城市环境智能公共服务平台-方案建议书

1、 | Page城市环境智能公共服务平台方案建议书目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc485057870 城市环境智能公共服务平台方案 PAGEREF _Toc485057870 h 3 HYPERLINK l _Toc485057871 一、项目概况 PAGEREF _Toc485057871 h 3 HYPERLINK l _Toc485057872 （一）本项目编制依据 PAGEREF _Toc485057872 h 3 HYPERLINK l _Toc485057873 （二）项目提出的理由与过程 PAGEREF _Toc485057873 h 3 HY

2、PERLINK l _Toc485057874 （三）项目建设目标、规模、周期 PAGEREF _Toc485057874 h 6 HYPERLINK l _Toc485057875 （四）项目建设内容一览表 PAGEREF _Toc485057875 h 7 HYPERLINK l _Toc485057876 （五）项目预算和资金来源 PAGEREF _Toc485057876 h 9 HYPERLINK l _Toc485057877 （六）建设运营模式及示范性 PAGEREF _Toc485057877 h 9 HYPERLINK l _Toc485057878 二、可行性分析 PAGE

3、REF _Toc485057878 h 10 HYPERLINK l _Toc485057879 三、项目建设目标与任务 PAGEREF _Toc485057879 h 13 HYPERLINK l _Toc485057880 （一）项目建设任务、范围和规模 PAGEREF _Toc485057880 h 13 HYPERLINK l _Toc485057881 （二）项目本期的建设任务、范围和规模 PAGEREF _Toc485057881 h 14 HYPERLINK l _Toc485057882 四、项目建设原则和技术路线 PAGEREF _Toc485057882 h 14 HYPE

4、RLINK l _Toc485057883 五、项目建设总体框架设计 PAGEREF _Toc485057883 h 21 HYPERLINK l _Toc485057884 六、项目应用系统设计 PAGEREF _Toc485057884 h 23 HYPERLINK l _Toc485057885 （一）环境有害气体监测平台 PAGEREF _Toc485057885 h 23 HYPERLINK l _Toc485057886 （二）水质监测平台 PAGEREF _Toc485057886 h 24 HYPERLINK l _Toc485057887 （三）环境及碳排放监测平台 PAGE

5、REF _Toc485057887 h 25 HYPERLINK l _Toc485057888 （四）小型气象站 PAGEREF _Toc485057888 h 27 HYPERLINK l _Toc485057889 七、项目数据设计 PAGEREF _Toc485057889 h 29 HYPERLINK l _Toc485057890 八、项目计算机及网络平台系统设计 PAGEREF _Toc485057890 h 31 HYPERLINK l _Toc485057891 （一）网络平台 PAGEREF _Toc485057891 h 31 HYPERLINK l _Toc485057

6、892 （二）计算平台 PAGEREF _Toc485057892 h 32 HYPERLINK l _Toc485057893 九、项目投资概算 PAGEREF _Toc485057893 h 33 HYPERLINK l _Toc485057894 十、项目建设及运行管理 PAGEREF _Toc485057894 h 34 HYPERLINK l _Toc485057895 十一、项目建设进度 PAGEREF _Toc485057895 h 34 HYPERLINK l _Toc485057896 十二、项目成功的关键因素分析 PAGEREF _Toc485057896 h 36城市环境

7、智能公共服务平台方案一、项目概况（一）本项目编制依据省经济和信息化委员会下达的关于开展智慧城市建设试点工作的通知文件。（二）项目提出的理由与过程当前，我国环境状况总体恶化的趋势尚未得到根本遏制，环境矛盾凸显，压力继续加大。一些重点流域、海域水污染严重，部分区域和城市大气灰霾现象突出，许多地区主要污染物排放量超过环境容量。农村环境污染加剧，重金属、化学品、持久性有机污染物以及土壤、地下水等污染显现。部分地区生态损害严重，生态系统功能退化，生态环境比较脆弱。核与辐射安全风险增加。人民群众环境诉求不断提高，突发环境事件的数量居高不下，环境问题已成为威胁人体健康、公共安全和社会稳定的重要因素之一。生物

8、多样性保护等全球性环境问题的压力不断加大。环境保护法制尚不完善，投入仍然不足，执法力量薄弱，监管能力相对滞后。同时，随着人口总量持续增长，工业化、城镇化快速推进，能源消费总量不断上升，污染物产生量将继续增加，经济增长的环境约束日趋强化。国家环境保护“十二五”规划中指出，到2015年，主要污染物排放总量显著减少；城乡饮用水水源地环境安全得到有效保障，水质大幅提高；重金属污染得到有效控制，持久性有机污染物、危险化学品、危险废物等污染防治成效明显；城镇环境基础设施建设和运行水平得到提升；生态环境恶化趋势得到扭转；核与辐射安全监管能力明显增强，核与辐射安全水平进一步提高；环境监管体系得到健全。我市政府

