摘要： 物联网被称为世界信息产业中继计算机、互联网之后的第三次浪潮。物联网技术在环保产业的应用主要基于无线传感器网络在水质和大气环境监测方面的应用。通过在被监测区域放置众多传感器采集相关数据，并通过Zigbee无线网络传输到路由器，经分析、处理后发送到远程监控中心，实现对水、大气环境的实时在线监测，大大弥补了传统的人工监测的不足。因此，物联网技术在环保领域的应用也成了近几年环保工作研究的重点方向之一。本文对物联网技术在环保领域的应用研究现状作了综述，以期理清当前和今后一段时期环保物联网应用研究的主要发展方向。
Abstract： The internet of things is called the third wave after the computer and the internet in the world information industry. The internet of things technology application in the environmental protection industry is mainly based on the application of wireless sensor network in the water and atmospheric environment monitoring. Many relevant data are collected through placing numerous sensors in the monitoring region， and are transmitted to the router through the Zigbee wireless network. After the data are analyzed， processed and sent to the remote monitoring center. The water and atmosphere of real-time online monitoring are achieved， which makes up the inadequacy of traditional manual monitoring. Therefore， the application of the Internet of things technology in the field of environmental protection has become one of the key directions in the work of environmental protection in recent years. The paper reviewes on application of internet of things technology in environmental protection industry to clarify the main development direction of network application period of the current and future period of environmental protection material.
键词： 物联网;无线传感器网络;环保产业;水质;大气;监测
Key words： the internet of things;wireless sensor network;environmental protection industry;water;atmosphere;monitoring
0 引言
物联网是在互联网的基础上实现传感信息技术、通信技术和计算机技术三者为一体的智能网络。由于具有这三者的特征，物联网技术被广泛应用在工业、农业、军事、环境、交通、物流等各个领域。近几年，关于物联网技术应用在环保产业的研究成果不断涌现，尤其是水质和大气环境监测方面的研究成果更为丰富，本文主要对2009年以后的最新研究情况进行归纳总结，重点讨论一些重要的发展方向和最新研究成果，供研究者参考。
1 物联网技术在环保产业的应用研究
1.1 物联网技术在水质监测方面的应用研究
水是人类赖以生存的基础，水环境的变化与人类的生存发展密切相关。近年来，随着我国工业化社会的飞速发展，各类工厂企业越来越多，河流污染现象也越来越严重。水污染问题已经成为我国经济社会发展最重要的制约因素之一。水质监测是保护水资源环境的重要手段，也是管理和保护水资源的重要组成部分，因此先进的水质监测系统越来越得到人们的广泛关注。
随着科学技术的发展，水质监测系统由最初的人工监测，逐渐向网络化、智能化方向不断发展。目前，基于无线传感器网络（WSN，wirelesssensor Network）的在线监测系统在国内外得到广泛研究和应用。无线传感器网络是由部署于被监测区域内众多传感器节点组成，并以一定的无线通信方式构成一个多跳的自组织的网络系统。
1.1.1 基于物联网技术的水质在线监测系统架构
