物联网技术在海洋环境监测中的应用研究

摘 要：随着经济的快速发展和科技的不断进步，我国对海洋资源的开发和利用活动越来越多，对海洋环境监测技术也提出了更高的要求。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，代表着世界信息产业发展的最新成果。探索建设基于物联网技术的海洋环境监测系统，对于提升我国海洋环境监测能力和海洋环境管理水平有着重要意义。

关键词：物联网技术；海洋环境；监测应用

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：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

物联网是通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，代表着世界信息产业发展的最新成果。物联网利用智能感知、识别技术、网络通信与普适计算等通信感知技术，把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式连在一起，形成一个人与物、物与物、万物互联的庞大网络。

物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络，业务和应用创新是其发展的核心。物联网不但能够全面感知，还能自动化处理。物联网一般整体使用传感网和互联网，通过传感网，拓展互联网用户终端，达到实时管理物品的目的，可以让无生命的物品和人“对话”，继而让人与物高效地进行信息交流，实现人与机器、机器与机器以及人与人之间的信息交互，体现“科技为人服务”的主旨。在实际应用中，往往布设无线传感器网络，也就是把许多成本低的微型传感器节点设置在监测范围中，利用无线通信方式，生成多跳的网络系统，协作地采集及处置被感知的信息，同时把信息传递给观察者，达到高效获取各个事物信息的效果。[1，2]基于物联网技术的海洋环境监测系统，主要包括数据采集系统、数据传输系统和信息管理系统，通过在监测海域搭建无线传感器网络采集海洋监测数据，经过无线通信方式传输监测数据，在信息管理系统完成数据的接收和处理，并将数据可视化，实现对海洋环境的智能和动态监测。

1 無线传感器网络技术

海洋环境监测的数据采集系统主要通过无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）技术实现。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络具有大规模、自组织、动态性、可靠性、集成化，以数据为中心，自组织方式、协作方式执行任务的特点，包括传感器、感知对象和观察者三个组成要素。

现阶段无线传感器网络主要应用于在线定点监测海洋水质，监测的项目一般有温度、盐度、pH、溶解氧、氧化还原电位、特殊离子等。从整体上来看，海洋化学传感器要比物理传感器滞后许多，虽然在其他领域中研发出了现代传感器，但无法被直接移植应用于海洋环境监测，受到海洋恶劣环境及各类复杂因素的影响，均阻碍了海洋环境监测传感器的开发，导致其应用遇到诸多难题。因此，需要着重研发及使用新型海洋环境监测专用无线传感器，进一步提升海洋环境监测水平。随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络技术将广泛应用于环境监测、军事、智能交通、医疗卫生等诸多领域。

2 无线通信方式与技术

海洋环境监测的数据传输系统一般是采用ZigBee通信技术将采集的海洋环境监测数据发送到数据监测终端，并通过无线通讯方式将监测数据实时传送到信息管理系统。

2.1 ZigBee通信技术

ZigBee（又称紫蜂）技术是根据IEEE 802.15.4无线标准而研制的一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee协议主要包括物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。ZigBee通过在世界范围内使用免费频段进行通信，在欧洲、美国和全球通用频段分别为868.00～868.66MHz、902～928MHz、2.400～2.484GHz，在技术传输速率上分别为20Kb/s、40Kb/s和250Kb/s。因为ZigBee技术使用的数据传输率较低，工作频段较低，单元容量较小，同时设备的ZigBee模块不使用时可进入休眠状态，减少了设备的整体功耗。相较于蓝牙等其他无线通讯技术，ZigBee技术具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全的特点，主要用于自动控制和远程控制等领域，可以嵌入各种设备。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无限扩展，特别是带有路由的可组网功能，可以实现在数千个微小的传感器之间相互协调并高效率的通信。

2.2 4G无线通讯技术

第四代移动通信技术（the 4th Generation mobile co mmunication technology，4G）是基于IP协议的高速蜂窝移动网，传输速率至少达到100Mbps。4G网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层和应用网络层。4G核心技术包括接入方式和多址方案、新的调制与编码技术、高性能的接收机、智能天线技术、MIMO技术、软件无线电技术、基于IP的核心网和多用户检测技术等，具有通信速度快、网络频谱宽、频率效率高、通信灵活、智能性能高、兼容性好、可提供高质量通信和增值服务等技术优势。相较于3G技术，4G能够更快更高效地传输数据、音频、视频和图像等，更适合在海洋环境监测中高速高质量的传输监测数据和多媒体信息。