9、提出的“十二五”环保规划中提出 “以改善环境质量、确保环境安全、促进科学发展”为主线，需要重点做好“总量减排、水污染防治、大气污染防治、土壤污染防治、海洋污染防治、固体废物污染防治、生态和农村环境保护、核与辐射、环境安全、环保产业、城市基础设施建设、环境监管能力建设等领域的环境保护工作。气候变化深刻影响着人类生存和发展，是世界各国共同面临的重大挑战。积极应对气候变化，是我国经济社会发展的一项长期战略，也是加快经济发展方式转变和经济结构调整的重大机遇。我国正处在全面建设小康社会的关键时期和工业化、城镇化加快发展的重要阶段，能源需求还将继续增长，在发展经济、改善民生的同时，如何有效控制温室气体排放

10、，妥善应对气候变化，是一个全新而重大的挑战。联合国气候变化框架公约（UNFCCC）的京都议定书于1997 年在日本京都召开的UNFCCC缔约方大会第三次会议上达成。它包含除了UNFCCC 之外法律上所需承担的义务。议定书附件B中包括的各国（多数国家属于经济合作和发展组织及经济转轨国家）同意减少人为温室气体（CO2、甲烷、氧化亚碳、氢氟碳化物、全氟化碳和六氟化硫）的排放量，在2008-2012年的第一承诺期内排放量至少比1990 年水平低5%。 国家发改委提出要在全国努力建设以低碳排放为特征的产业体系和消费模式，开展低碳省区和低碳城市的试点。在低碳城市的建设中，需要开展如下的工作：（1）编制低碳

11、发展规划；（2）制定支持低碳绿色发展的配套政策。（3）加快建立以低碳排放为特征的产业体系。(4) 建立温室气体排放数据统计和管理体系。(5)积极倡导低碳绿色生活方式和消费模式。 国家气象灾害防御条例自2010年4月1日起施行，要求“县级以上地方人民政府应当组织气象等有关部门对本行政区域内发生的气象灾害的种类、次数、强度和造成的损失等情况开展气象灾害普查，建立气象灾害数据库，按照气象灾害的种类进行气象灾害风险评估，并根据气象灾害分布情况和气象灾害风险评估结果，划定气象灾害风险区域”。国务院同时要求：（1）加强监测网络建设（2）强化监测预报工作（3）开展气象灾害影响风险评估（4）加强预警信息发布（

12、5）有效发挥预警信息作用。2012年2月，国务院发布空气质量新标准，增加了PM2.5值监测。这些措施的相继出台，凸显政府关注环境、改善民生的决心。而利用物联网来监测城市各项环境指标的变化，核查各类城市空间的环境变化，对于提升城市的环境服务水平及环境保护体系的形成具有十分重要的意义。我市是全国第一个卫生城市，1996年就被授予“国家园林城市”称号，1997年首批获得“国家环保模范城市”，2003年10月获得全球人居领域的最高奖项“联合国人居奖”，2006年又荣获联合国“最适合人类居住城市”的荣誉，同年获得“全国绿化模范城市”称号。我市政府向来重视环境保护工作和宜居城市建设，多年来的坚持不懈努力使

13、得我市的美丽蜚声海内外。如何使我市既保持经济的快速发展，又能减少和控制环境污染，使我市变得更加美丽，客观上，我市也存在环境监控的迫切需求。在城市建成区以及边远的山林、水源地等建立大规模的监测网络，采用有线方式不现实，投资巨大，且占用空间，有线的传输线路还会经常遭到各种原因的破坏，维护成本巨大。因此采用无线传感网络是最好的选择。其建设成本低，布点灵活，建网迅速，基本不受地理环境、建筑、植被等的影响，各节点位置可根据需要随时进行调整，各节点则通过世界最先进的无线多跳自组织网络技术进行自动连接，精确定位，实时采集、传输和分析各项环境数据。（三）项目建设目标、规模、周期本项目将在我市城区建立万级规模的

14、城市环境监测网络，包含温湿度、光照强度、SO2、CO2等温室气体、水质等城市工作生活环境密切相关的环境指标。相比于传统的能量测定方式，该系统的传感节点体积小，可以方便地部署在城区的各个工作生活的空间，例如写字楼、居民区、交通枢纽、医院、学校、商业区、工业区等。形成覆盖全城的超大规模 3D 环境监测网络。而目前传统的城市环境的各类测量方式，都是分隔的独立个体,无法综合评价各类环境指标。不仅如此，利用这个超大规模系统，我们能够有效验证与完善领先全世界的关键技术：包括基于转发质量的非IP 路由协议、在线健康度无线自组织网管平台、被动诊断中间件、物联网节点操作系统、碳感知节点及其芯片、非测距自定位技术

15、、物联网编程模型与调试平台等等。以上述技术为基础，我们还能够进一步落实我市提出的环境保护测量的总要求。将世界领先的物联网技术成功运用到各个各业的智能物联领域，全面提升我市的智能服务水平。具体来讲，项目的实施目标：建成世界第一的城市物联智能应用示范公共平台，实现“五个一”的建设目标，即： (一) 无线自组织传感节点数超过10000； (二) 单基站传感子网最大控制节点数达到1000个节点； (三) 节点部署的覆盖面积达到100平方公里； (四) 动态无线自组网跳数超过10跳； (五) 连续不下线、针对既定应用运行时间超过10年。（四）项目建设内容一览表序号项目应用系统名称1环境有害气体监测2水质

