能夠全面感知，還能自動(dòng)化處理。物聯(lián)網(wǎng)一般整體使用傳感網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)傳感網(wǎng)，拓展互聯(lián)網(wǎng)用戶終端，達(dá)到實(shí)時(shí)管理物品的目的，可以讓無(wú)生命的物品和人“對(duì)話”，繼而讓人與物高效地進(jìn)行信息交流，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及人與人之間的信息交互，體現(xiàn)“科技為人服務(wù)”的主旨。在實(shí)際應(yīng)用中，往往布設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，也就是把許多成本低的微型傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置在監(jiān)測(cè)范圍中，利用無(wú)線通信方式，生成多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，協(xié)作地采集及處置被感知的信息，同時(shí)把信息傳遞給觀察者，達(dá)到高效獲取各個(gè)事物信息的效果。[1，2]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)，通過(guò)在監(jiān)測(cè)海域搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)無(wú)線通信方式傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在信息管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的接收和處理，并將數(shù)據(jù)可視化，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的智能和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模、自組織、動(dòng)態(tài)性、可靠性、集成化，以數(shù)據(jù)為中心，自組織方式、協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)的特點(diǎn)，包括傳感器、感知對(duì)象和觀察者三個(gè)組成要素。

現(xiàn)階段無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于在線定點(diǎn)監(jiān)測(cè)海洋水質(zhì)，監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目一般有溫度、鹽度、pH、溶解氧、氧化還原電位、特殊離子等。從整體上來(lái)看，海洋化學(xué)傳感器要比物理傳感器滯后許多，雖然在其他領(lǐng)域中研發(fā)出了現(xiàn)代傳感器，但無(wú)法被直接移植應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，受到海洋惡劣環(huán)境及各類(lèi)復(fù)雜因素的影響，均阻礙了海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致其應(yīng)用遇到諸多難題。因此，需要著重研發(fā)及使用新型海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)專用無(wú)線傳感器，進(jìn)一步提升海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)水平。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事、智能交通、醫(yī)療衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域。

2 無(wú)線通信方式與技術(shù)

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般是采用ZigBee通信技術(shù)將采集的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端，并通過(guò)無(wú)線通訊方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到信息管理系統(tǒng)。

2.1 ZigBee通信技術(shù)

ZigBee（又稱紫蜂）技術(shù)是根據(jù)IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)而研制的一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議主要包括物理層（PHY）、媒體訪問(wèn)控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。ZigBee通過(guò)在世界范圍內(nèi)使用免費(fèi)頻段進(jìn)行通信，在歐洲、美國(guó)和全球通用頻段分別為868.00～868.66MHz、902～928MHz、2.400～2.484GHz，在技術(shù)傳輸速率上分別為20Kb/s、40Kb/s和250Kb/s。因?yàn)閆igBee技術(shù)使用的數(shù)據(jù)傳輸率較低，工作頻段較低，單元容量較小，同時(shí)設(shè)備的ZigBee模塊不使用時(shí)可進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少了設(shè)備的整體功耗。相較于藍(lán)牙等其他無(wú)線通訊技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時(shí)延、高容量、高安全的特點(diǎn)，主要用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展，特別是帶有路由的可組網(wǎng)功能，可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)并高效率的通信。

2.2 4G無(wú)線通訊技術(shù)

第四代移動(dòng)通信技術(shù)（the 4th Generation mobile co mmunication technology，4G）是基于IP協(xié)議的高速蜂窩移動(dòng)網(wǎng)，傳輸速率至少達(dá)到100Mbps。4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。4G核心技術(shù)包括接入方式和多址方案、新的調(diào)制與編碼技術(shù)、高性能的接收機(jī)、智能天線技術(shù)、MIMO技術(shù)、軟件無(wú)線電技術(shù)、基于IP的核心網(wǎng)和多用戶檢測(cè)技術(shù)等，具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、頻率效率高、通信靈活、智能性能高、兼容性好、可提供高質(zhì)量通信和增值服務(wù)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相較于3G技術(shù)，4G能夠更快更高效地傳輸數(shù)據(jù)、音頻、視頻和圖像等，更適合在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中高速高質(zhì)量的傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和多媒體信息。

3 信息管理系統(tǒng)

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息管理系統(tǒng)要具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)預(yù)處理、數(shù)據(jù)的可視化和物聯(lián)網(wǎng)的管理等功能。信息管理系統(tǒng)一般基于面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)思想，采用C/S架構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)，選用ArcGIS、SQL Server、Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)、VC++等作為開(kāi)發(fā)工具，針對(duì)普通用戶和管理員授予不同的系統(tǒng)使用權(quán)限，滿足監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢與分析、海洋環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)、構(gòu)建不同監(jiān)測(cè)要素分析模型、預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)要素的變化趨勢(shì)、發(fā)布預(yù)警信息、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的在線管理與交互操作等不同功能需求。同時(shí)，依托物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、電子化和信息技術(shù)，通過(guò)規(guī)范化和程序化的流程管理，實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒐芾砣^(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控與管理。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在監(jiān)測(cè)海域搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如布設(shè)很多視頻設(shè)備與傳感器等，生成感知層，接著通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，應(yīng)用層再結(jié)合傳感器位置等多方面信息，從整體上分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)成監(jiān)測(cè)體系，進(jìn)而達(dá)到智能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境的效果。周穎芝等[3]通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了監(jiān)測(cè)體系，生成了太湖藍(lán)藻預(yù)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，能夠精確監(jiān)測(cè)藍(lán)藻水華，預(yù)測(cè)精度超過(guò)80%，并確保數(shù)據(jù)上的可靠性和連續(xù)性。天津市環(huán)保局通過(guò)建設(shè)重點(diǎn)污染源自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，布設(shè)28個(gè)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，覆蓋全市各個(gè)行政區(qū)域，開(kāi)展PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等六項(xiàng)污染物的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、存儲(chǔ)、評(píng)價(jià)和發(fā)布，為環(huán)境執(zhí)法、總量減排、污染防治等環(huán)境管理工作提供重要技術(shù)保障。何世鈞等[4]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，綜合運(yùn)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、3G無(wú)線通訊技術(shù)、GIS空間信息處理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理及可視化展示等功能。

5 結(jié) 論

海洋經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)海洋環(huán)境的影響日益加劇，局部海域已出現(xiàn)環(huán)境污染和資源退化等問(wèn)題，海洋環(huán)境面臨的壓力與日俱增，也對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和海洋環(huán)境的管理帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)工作面臨著海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息化整體水平不高、基層環(huán)境監(jiān)測(cè)能力和專業(yè)技術(shù)人員較為缺乏、海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控和應(yīng)急能力建設(shè)相對(duì)薄弱、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)科技支撐能力不夠等多方面的問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，可以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較高的安全性，達(dá)到預(yù)估自然災(zāi)害的效果，使社會(huì)逐步認(rèn)識(shí)到環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的重要性，引導(dǎo)環(huán)境監(jiān)測(cè)從業(yè)人員更加科學(xué)有效地開(kāi)展工作。[5，6]依托新一代信息技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在各行各業(yè)之中得到充分運(yùn)用，在海洋監(jiān)測(cè)環(huán)境工作也獲得了明顯的成效，這將有助于提升我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)能力和海洋環(huán)境管理水平。

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作者簡(jiǎn)介：劉偉（1983.04-），男，漢族，安徽淮南人，工程師，碩士研究生。研究方向：海洋環(huán)境保護(hù)。