浅析美欧物联网发展和环保应用概况

刘立媛

(环境保护部环境发展中心，北京 100029)

浅析美欧物联网发展和环保应用概况

刘立媛

(环境保护部环境发展中心，北京 100029)

这篇文章主要对美国和欧盟物联网发展历程进行了概述，并对欧盟的一系列物联网政策文件《欧盟物联网行动计划》、《未来物联网战略》等进行解读，最后重点分析了美国City Sense, MARVIN物联网环保应用案例和欧洲OSIRIS空气质量传感网、Sensaris穿戴式无线传感器监测系统、河川水质污染管理与预警系统等重要物联网环保应用项目。在此基础上，结合中国环保物联网发展现状提出相关建议。

物联网；环保；应用

“物联网”概念一经提出，立即受到了各国政府、企业和学术界的重视，在需求和研发的相互推动下，迅速热遍全球。目前，美国、欧洲等国家都在投入巨资深入研究物联网。

1．美国

1.1 物联网发展历程及政策

作为物联网发展排头兵的RFID技术，早在“二战”时期就出现了，后来在美国对伊拉克战争中得到大量使用，用于管理军需后勤物资。1991年美国提出普适计算的概念，美国国家标准与技术研究院（NIST）专门针对普适计算制订了详细的研究计划，首次提出了感知、传送、交互的三层结构，是物联网的雏形。1998年，美国麻省理工学院创造性地提出当时被称作EPC(Electronic Product Code)系统的“物联网”概念。他们认为，物联网就是将所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了传感网的概念。美国国防部在2000年时把传感网定为五大国防建设领域之一，仅在美墨边境“虚拟栅栏”(即防入侵传感网)上就投入了470亿美元。2003年，美国《技术评论》将传感网络技术看作是未来改变人们生活的十大技术之首。2008年7月，美国国家情报委员会发表的《2025年对美国利益潜在影响的6种关键技术》报告将物联网技术列入其中，认为物联网技术存在裂变性的影响能力，将对人

类社会的生产和生活带来巨大的影响。

2008年12月，奥巴马向IBM咨询了“智慧地球”的有关细节，并共同就投资智能基础设施对于经济的促进效果进行了研究。“智慧地球(Smarter Planet)”战略是由美国IBM公司于2008年11月对外公布。“智慧地球”提出把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，并通过超级计算机和云计算将物联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。2009年1月7日，IBM与美国智库机构信息技术与创新基金会(ITIF)共同向奥巴马政府提交了“The Digital Road to Recover：A Stimulus Plan to Create Jobs， Boost Productivity and Revitalize America”，提出美国政府只要新增300亿美元的ICT投资(包括智能电网、智能医疗、宽带网络三个领域)，便可以为民众创造出949万个就业机会。2009年1月28日，奥巴马与美国工商业领袖举行圆桌会议，进一步将ICT投资问题上升到美国国家政策层面。2009年2月17日，奥巴马签署生效的《恢复和再投资法案》(Recovery and Reinvestment Act)(即美国的经济刺激计划)，批准推进智慧地球中两个领域的发展——智慧的电网和智慧的医疗，前者批准投资为110亿美元，后者为190亿美元；同时批准宽带网络投资72亿美元[1]。

“智慧地球”由此得到美国各界的高度关注，并上升至美国的国家战略，由此引发了世界各国对物联网的追捧。

1.2 物联网环保应用及具体案例

作为物联网应用最广泛的国家，美国已在工业、农业、建筑、医疗、环境监测、空间和海洋探索等领域使用物联网技术，其RFID(射频识别技术)应用案例占全球的59%。以下将介绍相关环保领域的物联网应用案例。

CitySense

CitySense是由美国国家自然科学基金会（NSF）资助，由哈佛大学和BBN公司联合开发出的一种可以报告整个城市实时监测数据的无线传感网络项目，这一项目预计开发时间为四年。