16、监测3环境及碳排放监测4小型气象站平台中可用于产业化的核心技术成果列表序号技术成果名称1数据存储与备份技术2低成本高效率的网络运行维护技术3低功耗侦听技术4基于跨层感知的路由组网技术5无线传感网可靠数据分发技术6Mesh 骨干网多跳组网技术7自组网时钟同步技术8基于多维监测信息的碳排、碳汇分析技术9基于接收端控制的媒体接入协议AMAC10基于转发质量综合评价的多跳路由技术11800M 干线组网技术12无线自组网络扩展容限律估计技术13网络运维中的可视化技术14基于可替换构件的代码重编程技术15分布式差错容忍式室外无线传感网络定位技术16可扩展数据中心技术17网络近似数据聚合方法18高精准、多跳

17、网络时钟同步技术19多尺度联合探测技术20多维数据显示技术21网络运维自动化技术22基于智能“假名”生成的移动终端隐私保护技术23基于单点响应的无识别批量射频标签认证技术 .24射频识别的干扰搁置与协同识别技术25移动车载网组网技术与体系结构26基于可定位性的无线网络终端定位方法27基于精确链路估计的自适应包长调整技术28可并行传输MAC 协议29面向移动用户的泛在数据收集方法30基于特征选择的异常监测技术31多标签认证中的隐私保护技术32数据中心的可扩展低能耗技术33代码分发协议中减少干扰冲突的技术34低功耗、低速率传感器网络数据快速发送技术35基于轮状图的无线网络终端的定位方法36基于零领

18、域知识的无线传感器网络诊断方法（五）项目预算和资金来源（六）建设运营模式及示范性1.建设模式-社会化。我市政府授权XX发展有限责任公司进行项目建设，提供必要的政策和资金支持，协调有关部门和企业积极配合项目建设。智慧城市发展有限责任公司负责项目建成后的运营和维护工作。2.运行模式-市场化。日常运行和维护资金解决途径：一是有偿向有关部门、企业和公众提供气象、环境、环保等信息服务；二是市政府协调企业排污收费。保证了系统的正常运行和可持续发展。3.推动技术创新。项目建设过程中，预计将申请专利超过10项，软件著作权10项，开发新产品10个，制定产业化标准5项，对行业的技术进步将起到积极的推动和引导作用。

19、项目对于无线多跳自组网核心技术的研究将突破以无线传感器网络为代表的大规模无线自组网应用的壁垒，积极推动无线传感器网络在各个行业的广泛应用，为物联网相关行业带来巨大的经济效益和可观的社会效益。4.经济效益显著。项目完全建成后，达到1万个节点的在线运行规模，将可为企业实现销售收入3000万元；北洋公司将形成各类传感器的规模化生产，实现产业化；平台建成后，通过运营和维护平台，向政府部门提供环境监测数据，每年可增加收入300万元。同时带动省级物联网产业基地企业发展壮大，累计增加销售收入1.5亿元。5.社会效益巨大。项目建成后，系统将向我市提供实时的环境监测数据和分析报告，指导相关部门及时弥补环境保护的

20、漏洞，制止非法排污，保护人居环境、保护水源地。系统将有效帮助我市提升城市竞争力，我市也将成为全国第一个在各项环境测评中提供综合数据分析的城市，当之无愧地保持在全国领先的绝对地位。鉴于该系统的首创性和为政府管理提供决策数据的必要性，系统运行稳定后，将积极向省内其它城市拓展，并进一步向省外城市推广，将产生可观的经济效益。二、可行性分析无线传感网络是计算机、通信、传感器等多学科交叉的产物，它集信息的获取（感知）、传输与处理能力于一体，成为沟通物理世界和数字世界的桥梁。无线传感网具有覆盖面广、自适应性强、部署方便及成本低廉等特点，适用于大范围、长期、持续、同步监测城市和森林生态，因此在碳排放和碳汇监测

21、等应用中具有得天独厚的优势。然而，虽然经过了多年的发展，但是传感器网络并没有大规模地普及到实际应用当中。当前传感网领域研究的局限性首先表现在无法真正实现“规模化”，传感网技术发展在部署规模、网络架构、应用复杂度、以及系统运行周期方面都远未达到可长期规模化应用的水平。造成这种现状存在两方面原因：一是基于理想化网络模型和假设的研究，缺乏可用性；二是已有研究成果绝大多数是小型短期试验系统和概念型应用，这些基础还不足以支撑面向大规模无线传感网的构建和运行。 无线传感器网络因为受到无源（靠电池驱动）、低带宽（如ZigBee的峰值带宽为256k）或无线干扰的等因素的制约，数据传输率相对较低，网络状态变化多

