泛在網在環保領域的應用

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 泛在網的架構

泛在網 （ubiquitous network），即廣泛存在的網絡，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。國際電信聯盟（ITU）認為，泛在網將原本不屬于電信范疇的技術，如傳感器技術、標簽技術等各種近距離通信技術納入其中，從而構建起一個范疇更大的網絡體系。

FTTH、IPv6、3G、Wi-Fi、RFID、藍牙等都是組成泛在網的重要技術。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技術解決了網絡和用戶終端之間的相互認證；Wi-Fi和藍牙技術一樣，實現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品信息進而識別產品的能力。

與傳統電信網絡架構相比，泛在網的底層出現了感知延伸層，如圖1所示。這種感知延伸實現的是數據采集的功能，所借助的正是上面提到的這些基本的通信技術，主要實現各種信息采集、捕獲、物體識別。感知延伸層的關鍵技術還包括傳感器、RFID、自組織網絡、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展。

泛在網中接入網涉及各種有線接入 （廣電網，電力網）、無線接入（2G/3G網絡）、衛星等技術以及相應的節點和網關。接入網根據感知延伸層的業務及傳輸特征，設置相應網關，優化網絡特性，更好地支持物物與物人通信。

業務管理和應用層最終面向各類應用，實現信息的處理、協同、共享、決策。從服務主體出發，泛在網應用分為行業專用服務、行業公眾服務、公眾服務。從應用場景看，包含工業、農業、電力、醫療、家居、個人服務等各種場景。業務和應用層涉及海量信息的智能處理、分布式計算、中間件、信息發現等多種技術。

2 環保應用對泛在網的需求

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

另一方面國家已把發展綠色經濟、低碳經濟寫入了“十二五”規劃，對于碳排放量較大的企業來說，對其碳排放進行監測，能夠幫助企業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測系統中收集信息，針對動態能源目標跟蹤能耗，獲取并分析這些數據，幫助用戶了解關鍵能源指標以及它們是如何影響整體能源消耗，實現碳排放可測量、可監測、可交易，從而可在生產過程中控制碳排放量。隨著國家對環境監測工作的加強，智能環保應用的需求將趨于旺盛，市場價值和商業潛力巨大。

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

泛在網可以廣泛地應用于環保領域的諸多方面，進行監測感知和智能分析。采用泛在網對環境質量和污染源進行監測具有投資較少，建設周期短，運行維護簡單，性價比高等優點。

對環境質量的監測是一種分散式的監測，沒有特定的區域要求，只需要對城市或周邊較大范圍了解環境的整體信息，因此采用傳感數據采集模塊通過無線網絡直接與監測中心通信的方式比較合適；對污染源的監測需要對各個排污區域進行較密集的監測，只憑借某個位置的傳感數據采集無法對污染源整體狀況進行明確的判斷，通過重點區域的短距離局域網與無線通信的廣域網兩種網絡的組合來實現污染源監測，能夠充分滿足環境污染源監測的需求。

3 物聯網環保監測系統的架構及功能

物聯網環保監測系統主要由三大部分組成，包括環保監測傳感網、無線數據傳輸網、環保監測綜合管理系統，如圖2所示。

（1）環保監測傳感網

由各種智能水文傳感器，空氣質量傳感器，光照、溫濕傳感器及短距離通信傳輸模塊設備等組成，各類傳感器采集數據后將其匯聚到相應的網關節點，通信方式可以由具體的應用場景來決定，低功耗、低成本的ZigBee協議被采用得比較廣泛，感應數據經過網關節點再上傳至感知數據管理系統。

（2）無線數據傳輸網

其負責將匯聚到感知數據管理系統的感應數據通過感應數據匯集系統上相應的cdma2000 EV-DO無線模塊再上傳到網絡側的應用平臺。

對于污染源需要重點監測的區域，各種傳感器構成的單個節點采集到數據后（每個節點都采用ZigBee或者WLAN等短距離通信模塊來進行組網）進行數據傳輸，將數據匯集到一個匯結點，匯結點進行協議轉化后再通過cdma2000 EV-DO無線數據通信模塊向監測平臺發送數據。對于非重點區域的質量監測，由于其對數據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據的傳輸。數據傳輸模式可分為：永遠在線模式、定時傳輸模式、中心呼叫模式、數據觸發模式，分別針對不同的應用場景，對于一般情形的環境監測，考慮到傳感器設備和無線數據模塊的能耗以及數據傳送對EV-DO網絡的壓力可以采用定時傳輸模式。

（3）環保監測應用平臺

該平臺主要由兩部分組成，包括服務器端接收存儲、分析模塊（環境監測綜合管理系統）以及基于Web的數據發布監測操作界面（Web browser）。

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

采用cdma2000 EV-DO構建環保監測系統，目前有包月收費和以數據流量計費兩種方式，對運營商來說目前可運營的商業模式主要是流量計費。由于各類傳感數據都比較小，對于用戶來說，按流量計費通信費用比其他方式低，一定程度上節約了建設、維護以及使用成本。電信運營商也將因此獲得業務穩定的集團用戶，隨著用戶數量的增加，營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網絡建設和網絡應用同步發展的要求。

4 泛在網應用于環保領域面臨的挑戰

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

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

5 結束語

泛在網技術充分利用傳感技術并融合短距離的ZigBee通信和cdma2000 EV-DO無線傳輸等手段，很好地解決了環境保護領域對在線監測系統的要求，如監控數據實時性強，監控點多，監測點相隔距離遠，能應用于復雜監測環境等。對環境質量與重點污染源的監測，利用傳感器網、通信網絡相結合，形成了初步的泛在網體系，在下一步的探索中，還可以將智能數據分析處理平臺引入到監測和管理系統中，實現有效的環境污染控制以及對排污單位或個人的及時監管，為環境保護提供一個全新的自動化與信息化的管理監測方式。