CitySense通过在美国马萨诸塞州剑桥市的路灯上安装传感器，利用路灯的电力供应系统作为传感器运行时的电力能源，这有別于一般建在野外的传感器是以电池作为能量来源，解决了电池寿命对于无线传感网运行时的限制，有利于长期环境监测试验。每个节点都将含有一个内置PC机、一个无线局域网802.11a/b/g界面，利用Wi-Fi无线网络技术，将监测信息回传到监测中心，监测信息包括压力、温度、相对湿度、风速、风向、降雨量、降雨强度、CO2、噪音，然后为用户提供CitySense网站信息查询。CitySense通过把每个节点同相邻的节点相连形成网状网来让分散在城市各处的远程节点和位于哈佛大学和BNN的中心服务器连接。在该网络中利用一个1英里射程的小无线电装置，任何一个节点都可以从远程服务器中心下载软件或上传传感器数据。另外根据微软公司提供的Virtual Earth和Sensor Map技术，网站的数据资料将覆盖到地图上。民众及学者便可透过网站追踪污染物扩散情形，并进行长期的监测，研究空气污染的解决方案。

CitySense除可以报告整个城市的实时监测数据外，其收集数据的规模之大也是前所未有的。CitySense 网络最初将用于监测环境变量，如温度、风速、降雨量、大气压和空气质量等，但未来传感器的用途将会呈现多种可能性，从计算大气污染物的传感器到用于测量噪音污染的麦克风，甚至可以通过轿车和公交车上的移动传感器收集信息[2]。

MARVIN

位于美国佛罗里达州的佛罗里达海洋研究组织（Florida Marine Research Institute， FMRI）建设了一个简称为MARVIN的传感平台。MARVIN名称是由MERHAB(Monitoring and Event Response for Harmful Algal Blooms)Autonomous Research Vessel 简写而来，其中MERHAB是针对有害藻类富营养化所作的监测及事件响应。因此MARVIN传感的目标主要是根据有害藻类富营养化相关水质变化并提供即时的水质信息，其水质监测项目包括pH值、溶氧量、水温、导电度、叶绿素浓度、浊度、硝酸盐及磷酸盐、水位、水流速与方向、水中光合辐射光能（underwater PAR）以及全光（ambient light）等项目。上述传感器同时安装在一个浮舟（pontoon）之中，并搭载了一个气象塔，负责监测包括风速与风向、气温、相对湿度、气压及降雨量等项目。MARVIN的信息传输方式是利用传感器收集监测数据信息后，通过天线传送讯号至卫星及手机等界面，提供远程信息的获取。本案例值得参考之处在于传感器的浮舟设计，可以让选定的传感器无需一直浸泡于水中造成生物或有机物质的淤积，有效地延长传感器寿命，并降低维护频率及维修成本。此外，

该浮舟设计还配备小型引擎，提供远端遥控驱动传感平台移动至欲监测的地点，方便信息获取。

目前在美国佛罗里达州克卢萨哈奇河上一共部署了两个MARVIN平台，MARVIN1号是在2005年1月部署在距离克卢萨哈奇河口24km处，监测4米深的深水急流区的有害藻类富营养化情况，包括蓝藻、硅藻、鞭毛藻类等可以引发赤潮的有机物等；而MARVIN2号是在2007年1月部署在距离克卢萨哈奇河口3.7km处，监测3米深的缓流区的水质情况，这里可以综合上游和下游水质信息并追踪藻类流向。MARVIN平台通常每小时取样两次，然后每小时或每三小时通过卫星将数据回传。MARVIN平台需要每两周进行一次人工维护，维护人员会采用传统的采样和分析方法收集数据，用于校正在后处理过程中的MARVIN平台数据。除了FMRI实验室研究人员外，MARVIN数据还可以帮助建模人员观察水流循环和克卢萨哈奇河生物系统、帮助船长及应急管理人员及时了解实时水质情况、帮助游人预测赤潮是否会出现、帮助搜救队了解水流能见度、帮助学生学习生物圈的有关知识等。

由于MARVIN平台一直都可以收集到稳定的数据流，数据的瞬时分辨率很高，导致结果数据也会非常精确。这比传统的每周或每日的取样数据更加有意义。此外，MARVIN平台的成本高效益也越发显现。MARVIN平台最初投资约为150万美元，加上每两周的日常维护花费远远低于部署一组工作人员用于长期监测的花费。

Rewards for Recycling

美国密歇根南部垃圾处理和收集公司Richfeld Management发起了一个新项目Rewards for Recycling。该项目利用RFID技术向垃圾再循环处理的居民提供当地饭店或零售店的折扣，实现激励目的。