22、端，使得传统的面向互联网的路由协议不再适用，直接导致了大规模无线传感网在组网和数据传输方面面临着重大的挑战。一方面，传统的确定性路由模式基于有线网络产生，如目前在互联网上广泛使用的TCP/IP协议等。在有线网络环境下，确定性路由协议充分利用了传输链路的相对稳定性，基于某种优化策略（如最短路径等）而选择确定的传输链路（节点序列），相对稳定，可以长期地、高效地完成端到端的数据传输。然而在无线网络环境下，由于无线链路的易受干扰性，网络拓扑动态变化，很难产生长期稳定的端到端的节点序列，直接造成确定性路由协议不再适用；另一方面，传统Internet中的寻址与路由完全依赖于网络中层次化的IP体系，而现有I

23、P地址结构与网络中的主机紧密绑定，使用与维护开销极高，因而并不适用于具有高动态性的资源极度受限的无线传感网。无线传感网框架下的后IP时代亟需一种与现有IP寻址体系共融且适用于自组织网络的寻址与路由机制。我们需要充分利用自组织网络中非完全绑定的状态信息，如节点位置、任务目的、事件发生等，探索灵活非绑定式路由机制。目前仍然没有普遍适用的无线自组织网络的路由协议作为确定性路由模式的有效替代。近年来，国内外的研究学者针对无线自组织网络中链路的时变特性和干扰不规则性，提出了相对适用于无线自组织网络数据传输的非确定性路由协议。如麻省理工学院的Biswas等人于2004年率先提出了机会路由(也称作机会转发)

24、的概念。机会路由通过多个潜在中继节点竞争的方式、自主智能判断进行下一跳转发节点的选择，用多个节点组成的转发列表来替代确定性路由的单个节点，充分利用信道广播特性，提高吞吐量和传输可靠性。但是目前已知的机会路由协议通常具有各自的局限性，如Biswas等人提出的ExOR协议和Chachulski等人提出的MORE协议适用于Mesh网络中的点对点的单播传输等应用；Levis等人提出的CTP（Collection Tree Protocol）协议适用于具有数据汇聚节点的数据采集网络的相关应用。总体来讲，缺少针对无线网络特性，而兼顾降低网络能量消耗与提高网络传输率、较为普遍适用的无线自组织网络的路由协议。

25、 综上所述，无线传感器网络等自组织网络因为节点资源受限，无线链路易受干扰等因素的制约，难以实时掌握网络弱状态信息，缺乏有效的路由协议，进而难以适应大规模无线传感网中网元间组网及数据通信的要求。如何突破规模化应用和理想化研究的壁垒，建立有效的资源极度受限型网络模型及寻址模式，提出适用于自组织网络的路由机制成为一个关键的科学问题。本项目针对面向城市智能环境服务平台的实际特点和发展遇到的信息有效交互的瓶颈问题，综合考虑无线传感网各个组成部分的实际特征与特性，基于传统的路由理论，分别开展面向非绑定式的寻址模式、面向任务的非确定性弱状态路由协议及面向动态自组织网络中的路由时空衰减、局部更新、容错与恢复机

26、制等方面的研究。针对无线传感器网络的实际特点，利用弱状态信息，提出面向任务、面向事件的非确定性路由和后IP寻址方式。从而实现路由方式从确定性向非确定性转变，从路径驱动到任务、目标和事件驱动转变，从维护、预测到实时计算的转变，从面向链路状态向链路和节点状态相结合转变，做到携带任务目标，先计算后路由再计算再路由的闭环路由寻址方式，以路由促进感知，以感知回馈路由。本项目将为传统的路由理论研究提供新途径，为无线传感器网络的多种异构网络及异质网元间实现可靠、高效的互联互通提供理论基础与技术支撑，进而克服由于城市环境指标的智能测量所带来的困难，建立“以高精度、多层次、动态化为基础，多传感数据相融合”的全方

27、位城市环境监测信息系统。三、项目建设目标与任务（一）项目建设任务、范围和规模项目将在我市城区建立万级规模的城市环境监测网络。相比于传统的能量测定方式，系统传感节点体积小，可以大规模部署，可以方便地部署在城区的各个高楼上、树木、路灯杆、电线杆等，形成覆盖全城的超大规模 3D 环境监测网络。而目前传统的城市环境的各类测量方式，都是分隔的独立个体,无法综合评价各类环境指标。 不仅如此，利用这个超大规模系统，我们能够有效验证与完善领先全世界的关键技术。包括基于转发质量的非IP 路由协议，在线健康度无线自组织网管平台，被动诊断中间件，物联网节点操作系统，碳感知节点及其芯片，非测距自定位技术，物联网编程模

28、型与调试平台，等等。 具体来讲，项目的实施目标：建成世界第一的城市物联智能应用示范公共平台，实现“五个一”的建设目标，即： (一) 无线自组织传感节点数超过10000； (二) 单基站传感子网最大控制节点数达到1000个节点； (三) 节点部署的覆盖面积达到100平方公里； (四) 动态无线自组网跳数超过10跳； (五) 连续不下线、针对既定应用运行时间超过10年。（二）项目本期的建设任务、范围和规模本期的建设目标是完成本项目的核心技术积累和硬件设计生产，以我市城区为部署目标区域，进行可演示规模（1000 点）的实用物联网系统部署、基础软件和管理平台研发、和系统整体调试与磨合。演示系统的通讯主

