物聯網技術在海洋環境監測中的應用研究

摘 要：隨著經濟的快速發展和科技的不斷進步，我國對海洋資源的開發和利用活動越來越多，對海洋環境監測技術也提出了更高的要求。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，代表著世界信息產業發展的最新成果。探索建設基于物聯網技術的海洋環境監測系統，對于提升我國海洋環境監測能力和海洋環境管理水平有著重要意義。

關鍵詞：物聯網技術；海洋環境；監測應用

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：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

物聯網是通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，代表著世界信息產業發展的最新成果。物聯網利用智能感知、識別技術、網絡通信與普適計算等通信感知技術，把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式連在一起，形成一個人與物、物與物、萬物互聯的龐大網絡。

物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡，業務和應用創新是其發展的核心。物聯網不但能夠全面感知，還能自動化處理。物聯網一般整體使用傳感網和互聯網，通過傳感網，拓展互聯網用戶終端，達到實時管理物品的目的，可以讓無生命的物品和人“對話”，繼而讓人與物高效地進行信息交流，實現人與機器、機器與機器以及人與人之間的信息交互，體現“科技為人服務”的主旨。在實際應用中，往往布設無線傳感器網絡，也就是把許多成本低的微型傳感器節點設置在監測范圍中，利用無線通信方式，生成多跳的網絡系統，協作地采集及處置被感知的信息，同時把信息傳遞給觀察者，達到高效獲取各個事物信息的效果。[1，2]基于物聯網技術的海洋環境監測系統，主要包括數據采集系統、數據傳輸系統和信息管理系統，通過在監測海域搭建無線傳感器網絡采集海洋監測數據，經過無線通信方式傳輸監測數據，在信息管理系統完成數據的接收和處理，并將數據可視化，實現對海洋環境的智能和動態監測。

1 無線傳感器網絡技術

海洋環境監測的數據采集系統主要通過無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）技術實現。無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡具有大規模、自組織、動態性、可靠性、集成化，以數據為中心，自組織方式、協作方式執行任務的特點，包括傳感器、感知對象和觀察者三個組成要素。

現階段無線傳感器網絡主要應用于在線定點監測海洋水質，監測的項目一般有溫度、鹽度、pH、溶解氧、氧化還原電位、特殊離子等。從整體上來看，海洋化學傳感器要比物理傳感器滯后許多，雖然在其他領域中研發出了現代傳感器，但無法被直接移植應用于海洋環境監測，受到海洋惡劣環境及各類復雜因素的影響，均阻礙了海洋環境監測傳感器的開發，導致其應用遇到諸多難題。因此，需要著重研發及使用新型海洋環境監測專用無線傳感器，進一步提升海洋環境監測水平。隨著物聯網技術的不斷發展，無線傳感器網絡技術將廣泛應用于環境監測、軍事、智能交通、醫療衛生等諸多領域。

2 無線通信方式與技術

海洋環境監測的數據傳輸系統一般是采用ZigBee通信技術將采集的海洋環境監測數據發送到數據監測終端，并通過無線通訊方式將監測數據實時傳送到信息管理系統。

2.1 ZigBee通信技術

ZigBee（又稱紫蜂）技術是根據IEEE 802.15.4無線標準而研制的一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee協議主要包括物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。ZigBee通過在世界范圍內使用免費頻段進行通信，在歐洲、美國和全球通用頻段分別為868.00～868.66MHz、902～928MHz、2.400～2.484GHz，在技術傳輸速率上分別為20Kb/s、40Kb/s和250Kb/s。因為ZigBee技術使用的數據傳輸率較低，工作頻段較低，單元容量較小，同時設備的ZigBee模塊不使用時可進入休眠狀態，減少了設備的整體功耗。相較于藍牙等其他無線通訊技術，ZigBee技術具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全的特點，主要用于自動控制和遠程控制等領域，可以嵌入各種設備。ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，通訊距離從標準的75米到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展，特別是帶有路由的可組網功能，可以實現在數千個微小的傳感器之間相互協調并高效率的通信。

