泛在网在环保领域的应用

刘正乾，周 峰，董 斌

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 泛在网的架构

泛在网 （ubiquitous network），即广泛存在的网络，以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，即在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信。国际电信联盟（ITU）认为，泛在网将原本不属于电信范畴的技术，如传感器技术、标签技术等各种近距离通信技术纳入其中，从而构建起一个范畴更大的网络体系。

FTTH、IPv6、3G、Wi-Fi、RFID、蓝牙等都是组成泛在网的重要技术。FTTH完成了光纤到户；IPv6保证了世界上所有物品都可以拥有自己独立的IP地址；3G技术解决了网络和用户终端之间的相互认证；Wi-Fi和蓝牙技术一样，实现了办公室和家庭中的短距离无线传输；RFID具有非接触而迅速简便无误地获取各种产品信息进而识别产品的能力。

与传统电信网络架构相比，泛在网的底层出现了感知延伸层，如图1所示。这种感知延伸实现的是数据采集的功能，所借助的正是上面提到的这些基本的通信技术，主要实现各种信息采集、捕获、物体识别。感知延伸层的关键技术还包括传感器、RFID、自组织网络、短距离无线通信、低功耗路由等。目前，感知延伸层必须解决低功耗、低成本和小型化的问题，并且将向更敏感、更全面的感知能力方向发展。

泛在网中接入网涉及各种有线接入 （广电网，电力网）、无线接入（2G/3G网络）、卫星等技术以及相应的节点和网关。接入网根据感知延伸层的业务及传输特征，设置相应网关，优化网络特性，更好地支持物物与物人通信。

业务管理和应用层最终面向各类应用，实现信息的处理、协同、共享、决策。从服务主体出发，泛在网应用分为行业专用服务、行业公众服务、公众服务。从应用场景看，包含工业、农业、电力、医疗、家居、个人服务等各种场景。业务和应用层涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间件、信息发现等多种技术。

2 环保应用对泛在网的需求

随着经济社会的快速发展，人类社会对自然环境的压力也越来越大，随着市民环境意识的增强，越来越多的人开始关心所处环境质量的好坏，要求环境保护工作透明化，要求有关部门更快更全面地发布相关信息。

另一方面国家已把发展绿色经济、低碳经济写入了“十二五”规划，对于碳排放量较大的企业来说，对其碳排放进行监测，能够帮助企业提升能源效率且降低温室气体排放。通过从各种传感仪器和监测系统中收集信息，针对动态能源目标跟踪能耗，获取并分析这些数据，帮助用户了解关键能源指标以及它们是如何影响整体能源消耗，实现碳排放可测量、可监测、可交易，从而可在生产过程中控制碳排放量。随着国家对环境监测工作的加强，智能环保应用的需求将趋于旺盛，市场价值和商业潜力巨大。

综合起来对于环保行业整体来讲，有两个方面的应用需求：一是对环境质量的监测，面临着监测范围、项目种类和监测频次等方面的不断扩大和增加；二是对污染源（包括应用废弃物）的监测，同样也有实时预警和监测范围的要求。如何使数据采集监控系统覆盖面更广、更富实用性和灵活性，同时还能满足各方面对环境监测信息的需求，是目前环保领域发展面临的问题。

泛在网可以广泛地应用于环保领域的诸多方面，进行监测感知和智能分析。采用泛在网对环境质量和污染源进行监测具有投资较少，建设周期短，运行维护简单，性价比高等优点。

对环境质量的监测是一种分散式的监测，没有特定的区域要求，只需要对城市或周边较大范围了解环境的整体信息，因此采用传感数据采集模块通过无线网络直接与监测中心通信的方式比较合适；对污染源的监测需要对各个排污区域进行较密集的监测，只凭借某个位置的传感数据采集无法对污染源整体状况进行明确的判断，通过重点区域的短距离局域网与无线通信的广域网两种网络的组合来实现污染源监测，能够充分满足环境污染源监测的需求。