29、干网将以光照、温湿度、CO2等典型传感器节点为主要组成元素，选择我市区有代表性的工业区、居民区、商业区、旅游景点和其他公共场所，进行有针对性的定向部署监测。四、项目建设原则和技术路线本项目旨在为我市建立世界上第一个采用无线多跳自组织网络技术的使用城市物联网基础设计和公共平台，传感网节点以电池、太阳能、风能为主要能源，节点数量达到“万”级规模。以长期、持续、规模化城市环境监测与细粒度、高精度的各类环境指标测量这个关乎国计民生的议题为城市物联网应用切入点，提供惠及广大城市居民的人居环境质量监控服务，服务经济快速、健康、可持续发展。 本项目研发团队掌握领先的无线多跳自组织网络核心技术，并计划在项目发

30、展过程中运用云计算和云存储、数据中心等成熟的关键技术。经过预演与磨合期、巩固与实战期、深化与拓展期三个发展阶段，研发团队将把城市物联网基础设施和公共平台逐步延伸至物联网示范应用的方方面面，支持多种感知应用，并以此为有力支撑，建立具有全球影响力的物联网行业标准。 为构建上述物联网体系，我们需要在应用层，网络层和接入层分别引入我们的关键技术，解决组网中存在的难题。 首先，顶层的应用模型是基本的环境监测能力演示，主要包括CO2浓度、温湿度、光照强度等重要环境信息。这一阶段的主要应用属于基本的传感信息收集，因此可靠性非常重要，需要合理设计传感器硬件和通信单元，以简单有效的方式感知并传递数据。 其次，在

31、数据库管理方面，由于单个节点的数据库容易出现故障，同时物联网采集的第一手数据对于下一步的项目开展非常重要，需要数据库备份技术实现数据的保护与智能处理。数据库距离传感器部署场地的地理距离相对较远，因此需要考虑成熟的备份技术与远程访问技术。 第三，在骨干网构成阶段，我们根据 Mesh路由器的特点，建立自组织多跳网络，包括静态和动态的信道分配技术，多指标路由组网技术和动态路由调度技术。利用高速的无线链路连接实现感知数据的有效传输。一般的 Mesh节点覆盖范围为几百米至一公里左右，因此需要多跳连接不少于 6 跳。同时，由于传感节点达到了上千个，每小时产生的数据量会在几个 GB左右，因此网络多跳带宽不能

32、少于2Mbps ，单跳速率一般不能小于6Mbps。 第四，在无线传感网层面，我们不仅提供了多跳路由技术和节能型媒体访问控制协议，还配置了重编程技术方便网络的重配置。网络还具有被动诊断能力，能够及时发现故障节点。时钟同步技术提供了良好的全网统一时钟，保证了数据的时效性和协议的有效性。由于节点较多，单Sink节点覆盖的传感器节点达到数百个，因此需要开销较小且效率较高的组网协议。 应用的部分关键技术：1、低成本高效率的网络运行维护技术技术需求 及时准确高效的故障诊断工具是保证一个无线传感网络系统正常运行的关键所在。由于其无线自组特性，无线传感器网络在部署之后面临严重的可见性缺失问题。大量节点远程部署

33、并自组成网，导致基站很难实时地了解系统内部节点的各种状态以及节点之间的交互行为。现有的故障诊断方法主要依靠主动收集诊断所需的系统状态信息，例如链路质量、邻居列表、节点剩余电量等，每个节点周期性向基站报告这些状态数据。基站利用收集到的状态信息进行故障的判断并定位出错节点。主动信息收集的方法给网络带来很大的计算和通信负担。因此需要一种低开销的诊断方法，准确地定位故障节点。 技术特点 为解决以上难题，我们采用一种新型的被动式诊断技术。该技术和主动式方法不同，采取了被动式的解决方案，通过对普通的数据流量进行标记和解析，被动观测和发掘系统内部关联和实时的状态信息。依据这些信息构建概率推理模型来对系统内部

34、关联进行建模，以基站观察到的系统异常现象作为输入，利用概率模型进行推理找出导致异常发生的故障原因。 图3. 被动诊断技术系统框架图示上图展示了被动诊断技术的基本框架。被动诊断技术包括以下几个主要模块：数据包标记，标记解析，概率推理。 技术指标 1) 数据包标记算法运行在传感器节点上，对普通数据包进行标记，为标记解析处理提供输入，能够实时追踪无线传感网络的拓扑变化以及网络内部关联信息。跟踪准确率超过80% 。 2) 基站运行的标记解析模块提取和分析收到数据包中携带的标记信息。能够在基站在线重构和维护整个网络拓扑。标记解析还能够提供很多预诊断结果，例如定位数据包的丢失和路由变化。诊断准确率达到90