从所发表的文章内容来看，基于物联网的水质在线监测系统主要由感知层、传输层及应用层三大子系统构成。感知层子系统利用传感器进行水环境的pH值、温度、浊度、溶解氧、溶氧量、电导率、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、重金属离子等主要监测参数的实时数据采集和监测，经ZigBee 方式上传到传输层子系统，再通过GPRS等有线网络上传到应用层子系统综合监控中心，监控中心对采集的数据进行实时分析处理，并在监测指标出现异常时报警，实现对水质情况的实时在线监测。
1.1.2 无线传感器网络组网方式
目前在无线传感技术中使用最为普遍的是ZigBee技术，ZigBee 技术是一种近距离无线网络技术，具有低功耗、低速率、低成本、数据传输可靠、多种组网方式、网络的自组织性以及网络的安全性好等特点，应用前景非常广阔。
ZigBee 网络主要有星型网、树型网和网状网三种网络拓扑结构。
①ZigBee星形网络（Star Network）组网方式。
星型网络是最简单的网络拓扑结构，它成辐射状的单跳网络结构，它主要有协调器（中心）节点和终端节点两种节点，但它软硬件设计都可以简化，成本低廉，更适合应用在一些小范围的无线监测网络中。
文献1-6所设计的水质在线监测系统中，无线传感器网络采用的都是Zigbee星型网络组网方式。对水质环境的监测主要通过传感器，合理选择传感器是设计无线传感器网络的前提，由于这6个文献中所监测的水环境范围不同，所以，系统所涉及的传感器选型也有所不相。
文献1-3主要是对水产养殖水环境的监测，选用的传感器主要有PH值、溶解氧、水温等传感器。传感器节点将所采集的数据发送到控制中心，控制中心对数据进行处理后通过ZigBee方式传输到传输层子系统，系统中Zigbee无线通信模块芯片分别采用CC1100、CC2530及CC2420射频芯片，芯片均具有性能稳定、功耗低、安全性高等优点，完全满足短距离无线通信技术的要求。
文献4-5设计了一种废水监控系统。文献4是针对印染废水而设计的，与其他污水相比，印染企业废水具有高浓度和难降解的特点，且其具有排放点分散、监测点多及地域分布广等问题。为了解决这一问题，笔者提出一种基于物联网技术的印染废水监控系统，该系统涉及的传感器有化学需氧量（COD）、悬浮物（PP）、酸碱度（PH）及氧化还原电位（ORP）等，ZigBee协调器网络控制中心的微处理器采用CC2430芯片，最终水质参数数据经过以太网发送到数据库服务器。文献5设计的是一种工厂废水远程监控系统，该系统采用CC2530芯片作为ZigBee通信模块发送水质参数数据，嵌入式网关对数据进行接收和处理，再经过GPRS或Internet网络发送到监控中心。这两个系统都进行了现场试验，试验数据结果表明系统具有监测精度高、数据采集准确、传输过程可靠等优点。
文献6设计了一种基于物联网的海洋环境监测系统，利用无线传感器网络技术，实现海洋环境多要素数据的采集，利用ZigBee、蓝牙、3G、无线微波等无线通信技术实现监测数据的传输，利用互联网技术发布监测结果，最终实现海洋环境的智能监测。系统中采用的传感器包括CTD、ADCP、温湿度传感器、风速风向传感器等，与水产养殖、废水环境监测涉及的水质参数不同，增加了海洋水文气象参数传感器。无线传感网络中的ZigBee通信模块同文献4一样，均采用CC2430芯片作为控制核心。
②ZigBee树型网络（Cluster-tree Network）组网方式。
树型网络主要是在星型网络中加入具有路由功能的节点以形成多跳网络，从而扩大了网络的覆盖面积，因此主要有三种节点：协调器、路由器和终端，其中协调器是网络中的管理者，一个树型网络中有且只有一个协调器。路由节点称为全功能节点（FFD），终端节点由于不具有路由功能而称为简化功能节点（RFD）。
文献7-9所设计的水质在线监测系统中，无线传感器网络采用的都是ZigBee树型网络组网方式。
文献7所设计是一种河流水质在线监测系统，可以实现被监测水域水质参数的实时监测，一旦被监测水域的水质质量超标，可以及时地将污染信息反馈到总监测中心，便于监管部门的监管，并作为政府及环保部门评估河流水质污染状况的依据。
文献8针对污水处理厂具有分布区域广、处理工艺流程复杂和工作现场环境恶劣等特点，设计了一种污水监测系统，污水监测系统分为污水参数监测系统和污水处理过程监测系统。前者实现对水温、PH值、浊度、电导率、溶氧量等污水参数的测量，并对污水关键进水口和排水口重点区域的流量和水位检测等进行实时视频监测;后者完成各个污水处理池污水处理过程的参数与控制指令传输。处理后的数据通过WLAN模块或者CDMA模块传送到现场控制服务器或者远程监控服务器。
针对国内水产养殖无线传感器网络网关设计存在的问题，文献9提出并实现了一种能与多个服务器通信与能量自我补给的网关。并根据水产养殖环境特点，设计一种适合大面积部署与减少跳数的树形组网方法，不同与以往的树形组网方式。在此网关和组网方法的基础上，在珠海市之山水产发展有限公司养殖基地进行组网试验，实验结果表明这种方法的可行性。
③ZigBee网状网络（Mesh Network）组网方式。
网状结构中的所有节点都是平等的，每个节点都可以与其它节点通信，而且都可以为其它节点提供路由，所以节点间的通信可以有多条传输路径。因此具有较高的灵活性、稳定性和抗干扰性能。但它的路由算法比较复杂，适合应用在比较复杂且要求设备间通信效率较高的场合。