3 物联网环保监测系统的架构及功能

物联网环保监测系统主要由三大部分组成，包括环保监测传感网、无线数据传输网、环保监测综合管理系统，如图2所示。

（1）环保监测传感网

由各种智能水文传感器，空气质量传感器，光照、温湿传感器及短距离通信传输模块设备等组成，各类传感器采集数据后将其汇聚到相应的网关节点，通信方式可以由具体的应用场景来决定，低功耗、低成本的ZigBee协议被采用得比较广泛，感应数据经过网关节点再上传至感知数据管理系统。

（2）无线数据传输网

其负责将汇聚到感知数据管理系统的感应数据通过感应数据汇集系统上相应的cdma2000 EV-DO无线模块再上传到网络侧的应用平台。

对于污染源需要重点监测的区域，各种传感器构成的单个节点采集到数据后（每个节点都采用ZigBee或者WLAN等短距离通信模块来进行组网）进行数据传输，将数据汇集到一个汇结点，汇结点进行协议转化后再通过cdma2000 EV-DO无线数据通信模块向监测平台发送数据。对于非重点区域的质量监测，由于其对数据采集点的密度要求不高，可以采用传感器模块直接通过EV-DO通信模块进行传感采集数据的传输。数据传输模式可分为：永远在线模式、定时传输模式、中心呼叫模式、数据触发模式，分别针对不同的应用场景，对于一般情形的环境监测，考虑到传感器设备和无线数据模块的能耗以及数据传送对EV-DO网络的压力可以采用定时传输模式。

（3）环保监测应用平台

该平台主要由两部分组成，包括服务器端接收存储、分析模块（环境监测综合管理系统）以及基于Web的数据发布监测操作界面（Web browser）。

环境监测综合管理系统主要由一台服务器和磁盘阵列组成，服务器申请配置固定IP地址，数据可保存在磁盘阵列中，服务器端软件对实时数据进行分析，并对异常信息进行告警提示，同时也具有网管功能，可以实时/半实时地了解各个节点的工作情况，或者以中心呼叫模式直接对某一节点上的环境监测数据进行巡检查看。

采用cdma2000 EV-DO构建环保监测系统，目前有包月收费和以数据流量计费两种方式，对运营商来说目前可运营的商业模式主要是流量计费。由于各类传感数据都比较小，对于用户来说，按流量计费通信费用比其他方式低，一定程度上节约了建设、维护以及使用成本。电信运营商也将因此获得业务稳定的集团用户，随着用户数量的增加，营收也随之增加，调动了运营商的积极性，符合网络建设和网络应用同步发展的要求。

4 泛在网应用于环保领域面临的挑战

针对较大地区的环境监测，包括对水文、空气质量、温湿度、光照、噪声污染情况以及污染源等环境指标的监测。要在较大范围内对温湿、光照、空气颗粒度等感应参数进行收集，需要大面积放置感应节点，同时对在野外和复杂环境下传感节点的耐用性提出了很高的要求，首先要求传感节点可以在高温、高湿或者有酸碱性污染区域下长久工作；其次，传感节点无论采用哪种通信方式汇聚到网关节点，都需要制定每个节点对感应参数的上报规则，这样才能更合理地减小节点功耗，尽可能地延长传感节点的电池使用寿命。只有解决了上述两个问题才可使传感节点适应环保应用领域中的复杂环境的监测要求。

对于目前环保监测中废弃物处理的监测是环保部门十分关心的问题，因为这种废弃物若随意处理会对环境造成重大污染，需要特殊的处理方式如高压焚烧，在特定区域内进行填埋等。因此，环保部门需要对这些应用废弃物从流出到处理结束的全过程进行监测，这种应用方式对监测手段提出了新的要求，如：定位要求，对废弃物实时视频监控的需要，这些都是泛在网下环保应用亟待解决的问题。

5 结束语

泛在网技术充分利用传感技术并融合短距离的ZigBee通信和cdma2000 EV-DO无线传输等手段，很好地解决了环境保护领域对在线监测系统的要求，如监控数据实时性强，监控点多，监测点相隔距离远，能应用于复杂监测环境等。对环境质量与重点污染源的监测，利用传感器网、通信网络相结合，形成了初步的泛在网体系，在下一步的探索中，还可以将智能数据分析处理平台引入到监测和管理系统中，实现有效的环境污染控制以及对排污单位或个人的及时监管，为环境保护提供一个全新的自动化与信息化的管理监测方式。