35、% 以上。 3) 能够通过发现和利用网络元素之间的内在关联，概率推理帮助我们找到隐藏的故障原因。 2、低功耗侦听技术 技术需求 要减少节点空闲时所浪费的能量，需要空闲时无线静默，关闭无线传感设备或者空闲时睡眠，关闭无线传感节点设备，依靠无线传感节点的外部时钟控制节点睡眠和唤醒的工作。在无线传感网络节点操作系统运行的过程中，应当尽量多地减少节点在空闲时间侦听信道过程中所耗费的能量。 技术特点 我们在第一阶段磨合期采用SMAC 协议作为传感网的接入协议，为了减少能量消耗，节点要尽量处于低功耗的睡眠状态。每个节点独立地调度它的工作状态，周期性地转入睡眠状态，在苏醒后侦听信道状态，判断是否需要发送或接

36、收数据。SMAC 主要采取RTS/CTS 控制消息来实现对发送节点和接收节点的数据传输控制。SMAC 的RTS/CTS 控制消息和数据消息携带的时间是整个长消息传输的剩余时间。其它节点只要一接收到一个消息，就能够知道整个消息的剩余时间。 技术指标 1) 利用了CC2420传输过程中RSSI 信道评估结果中信道标量CCA 的运算，来测试某时刻传输信道的情况，以此来判断信道上是否有数据传输的情况。侦听灵敏度可达到120dbm。 2) 每个节点以预先设置的时间长度周期对周围的信道进行监测，当发现有前导信息包发送时，接收节点立即从睡眠状态转为侦听状态，直到发送节点发包结束。切换时延一般不超过256 微

37、秒。 3、Mesh骨干网多跳组网技术 技术需求 需要骨干网具有良好的异构互联性质，以一种全新的无线传感网接入方式出现，便于在无线传感网络中部署无线路由器，形成一种便捷快速的骨干网络结构。Mesh路由器装配有802.15.4 接口，可以和传感节点直接通信。同时能够连接多个传感网络，提高网络的可扩展性和可靠性，提高数据吞吐量，并且能够支持节点移动性。技术特点网状网为传感网接入因特网提供了新的解决方案。无线网状网可以分为骨干网和末端网两部分。其中骨干网可以划分为：接入子层和无线路由子层两部分。 接入子层的节点具有与因特网路由器互联互通的能力，但是其移动能力受限。末端接入子层主要负责各种类型的末端网(

38、WiFi、Bluetooth、WiMax 等) 与无线网状网路由器的互连，随着网关技术的不断发展，接入子层节点也具有路由转发能力，末端网接入点与无线路由子层的界线变得模糊，体系结构将趋于扁平化。 无线Mesh网的组网过程按照如下步骤实施： 步骤1：各个节点按照部署的模式选择合适的信道，信道分配有两种模式，分别是自动分配与固定分配。在项目的第一阶段，我们主要采用固定分配的模式。 步骤2：收集并分发路由信息，按照多跳组网原则建立到各个目的节点的路由。 步骤3：传输视频及环境感知信息，根据链路状态和网络负载情况动态调整信道分配方案与路由。图4. 无线网状网体系结构技术指标1) 以基本的固定信道分配和

39、路由模式组网，Mesh网路由器基本选择与传感节点较近的位置固定配置，相当于没有无线移动路由子层的模式。支持信道不少于5 个，节点跳数不少于2 跳 。 2) 以动态灵活的信道分配方式组网，支持高效的信道(Channel)/ 链路接口(Interface)调度算法以及相应的网络路由算法。支持信道数目不少于7个，路由跳数不少于3 跳。 3) 单跳速率不小于5M，多跳速率不小于2M。 4、基于多维监测信息的碳排、碳汇分析技术 技术需求 区别于估算（即通过计算燃料使用量、工农业生产情况等信息估计的CO2含量），克服从观测 CO2 浓度得出碳排放量的缺陷。利用物联网的独特优势，对我市区的碳排碳汇能力做出准

40、确的评估。 技术特点 Inverse Modeling 是一种用来估计与测量值直接或间接相关的定量指标的统计方法。主要步骤是：测出CO2浓度，计算相关梯度，使用逆向推理（反衍）的手法，结合风力风向、生物圈等信息计算碳通量。 利用CO2 和CO观测结果估计跨区域规模陆地碳通量，其框架如下图所示： 该框架主要包括三个部分： (1) 一个随机模型，能在时间维度上进行逆向推理，从而得出高时间和空间分辨率的碳源与碳汇的关系；(2) 基于观测结果得到的经纬度方向上的CO2浓度和梯度； (3) 使用涡度协方差法(Eddy covariance method)将生物圈和大气中碳通量参数化。五、项目建设总体框架

41、设计项目总体方案设计如图1所示，系统分四层构建，即感知、汇聚、传输、存储管理。总体方案设计图感知层由传感子网组成，传感器节点类型包含各种功能的无线传感网节点等，具备温度、湿度、光照和CO2气体等环境数据的感知和多跳自组网功能，采用可充电电池和太阳能电池同时供电，支持长时间持续部署。本阶段感知层的主要任务是为传感网的长期持续运转提供技术支撑，因此，低能耗侦听技术和基于收集树的路由协议是感知层在预演期的核心研发内容。在汇聚层，一个传感网基站负责收集一个传感子网的感知数据，控制网络时钟同步，配置子网传感节点的采样频率和运转占空比，并向传感节点分发其他系统管理指令。频繁的系统在线配置和网络状态查询，是