2.2 4G無線通訊技術

第四代移動通信技術（the 4th Generation mobile co mmunication technology，4G）是基于IP協議的高速蜂窩移動網，傳輸速率至少達到100Mbps。4G網絡結構可分為三層：物理網絡層、中間環境層和應用網絡層。4G核心技術包括接入方式和多址方案、新的調制與編碼技術、高性能的接收機、智能天線技術、MIMO技術、軟件無線電技術、基于IP的核心網和多用戶檢測技術等，具有通信速度快、網絡頻譜寬、頻率效率高、通信靈活、智能性能高、兼容性好、可提供高質量通信和增值服務等技術優勢。相較于3G技術，4G能夠更快更高效地傳輸數據、音頻、視頻和圖像等，更適合在海洋環境監測中高速高質量的傳輸監測數據和多媒體信息。

3 信息管理系統

海洋環境監測的信息管理系統要具有監測數據的存儲預處理、數據的可視化和物聯網的管理等功能。信息管理系統一般基于面向對象的開發思想，采用C/S架構和模塊化結構，選用ArcGIS、SQL Server、Oracle數據庫、VC++等作為開發工具，針對普通用戶和管理員授予不同的系統使用權限，滿足監測數據的查詢與分析、海洋環境質量綜合評價、構建不同監測要素分析模型、預測監測要素的變化趨勢、發布預警信息、監測系統的在線管理與交互操作等不同功能需求。同時，依托物聯網、數字化、電子化和信息技術，通過規范化和程序化的流程管理，實現海洋環境監測業務從數據采集、數據傳輸到信息管理全過程動態監控與管理。

4 物聯網技術的實際應用

基于物聯網技術的海洋環境監測系統，通過在監測海域搭建無線傳感器網絡，如布設很多視頻設備與傳感器等，生成感知層，接著通過網絡層，把數據傳輸到應用層，應用層再結合傳感器位置等多方面信息，從整體上分析監測數據，構成監測體系，進而達到智能動態監測海洋環境的效果。周穎芝等[3]通過使用物聯網技術，構建了監測體系，生成了太湖藍藻預測預警平臺，能夠精確監測藍藻水華，預測精度超過80%，并確保數據上的可靠性和連續性。天津市環保局通過建設重點污染源自動監控系統和空氣質量自動監測系統，布設28個環境空氣自動監測點位，覆蓋全市各個行政區域，開展PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等六項污染物的自動監測，實現了污染源自動監測數據的統一采集、存儲、評價和發布，為環境執法、總量減排、污染防治等環境管理工作提供重要技術保障。何世鈞等[4]基于物聯網技術的海洋環境監測系統，綜合運用無線傳感器網絡技術、嵌入式計算技術、3G無線通訊技術、GIS空間信息處理技術等，實現了海洋環境動態在線監測、數據實時處理及可視化展示等功能。

5 結 論

海洋經濟的高速發展，對海洋環境的影響日益加劇，局部海域已出現環境污染和資源退化等問題，海洋環境面臨的壓力與日俱增，也對海洋經濟的可持續發展和海洋環境的管理帶來嚴峻的挑戰?，F階段我國海洋監測工作面臨著海洋環境監測信息化整體水平不高、基層環境監測能力和專業技術人員較為缺乏、海洋環境風險管控和應急能力建設相對薄弱、海洋環境監測科技支撐能力不夠等多方面的問題。物聯網技術應用于環境監測工作，可以保證監測數據較高的安全性，達到預估自然災害的效果，使社會逐步認識到環境監測工作的重要性，引導環境監測從業人員更加科學有效地開展工作。[5，6]依托新一代信息技術，物聯網技術已在各行各業之中得到充分運用，在海洋監測環境工作也獲得了明顯的成效，這將有助于提升我國海洋環境監測能力和海洋環境管理水平。

參考文獻：

[1] 舒松.物聯網技術在環境監測中的應用探討 [J].電子世界，2017（2）：135-136.

[2] 趙艷玲.物聯網技術在海洋監控系統中的應用 [J].艦船科學技術，2016，38（2）：175-177.

[3] 周穎芝，楊宏偉.基于物聯網技術的太湖新城環境預警與管理平臺設計 [J].安徽農業科學，2014，42（4）：1250-1251+1264.

[4] 何世鈞，陳中華，張雨，等.基于物聯網的海洋環境監測系統的研究 [J].傳感器與微系統，2011，30（3）：13-15.

[5] 馬碧霜.試論物聯網技術在環境監測中的應用 [J].科技視界，2017（33）：115-116.

[6] 吳丹娜，江洪，張金夢，等.環境監測中物聯網技術的應用 [J].安徽農業科學，2014，42（10）：3076-3079.

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