这套系统采用无源EPCGen2UHFRFID标签，标签由标签封装商Metalcraft生产，采用Alien Technology Squiggle嵌体，封装在具有坚固、粘附性的外壳里。标签粘贴在垃圾回收箱的正面和背面。垃圾箱的两张RFID标签含同一个唯一ID码。当垃圾收集卡车沿着收集路线前进时，安装在车辆内部的一台AlienALR-9900Gen2RFID阅读器读取每个垃圾箱标签的ID码。阅读器与驾驶室内一台触摸屏计算机相连，计算机内含一台GPS接收器。Universal Tracking Systems设计、实施这套系统，并开发相关软件收集阅读器标签数据及每次标签读取和届时卡车的GPS坐标。软件利用这些数据升级一个中央数据库里的各个家庭的垃圾回收记录。

该公司自发起这个项目半年以来，密歇根州Genesee和Oakland郡的6个城镇，共计80 000个家庭已加入这场活动，在有些地区，如Davidson镇，垃圾回收率从18%上升到50%[3]。

2．欧洲

2.1 物联网政策措施

在欧洲，物联网概念受到了欧盟委员会(EC)的高度重视和大力支持，已被正式确立为欧洲信息通信技术的战略性发展计划。2006年3月，欧盟召开会议From RFID to the Internet of Things，对物联网做了进一步的描述。2008年在法国召开的欧洲物联网大会的重要议题包括未来互联网和物联网的挑战、物联网中的隐私权、物联网在主要工业部门中的影响等内容。同年EC还制定了欧洲物联网政策路线图。

2009年EC正式出台了多项权威文件，尤其6月发布的《欧盟物联网行动计划》(Internet of Things An action plan for Europe)，作为全球首个物联网发展战略规划，该计划的制订标志着欧盟已经从国家层面将物联网实现提上日程。该计划描绘了物联网技术应用的前景，并提出要加强欧盟政府对物联网的管理，消除物联网发展的障碍。

《欧盟物联网行动计划》提出了以下政策建议：(1)加强物联网管理，包括：制定一系列物联网的管理规则；建立一个有效的分布式管理（decentralised management)架构，使全球管理机构可以公开、公平、尽责的履行管理职能。(2)完善隐私和个人数据保护，包括：持续监测隐私和个人数据保护问题，修订相关立法，加强相关方对话等；执委会将针对个人可以随时断开联网环境(the silence of the chips)开展技术、法律层面的辩论。(3)提高物联网的可信度(Trust)、接受度(Acceptance)、安全性(Security)。(4)推广标准化，执委会将评估现有物联网相关标准并推动制定新的标准，持续监测欧洲标准组织(ETSI、CEN、CENELEC)、国际标准组织(ISO、ITU)以及其它标准组织(IETF、EPCglobal等)物联网标准的制定进度，确保物联网标准的制定是在各相关方的积极参与下，以一种开放、透明、协商一致的方式达成。(5)加强相关研发，包括：通过欧盟第7期科研框架计划项目

(FP7)支持物联网相关技术研发，如微机电、非硅基组件、能量收集技术(energy harvesting technologies)、无所不在的定位(ubiquitous positioning)、无线通信智能系统网(networks of wirelessly communicating smart systems)、语义学(Semantics)、基于设计层面的隐私和安全保护(privac-and security-bydesign)、软件仿真人工推理(software emulating human reasoning)以及其它创新应用，通过公私伙伴模式(PPP)支持包括未来互联网(Future Internet)等在内项目建设，并将其作为刺激欧洲经济复苏措施的一部分。(6)建立开放式的创新环境，通过欧盟竞争力和创新框架计划(CIP)利用一些有助于提升社会福利的先导项目推动物联网的部署，这些先导项目主要包括e-health、e-accessibility、应对气候变迁、消除社会数字鸿沟等。(7)增强机构间协调，为加深各相关方对物联网机遇、挑战的理解，共同推动物联网发展，欧盟执委会定期向欧洲议会、欧盟理事会、欧洲经济与社会委员会、欧洲地区委员会、数据保护法案29工作组等相关机构通报物联网发展状况。(8)加强国际对话，加强欧盟与国际伙伴在物联网相关领域的对话，推动相关的联合行动、分享最佳实践经验。(9)推广物联网标签、传感器在废物循环利用方面的应用。(10)加强对物联网发展的监测和统计，包括对发展物联网所需的无线频谱的管理、对电磁影响等管理。该行动计划系统地提出了物联网发展的管理设想，在世界范围内尚属首次。其中，管理体制的制定、安全性保障和标准化是行动计划的重点。从该计划可以看出，欧洲联盟力图掌握未来信息社会竞争的主动权，希望借助物联网的发展，实现弯道超车，改变互联网在发展上落后于美的局面[4]。