42、进行技术测试与积累的必要手段，因此，高效可靠的数据分发机制是本阶段汇聚层设计的主要任务。在传输层，传感网基站通过GPRS/3G/Mesh/WiFi等技术将感知数据传送回远程数据服务器。具体而言，本阶段初期采用GPRS/3G技术从基站通过因特网直接回传数据；本阶段中后期，采用局部Mesh和全局WiFi相结合的方式，局部多个基站间通过Mesh互联和汇聚数据，全局上数据用WiFi通过因特网回传数据。在系统规模较大的时候，网络层的主体是无线Mesh网，Mesh网络能够提供几公里至几十公里的大数据率的稳定数据传输。在这一部分设计中，如何保证Mesh多跳自组网传输的可靠性，并有效承载网络的感知数据流量，是

43、网络层本阶段的主要任务。位于存储管理层的中心数据库服务器和备份服务器，主要功能是为感知数据的存储、外部查询、网络状态监控、系统管理配置和初级网络诊断提供服务。中心服务器的主要功能是支持被动诊断技术，功能集中在无线网络链接故障和拓扑异常的监测。六、项目应用系统设计项目应用系统可分为4个模块：环境有害气体监测，水质监测，环境、碳排放监测及小型气象站。（一）环境有害气体监测平台对大气有害气体进行实时监测，了解环境污染状况，进行大气污染质量的评价，并提出警戒限度。通过长期监测，为修订或制定国家卫生标准及环境保护积累资料，为预测预报创造条件，有利于制定城市规划，防护措施为依据。该模块监测指标有CO2、C

44、O、SO2、甲醛等有毒气体监测、PM2.5监测。模块集成如下传感器：监测02000 ppm、01%、02% 供选择的CO2传感器； 0200ppm、测量精度为2FS、分辨率为0.5ppm的CO传感器； 020ppm、测量精度为2FS、分辨率为0.1ppm的SO2传感器；对醛、醇、酮、芳族化合物具有很高灵敏度的有毒气体传感器；0-1.000mg/m3、监测灵敏度为0.0001 mg/m3、测定精度为8（1小时模式时）、2%相对于FRM （24小时模式时）的PM2.5颗粒物监测传感器。各种有害气体传感器可按需添加到无线传感节点协同工作，用无线自组网返回数据，最后在终端显示，各个气象站也可以直接通过

45、无线自组网连接，在客户端显示；对距离较远的数据可采用无线Mesh用WiFi技术通过自组网连接。该模块可安装部署在工业区等环境易污染地区。以下是模块传感器：COZIRCO2传感器 GSCO-103传感器 SO2氧化硫传感器 粉尘传感器（二）水质监测平台通过物联网传感器对水质各项监测指标进行远程采集和分析。根据卫生监督所对相关水质检测的要求，我们选取了六大指标作为项目监测的目标。对饮用水主要考虑对人体健康的影响，其水质标准除有物理指标、化学指标外，还有微生物指标；对工业用水则考虑是否影响产品质量或易于损害容器及管道。该模块监测指标有pH值、水温、浊度、溶解氧、余氯、电导率等。模块集成如下传感器：0

46、14、测量精度为0.01pH的pH传感器；-55125的水温传感器；0.01FNU - 300g/ L、最大测量误差为1%的浊度传感器；0.019.99 mg/L、精度为0.1mg/L的溶解氧传感器；最大测量范围020.00mg/L、分辨率为0.001mg/L的余氯传感器；最大测量范围为01999us/cm、稳定性为1%（FS）/24h的电导率传感器。各种水质指标传感器可按需添加到无线传感节点协同工作，用无线自组网返回数据，最后在终端显示，各个气象站也可以直接通过无线自组网连接，在客户端显示；对距离较远的数据可采用无线Mesh用WiFi技术通过自组网连接。 水质传感器该模块可安装在居民区水箱、

47、自来水厂、河流、湖泊、水库等水源地，用于监测居民日常用水、河湖污染状况。 （三）环境及碳排放监测平台部署大规模无线传感器网络，感知人们日常生活环境中所常用到的温湿度、光照强度等，特别是对CO2浓度进行监测，有效控制碳排放。该模块监测指标有温湿度、光照强度、CO2。模块集成如下传感器:-55125的温度监测和0100 %RH湿度监测的温湿度传感器；3201100nm光谱的光照传感器;量程02000ppm，01%，02%供选择的 CO2传感器；将该节点分为普通全天候监测节点和CO2节点，分布在城市各个角落，用于整体监测城市环境质量和碳排放，分区域通过无线自组网在Mesh节点汇聚数据，通过Mesh汇

48、聚节点返回终端处理显示。该模块可分布城市各个角落，用于整体监测环境质量以及碳排放。以下是模块传感器： 全天候监测节点 CO2节点环境及碳排放监测系统可以实现区域碳排放排名，区域温湿度、碳排放等值线查看等诸多功能，示例如图：自组织网络路由图碳排放等值线显示（颜色浓度显示）温湿度等值线显示（颜色浓度显示）碳排放区域排名显示（四）小型气象站通过无线传感网络实现全天候气象监测、气象预警，可大大提高当地天气监测的准确性，准确实时地观察以及警报当地的天气状况。该模块监测指标有风速、风向、气温、相对湿度、降雨量、气压、辐射等。模块集成如下传感器：监测044米/秒的风速传感器，测量精度为0.22米/秒；360