3 信息管理系统

海洋环境监测的信息管理系统要具有监测数据的存储预处理、数据的可视化和物联网的管理等功能。信息管理系统一般基于面向对象的开发思想，采用C/S架构和模块化结构，选用ArcGIS、SQL Server、Oracle数据库、VC++等作为开发工具，针对普通用戶和管理员授予不同的系统使用权限，满足监测数据的查询与分析、海洋环境质量综合评价、构建不同监测要素分析模型、预测监测要素的变化趋势、发布预警信息、监测系统的在线管理与交互操作等不同功能需求。同时，依托物联网、数字化、电子化和信息技术，通过规范化和程序化的流程管理，实现海洋环境监测业务从数据采集、数据传输到信息管理全过程动态监控与管理。

4 物联网技术的实际应用

基于物联网技术的海洋环境监测系统，通过在监测海域搭建无线传感器网络，如布设很多视频设备与传感器等，生成感知层，接着通过网络层，把数据传输到应用层，应用层再结合传感器位置等多方面信息，从整体上分析监测数据，构成监测体系，进而达到智能动态监测海洋环境的效果。周颖芝等[3]通过使用物联网技术，构建了监测体系，生成了太湖蓝藻预测预警平台，能够精确监测蓝藻水华，预测精度超过80%，并确保数据上的可靠性和连续性。天津市环保局通过建设重点污染源自动监控系统和空气质量自动监测系统，布设28个环境空气自动监测点位，覆盖全市各个行政区域，开展PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3等六项污染物的自动监测，实现了污染源自动监测数据的统一采集、存储、评价和发布，为环境执法、总量减排、污染防治等环境管理工作提供重要技术保障。何世钧等[4]基于物联网技术的海洋环境监测系统，综合运用无线传感器网络技术、嵌入式计算技术、3G无线通讯技术、GIS空间信息处理技术等，实现了海洋环境动态在线监测、数据实时处理及可视化展示等功能。

5 结 论

海洋经济的高速发展，对海洋环境的影响日益加剧，局部海域已出现环境污染和资源退化等问题，海洋环境面临的压力与日俱增，也对海洋经济的可持续发展和海洋环境的管理带来严峻的挑战。现阶段我国海洋监测工作面临着海洋环境监测信息化整体水平不高、基层环境监测能力和专业技术人员较为缺乏、海洋环境风险管控和应急能力建设相对薄弱、海洋环境监测科技支撑能力不够等多方面的问题。物联网技术应用于环境监测工作，可以保证监测数据较高的安全性，达到预估自然灾害的效果，使社会逐步认识到环境监测工作的重要性，引导环境监测从业人员更加科学有效地开展工作。[5，6]依托新一代信息技术，物联网技术已在各行各业之中得到充分运用，在海洋监测环境工作也获得了明显的成效，这将有助于提升我国海洋环境监测能力和海洋环境管理水平。

参考文献：

[1] 舒松.物联网技术在环境监测中的应用探讨 [J].电子世界，2017（2）：135-136.

[2] 赵艳玲.物联网技术在海洋监控系统中的应用 [J].舰船科学技术，2016，38（2）：175-177.

[3] 周颖芝，杨宏伟.基于物联网技术的太湖新城环境预警与管理平台设计 [J].安徽农业科学，2014，42（4）：1250-1251+1264.

[4] 何世钧，陈中华，张雨，等.基于物联网的海洋环境监测系统的研究 [J].传感器与微系统，2011，30（3）：13-15.

[5] 马碧霜.试论物联网技术在环境监测中的应用 [J].科技视界，2017（33）：115-116.

[6] 吴丹娜，江洪，张金梦，等.环境监测中物联网技术的应用 [J].安徽农业科学，2014，42（10）：3076-3079.

作者简介：刘伟（1983.04-），男，汉族，安徽淮南人，工程师，硕士研究生。研究方向：海洋环境保护。