2009年11月，欧盟又发布了《未来物联网战略》，提出要让欧洲在基于互联网的智能基础设施发展上领先全球，除了通过信息与通信技术研发计划投资4亿欧元、90多个研发项目提高网络智能化水平，欧盟委员会还将于2011—20l3年间每年新增2亿欧元进一步加强研发力度，同时拿出3亿欧元专款，支持物联网相关公私合作短期项目建设。2009年12月15日，欧洲物联网项目总体协调组发布了《物联网战略研究路线图》，将物联网研究分为感知、宏观架构、通信、组网、软件平台及中间件、硬件、情报提炼、搜索引擎、能源管理、安全等10个层面，系统地提出了物联网战略研究的关键技术和路径。

2.2 物联网环保领域应用具体案例

西班牙OSIRIS空气质量传感网

OSIRIS全名为Open architecture for Smart and Interoperable networks in Risk management based on In-situ Sensors，是欧盟GMES (Global Monitoring for Environment and Security)下的一个综合型计划，是欧洲对环境进行有效管理的一套综合信息基础架构。主要目标是研发和测试环境监控及防灾处理，通过部署完善的感测网，运用现场实地监测的感测系统，达到监测与防灾的效果。OSIRIS涵盖现场监测系统、资料整合和信息管理、服务三阶段流程。OSRIS针对空气质量及污染、地下水污染、森里火灾和工业建筑火灾四种情境进行实验。

以空气质量传感网为例，可分为空气质量监测和空气污染两种情境进行。该模拟示范区为西班牙Valladolid市，空气质量监测通过9个固定式空气质量监测站（安置于大楼顶端）监测CO、CO2、NO、NO2、O3以及气象因子，通过安置于公交车顶端的传感器移动式的监测NO、NO2等浓度和噪音污染。在适当时间将监测数据以无线技术传输至监控中心，并与附近固定式气象站信息结合，进行后续污染物扩散模拟预测分析，并且将资料集成后以图形的方式呈现在地图上，作为决策单位的预警系统。空气污染情境则是在Valladolid近郊进行模拟，当运载有毒化学品的列车发生翻覆事故，造成有毒物质扩散到大气中。一旦接到报警后，OSRIS会派出带有传感器的微型无人空中飞行器（Micro-UAV）前往事发地点上空进行大气污染物采样，无人空中飞行器将通过地面控制站和OSRIS系统与监控中心沟通并传送信息，同时收集即时影像及气象信息供扩散模拟组进行分析，生成产生有毒气体扩散的时空模拟图，以便监控中心评估灾情程度以及需疏散的地区。

法国巴黎Sensaris穿戴式无线传感器监测系统

法国Sensaris公司研发出一具穿戴式无线传感器，可配戴在手腕上。该传感器结合全球定位系统（GPS），并在其中装置蓝牙传输设备，由装有蓝牙的手机接收传感器的监测信息，然后再借助手机上网功能，将信息上传至当地的中央服务器。因此，无论是行人，或是骑自行车者，都可使用这套设备，让民众监视并汇报噪音和空气质量信息，通过互联网即时将此资讯分享给各使用者。目前此传感器提供了噪音和臭氧的监测功能，已大规模的部署在巴黎地区，以建构即时的污染地区地图。未来Sensaris计划增加其他空气污染

物的监测，包括一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物。Sensaris公司指出，在巴黎地区只有26个空气质量监测站，需应付当地约一千万人口，且空气质量指数仅在网站上每日发布一次，很显然地是不足以评估当地空气质量状况的。污染具有地域性，那些在繁忙的高速公路或者工业区附近，或者时而暴露在上风或者下风位置的居民通常面临着更严重的噪音和空气污染，但是他们却不一定有监控装置记录并汇报这些地区的污染情况，通过此套传感器设备，便可实时监测并上传环境信息，促使这些地方的民众和决策者采取必要应对措施。