49、度的风向传感器，分辨率小于1度；-50150摄氏度的温度传感器，精度为0.1摄氏度；0100RH的相对湿度传感器，精度为 2% RH；精度在1% (在1/小时)的无限制降雨量传感器；300-1100hpa的压力传感器，0.03hpa(0.25m)高分辨率；3000 Wm范围最大误差1，自然光校准的辐射传感器。各种气象传感器可按需添加到无线传感节点协同工作，用无线自组网返回数据，最后在终端显示，各个气象站也可以直接通过无线自组网连接，在客户端显示；对距离较远的数据可采用无线Mesh用WiFi技术通过自组网连接。该模块可安装在需要监测的任何位置需要，避免出现监测死角。以下是模块传感器： 200-W

50、S-02风速风向传感器 RHT2与AT2温湿度传感器 RG600翻斗式雨量计 BMP085气压传感器 240-200SA辐射传感器七、项目数据设计为了使项目能够适应智慧城市的需求，达到系统可扩展性的要求，结合传感分离的设计思想，项目数据设计主要分为两个方面，第一个方面是感知层面的数据，这一类数据可以包含各种感知数据，如CO2、SO2、辐射等等。具体来说，数据初始的设计可以采用如下的形式：邻域信息数据设计：描述数据类型数据大小（字节）邻居节点的IDuint16_t2邻居节点的信号强度（RSSI）uint8_t1邻居节点的链路质量uint8_t1邻居节点的路径质量uint8_t1数据包发送的时间u

51、int32_t4数据包接收的时间uint32_t4感知信息数据设计：描述数据类型数据大小（字节）源节点IDuint16_t2温度uint16_t2湿度uint16_t2光照uint16_t2CO2uint16_t2可添加的其他感知数据uint16_t*48节点电量uint16_t2路径上的节点IDuint16_t *2040网络信息数据设计：描述数据类型数据大小（字节）源节点IDuint16_t2CPU运行的时间uint32_t4数据收发模块开启的时间uint32_t4累积传输的数据包uint32_t4累积收到的数据包uint32_t4超过重传次数的丢包总数uint32_t4缓冲区溢出的丢包总

52、数uint32_t4网络出现环路的总数uint32_t4MAC层初始退避的次数uint32_t4MAC层拥塞退避的次数uint32_t4八、项目计算机及网络平台系统设计为构建智慧城市的物联网体系，我们需要在网络平台和计算平台方面研究和引入先进的技术，解决物联网体系应用在智慧城市中所存在的难题。上图显示了项目整体计算平台和网络平台的设计。（一）网络平台主要包含两个主要方面，一个方面为融入到城市生活方方面面的无线传感网络平台的设计和实现，另一方面为连接各个无线传感网络平台的骨干网的设计。无线传感网络平台作为深入到城市的触角，收集城市的多种多样的信息，骨干网平台作为城市信息传输的高速通道，能够将无线

53、传感网平台有机地连接起来。具体来说，主要包含以下的内容：无线传感网层面，我们不仅提供多跳路由技术和节能型媒体访问控制协议，还将配置重编程技术方便网络的重配置。网络还具有被动诊断能力，能够及时发现故障节点。时钟同步技术提供了良好的全网统一时钟，保证了数据的时效性和协议的有效性。由于节点较多，单Sink节点覆盖的传感器节点达到上千个，因此需要开销较小且效率较高的组网协议。在骨干网构成阶段，我们根据Mesh路由器的特点，建立自组织多跳网络，包括静态和动态的信道分配技术，多指标路由组网技术和动态路由调度技术。利用高速的无线链路连接实现感知数据的有效传输。一般的Mesh节点覆盖范围为几公里至几十公里，因

54、此需要多跳连接。同时，由于传感节点达到了上千个，每小时产生的数据量会在几个GB左右，因此网络多跳带宽不能少于2Mbps，单跳Mesh之间的速率一般不能小于6Mbps。系统将传感网络和骨干网结合起来，最终在数据终端采集数据，将无线传感网节点的数据包收集到服务器，并经过解析转化写入数据库。（二）计算平台在计算平台方面，首先顶层的应用模型是基本的环境监测能力演示，主要包括CO2浓度、温湿度等重要环境信息。这一阶段的主要应用属于基本的传感信息收集，因此可靠性非常重要，需要合理设计传感器硬件和通信单元，以简单有效的方式感知并传递数据。同时随着智慧城市应用的扩展，顶层的应用模型需要随时能够动态地扩展，展现智慧城市的其他方面的数据。在数据库管理方面，由于单个节点的数据库容易出现故障，同时物联网采集的第一手数据对于下一步的项目开展非常重要，需要数据库备份技术实现数据的保护与智能处理。数据库距离传感器部署场地的地理距离相对较远，因此需要考虑成熟的备份技术与远