文献10-12所设计的水质监测系统中，无线传感网络均采用ZigBee网状组网方式。
文献10设计了一个基于无线传感器网络的地表水水质远程监控系统。地表水也称“陆地水”，是指存在于地壳表面并暴露于大气的水，是河流、冰川、湖泊、沼泽四种水体的总称。传感器节点主要采集地表水溶氧量、水温与PH值等水体参数，最终将这些数据通过GPRS方式传送到监控中心，监控中心负责对设备节点数据进行处理，并将其与地理信息系统（geographic information system，GIS）和全球定位系统（global positioning system，GPS）融合，以方便在更大范围内实现数据信息资源共享。
文献11提出的水产养殖水质在线监测系统中传感器主要也是采集温度、PH 值、溶氧量、电导率、浊度等数据，最终也通过GPRS 方式将数据上传至监控中心。
文献12设计了一种污水水质在线监测系统，系统所采用的传感器与文献11中的传感器相同，最终采集的数据通过以太网方式传输到监控中心。
文献10-12中无线传感网络中的ZigBee通信模块均选用低功耗的CC2530 芯片作为控制核心。
以上文献都是基于ZigBee无线传感器网络而设计的水质在线监测系统，而文献13设计的水质远程监测智能环保系统将固定远程监测站点、移动式无线监测站点以及生物水质监测站点三者融合，形成监测水域全覆盖、三位一体的实时监控网络。而且系统具有测量数据远程加密传输、超标报警、测量数据实时存储、科学决策等功能，并经过现场实验，实验结果显示该系统工作可靠、成本低、监测范围广，具有推广应用价值。
文献14设计的远程污水监测系统利用S3C44B0+自带的UART对传感器采集的数据进行传输，通过MODEM转换器、完备的公共电话网实现和计算机的远距离通信。为了帮助环保部门监督厂矿尽可能少地污染环境，系统还采用GSM无线传输方式实现监测数据的超标报警。所有实时数据除了通过公共电话网传输到计算机外，还通过SPI接口存入SD存储卡中，可以有效地防止由于各种外部不确定因素造成的数据流失，从而提高了系统的可靠性。
1.2 物联网技术在大气环境监测方面的应用研究
大气环境是人类生存的自然环境的重要组成部分，也是人类生存、发展的基本物质基础。近年来，一些污染企业向空气中排放大量的废气，严重影响了空气质量，大气污染越来越严重，对人们的健康已造成严重的影响。因此，监视环境污染变化动态，开展空气质量监测工作是十分必要的。关于大气环境监测方面的研究颇受人们的关注，成为研究领域的热点问题，研究成果不断涌现。
由于目前我国对大气环境的监测采用的传统人工取样实验室分析法不能提供被监测气体的实时值，和采用国内外进口的自动化大气环境监测进行在线监测的方法，由于价格昂贵、运营成本高，普及率低等问题，文献15-25均提出了一种基于无线传感器网络的物联网大气环境在线监测系统。该系统由感知层、传输层及应用层三大系统构成。感知层利用传感器实时采集SO2、NO2浓度、CO、CH2、总悬浮颗粒物、粉尘、一氧化氮、PM2.5等大气主要参数，并将采集到的数据经ZigBee 方式上传到传输层，再通过GPRS或3G网络上传到应用层综合监控中心，监控中心对采集的数据进行实时分析处理，实现对大气变化情况的实时在线监测。
无线传感器网络基本都采用ZigBee树形和网状网络组网方式，网络覆盖面积广，稳定性、抗干扰性强，通信效率高。传感节点数据采集和处理及无线通信部分均由低成本、低功耗的CC2530或CC2430无线通信模块完成。
不同于上述文献，文献26设计了一种基于FTIR 技术的 DSP+ARM 双处理器的在线实时环境监测系统，将小波神经网络应用于对多组份污染气体光谱图信号的处理中。FTIR（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）技术即傅里叶变换光谱技术。采用 FTIR 光谱仪，可以测定多种污染气体，如：C2H2、NH3、C2H4、HCOOH、CH2O等多种挥发性有机化合污染物 VOCs，不仅可以监测到这些污染物在空间上和时间上的变化规律，而且还可以分析这些污染气体的扩散趋势。
文献27设计了一种基于红外传感与无线网络的大气环境环境监测系统，系统应用红外传感器对大气中CO2、CH4、SO2、H2S等气体的浓度进行检测，检测结果经转换、处理后传输出去。
文献28根据光学散射法测量大气中的烟尘浓度，设计了一种基于Android系统的浓度监测测软件，相比传统的人工监测，它具有更大的移动性、便捷性。
2 结论与展望
物联网技术的发展，推动了环保产业向信息化、智能化发展。由上面的分析可以看出，基于物联网技术的水质、大气环境在线监测系统，基本都是基于ZigBee技术的无线传感器网络而设计的，ZigBee技术具有低成本、低功耗、数据传输性及网络安全性好等优点，必将是今后技术发展的主流。在设计监测系统时，应根据监测环境，不断优化网络，做到降低成本、数据准确、传输及时等，各监测单位数据资源共享，不能局限在理论，应具有推广应用价值。
参考文献：
[1]李梦亮.基于无线传感网络和互联网的水质监控系统[D].上海：上海交通大学，2011.