塞尔维亚河川水质污染管理与预警系统

由于近年来巴尔干半岛快速的工业发展，伴随工业用化学物质的排放，导致许多河川污染问题。为了应如此迫切的需求，尼士大学电机系于2006 年始，开发河川水质污染管理与预警系统，目的是解决大量污染物导致尼沙瓦河（Nisava River）生态系统被破坏所导致的众多问题。该项目所开发的河川水质污染管理与预警系统的架构，可分为信息收集、决策系统及信息呈现等三个层面。信息收集层面牵涉到传感网的设计，这部分涵盖了传感器的选择与监测器的种类形式、监测器的结构、监测点的选择、河川交会点的传感器位置、野外测计的使用与量测范围、水质污染监测的实际运行等。在本案例中所选择的监测项目包括：水温、导电度、pH 值、溶氧量（DO）及总悬浮固体含量（TSS）。至于传感器的设置方式则为固定于河床，并借由GPRS 设备将测量到的信息即时传输至资料库。在决策系统层面，则分为使用者驱动警报及自动驱动警报两种路径。使用者驱动警报是由使用者主动对传感器提出监测要求，当传感器监测的数据经系统判断为超标，系统便自动发送警报。另一路径为自动驱动警报，当传感器自动监测所传回的数据经系统判断为超标，也将触发警报。而信息呈现则采用GIS 展示平台，以地图展示并提供查询水质监测数据的方式呈现水质监测的状况。本案例结合传感网与GIS 技术，为使用者及决策者提供线上地图浏览，同时可选择欲查询的传感器之监测信息等功能，十分值得参考。

3．几点体会

3.1 物联网还处于起步阶段，主要应用于传统物流、商业零售等领域

目前，国外对物联网的研发、应用主要集中在美、欧等少数国家，其最初的研发方向主要是条形码、RFID等技术在商业零售、物流领域应用，而随着RFID、传感器技术、近程通信以及计算技术等的发展，近年来其研发、应用开始拓展到环境监测、生物医疗、智能基础设施等领域。根据EPoSS（欧洲智能系统集成联盟）在“Internet of Things in 2020”（《物联网2020》）报告中分析预测，全球物联网的发展将历经四个阶段，2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药等行业领域；2010-2015年实现物体互联；2015-2020年物体进入半智能化，2020年后物体进入全智能化。因此，全球物联网的总体状况目前还停留在概念和试验阶段，许多相关技术仍在开发测试阶段，要真正实现不同系统之间融合，达到物物互联的全球应用，尚需很长时间。

3.2 监测是国外物联网在环保领域主要切入点

全球面向环境保护的物联网发展还处于初级阶段，已具备较好的基础。国外已经有了众多面向环境保护的物联网应用案例，在污染防治、生态保护等领域发挥着巨大作用。但从美欧等国的应用来看，运用不同的传感器或物体来进行环境监测是现阶段比较成熟的物联网实践，如针对水质、针对大气质量和针对藻类的运用，使用物联网的监测方式可以比现有监测系统得出更加客观的环境质量数据。而物联网还未在环境保护其他领域大量运用的主要原因是由于物联网自身的理论、技术还不够完善，而与监测相关的RFID、传感器技术、近程通信技术相对成熟。相信随着物联网各项技术的日趋成熟，大量技术的成熟和产品的应用将为面向环境保护的物联网产业的发展奠定良好基础。

[1] 陈柳. 物联网: 国内外发展动态及亟待解决的关键问题[J]决策咨询通讯, 2010(5) :15-32.

[2] 国立台湾大学. 感测网技术应用在污染防治之研究感测网现况分析报告[R].1998.132-133; 135-138.

[3] 贺琳. 美国密歇根州采用RFID激励居民垃圾回收[N/OL].RFID世界网, http://news.rfidworld.com. cn/2009_10/2009101292477312.html.

[4] Internet of Things — An action plan for Europe, COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIES Brussels, 18.6.2009 COM(2009) 278 final.

General Analysis on the Development and Application of the Internet of Things on Environmental Protection in US and EU

Liu Liyuan
（Information Center of the Ministry of Environmental Protection, Beijing 100029, China）

The paper mainly summarized the development process of the Internet of Things in US and EU and also gave a general understanding of the policy documents related to the Internet of Things including “the Internet of Things-An action plan for Europe”. Then it put emphasis on the case studies of City Sense and MARVIN in US, environmental protection application projects like OSIRIS in Spain, Sensaris in France and Water Pollution Management and Early Warning System in Serbia. Based the general analysis on the application projects of Internet of Things in the feld of the environmental protection in US and EU, it put forward the relevant suggestions for the development of Internet of Things on environmental protection in China.

Internet of things；Environmental Protection；application

X32

A

1674-6252（2014）06-0044-05

刘立媛（1979—），女， 汉族， 山西大同人，硕士， 工程师，主要研究方向为环境信息化研究.