物联网在缓解气候变化影响中的作用

### 物联网在缓解气候变化影响中的作用 #### 1. 引言 如今，埃及首都已成为实施智慧城市模式的典范，同时南非、尼日利亚、卢旺达和埃及等国家也在积极推进智慧城市建设。物联网在解决诸多环境挑战方面具有独特前景，如提供清洁水、处理垃圾填埋、防止森林砍伐和治理空气污染等，最终有助于减少人类活动对环境的影响。本文旨在探讨物联网技术在减少气候变化负面影响方面的作用，并构建基于物联网技术的臭氧预测智能模型。 #### 2. 物联网基础概念 在物联网的范畴中，每个连接的设备都被视为“物”。这些“物”通常包括物理执行器、传感器以及配备微处理器的嵌入式系统。由于物体之间需要相互交互，因此机器对机器（M2M）通信是必不可少的。短距离通信可使用Wi - Fi、蓝牙和ZigBee等无线技术，长距离通信则可借助WiMAX、LoRa、Sigfox、CAT M1、NB - IoT、GSM、GPRS、3G、4G、LTE和5G等移动网络。 物联网通过收集和分析大量数据，有助于使许多过程更具可量化性和可测量性。它在医疗保健、智慧城市、建筑行业、农业、水资源管理和能源领域等多个行业都有改善生活质量的潜力，广泛应用于环境监测、医疗保健系统和服务、节能建筑管理以及无人机服务交付等方面。此外，物联网在解决清洁水、垃圾填埋、森林砍伐和空气污染等环境挑战方面具有独特前景，还能助力减少人类活动对环境的影响。未来，应使用太阳能和风能等不排放二氧化碳的可再生能源发电，借助物联网，消费产品可以在使用更少能源的情况下更快、更强大、更高效地制造出来。 #### 3. 物联网对气候变化的作用 ##### 3.1 监测 近期研究表明，利用物联网有助于监测全球气候变化。物联网模式非常适合创建数据，是收集气候数据的理想解决方案。与目前全球现有的温度、湿度和降水传感器相比，物联网设备可以从更广泛的来源提供更强大的数据。借助这些设备，现在可以更精确地监测海洋温度和海平面，这些信息在应对气候变化的斗争中将具有不可估量的价值。全球科学家将能够根据物联网设备的高精度来更新他们的模型，这些设备甚至可以检测到最微小的变化。 多项研究表明，利用水下物联网（IoT）、地下物联网（IoUGT）和太空物联网（IIoT）等物联网技术，在研究这些关键的气候变量方面具有重要作用。研究人员提出了一个名为X - IoT的框架，该框架包括位于海洋、地下和外层空间的智能传感器。例如，海洋传感器可以测量盐度、酸度和温度等各种因素；地下传感器可以提供有关地下土壤变化、地震活动和气体传感的信息；配备传感器的卫星可以提供海洋高度、云特征、太阳辐射量、陆地的时空信息和海洋二氧化碳排放等信息。他们认为，将所有这些传感信息结合起来，可能是气候监测的一个革命性进步。 ##### 3.2 预测 物联网的主要作用是收集数据，借助机器学习技术，物联网可用于多个领域的灾害预测和应对气候变化。 - **农业**：在农业中使用传感器收集和传输数据，将带来更精准的农业技术，减少农药、化肥和水的使用。物联网设备将提高天气预报的准确性，使农民能够更有效地利用资源并减少浪费。 - **公用事业**：公用事业公司可以利用物联网创建一个响应式能源网络，使用预测分析使能源生产与需求相匹配，并存储或处理任何多余的能源。此外，智能电表可以收集建筑物的能源消耗信息，并将这些数据反馈给公用事业公司，以帮助进行负载平衡和减少浪费，从而减少发电所需的化石燃料数量，降低公用事业公司的碳足迹。 ##### 3.3 减少气候变化 新技术和应用程序有助于在各个领域减少气候变化的影响： - **能源存储和建筑自动化**：物联网设备可以由智能能源存储系统进行配置、监控和控制，仅在必要时工作和消耗能源。这些设备包括灯泡、恒温器和其他家用应用程序，以及加热和冷却系统，以降低成本和浪费。智能建筑还可以根据天气变化自动调整温度设置，在无人时调暗或关闭灯光，并在出现维护问题时立即通知建筑工程师。通过传感器网格，可以根据以前的数据研究电力消耗，以预测日常消耗。这个存储层积累使用物联网收集的数据，机器学习预测模型分析这些数据，服务层则在生成的模型和建筑管理系统之间进行交互。改造可以提高商业和住宅建筑的能源节约。 - **交通**：借助物联网应用程序，司机可以更快地找到停车位，避免拥堵道路，从而减少在路上的时间和二氧化碳排放量。例如，洛杉矶的一个项目使用物联网技术协调交通信号灯，改善了交通流量，减少了温室气体排放，每年节省了超过3500万加仑的燃料。 - **废物管理**：当垃圾桶满时，与物联网连接的垃圾桶会向收集人员发出警报，使垃圾收集更加高效，从而减少碳排放。 - **绿色物联网技术**：目前大多数物联网解决方案依赖云计算，在大多数物联网应用中需要连接数千个物联网设备和装备，这使得协调变得困难。此外，物联网的集中式和服务器 - 客户端结构意味着所有连接的设备都可能被黑客攻击和利用，给系统带来安全风险和用户隐私问题。研究人员认为区块链可能是解决这个问题的方法。区块链的共识框架要求物联网节点确认它们有共同的目标，经过验证的交易也会保存在与前一个块相连的块中，信息无法被删除，每个节点的交易历史都可以被访问，任何区块链成员都能立即知道任何块的修改。区块链的分布式账本可以同步数百个物联网设备，其共识技术提供了一个安全的分布式数据库，能够实现去中心化、隐私设计的物联网。然而，尽管使用了区块链技术，设备数量仍然很大，物联网设备的增长将导致大量电子废物的增加。幸运的是，绿色物联网（G - IoT）应运而生，它在生命周期的每个阶段都具有节能特性。许多物联网技术都可以从G - IoT周期中受益，例如RFID标签使用射频识别技术，其尺寸已被减小，以减少每个标签中难以回收的材料。此外，绿色M2M通信是算法和分布式计算技术如何降低功耗和改进通信协议的另一个例子，无线传感器网络中的传感器可以在必要时休眠和激活，调制优化和协作通信技术也可以降低节点的功耗，集群拓扑和多路径路由是节能路由系统的示例。 #### 4. 数据集描述 由犹他大学的AIRU污染监测网络提供的数据集，其中物联网污染监测传感器网络收集了多个环境因素，并直接在物联网节点上进行实时本地臭氧推断。表1展示了数据集的一个样本，包含约522,000条物联网节点的读数，这些节点是用于读取空气污染、湿度、温度等的传感器，还包含读取时间和臭氧值。表2展示了数据集的统计信息。 | Item | DeviceID | PM1 | PM2_5 | PM10 | MicsRED | MicsNOX | MicsHeater | Temperature | H