[2]曾宝国，刘美岑.基于物联网的水产养殖水质实时监测系统[J].计算机系统应用，2013，22（6）：53-55.
[3]蔡苏华.基于ARM的养殖水质监测系统设计与研究[D].南京：南京师范大学，2012.
[4]赵广复，田珍.基于物联网的印染废水监控系统设计[J]. 化工自动化及仪表，2012，（39）4：521-523.
[5]贾芳芳，俞阿龙，杨维卫.嵌入式工厂废水远程监控系统设计[J].传感器与微系统，2013，9（32）：109-110.
[6]陈中华.基于物联网的海洋环境监测系统的研究与应用[D].上海：上海海洋大学，2012.
[7]呼娜.基于无线传感器网络的水质监测系统研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012，5.
[8]吴文彬.物联网在污水控制中的应用[J].电子技术与软件工程.
[9]卢康榉，王卫星，胡月明，姜晟，黄建清.基于水产养殖无线传感器网络网关设计与组网研究[J].广东农业科学，2013（6）：179-180.
[10]黄戎，巫茜.地表水质远程监控的无人值守系统实现[J]. 自动化仪表，2013，6（34）：80-81.
[11]赵小欢.基于WSN的水产养殖水质在线监测系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.
[12]李建业，常丹华.一种无线传感器网络的设计与应用[J]. 仪表技术与传感器，2013，8.
[13]赵小强.水质远程监测智能环保系统[J].计算机工程，2010，17（36）：93-94.
[14]赵小强.基于GSM的远程污水综合监测分析系统的设计[J].嵌入式系统应用，2010，2（26）：91-92.
[15]魏胜非，李忠民，张玲，许德玄.基于Zigbee的大气污染物监测研究[J].物理实验，2013，11（33）：8-10.
[16]鲍洪.基于无线MESH网络的智能环境监测系统[D].成都：成都理工大学，2013.
[17]李鹏，张瑞霞，王赛超.基于物联网技术的大气环境监测系统研究[J].信息通信，2013（8）：59-60.
[18]刁慧琴.Zigbee技术在污染气体监测系统中的研究与应用[D].南京：东南大学，2012.
[19]毛轩昂.基于ARM9和3G的远程环境监测系统设计[D].株洲：湖南工业大学，2012.
[20]王赟.基于WSN的大气环境监测技术研究[J].科技创新与应用，2013（26）：28.
[21]朱军，向腾辉，张小美，杨永杰.基于ZigBee技术的大气PM2.5监测系统设计[J].测控技术，2013，11（32）：10-13.
[22]万国峰，骆岩红.基于无线传感器网络的大气污染监测系统的设计[J].自动化与仪器仪表，2012（1）：44-45.
[23]龚道礼.基于无线传感器网络的环境监测系统研制[D].武汉：中国地质大学，2011.
[24]杜春飞.无线传感网络大气环境监测系统设计[D].大连：大连海事大学，2012.
[25]丁琳，朱伟兴，蒋道霞.用于城市大气监测的无线传感器网络设计[J].传感器与微系统，2013，10（32）：74-76.
[26]李伟.基于FTIR的多组分污染气体监测技术的研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.
[27]刘玉宾.基于红外传感与无线网络的大气环境监测系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.
[28]肖新，周海洋，李保生，刘志健.基于手持设备的烟尘浓度监测软件设计[J].现代科学仪器，2011（6）：91-92.