提高能源效率和環(huán)境可持續(xù)性的綠色物聯網

人類交流起源于說話和寫作的能力。從那時起，人類已經設計出新的通信形式，以尋找一種有效且高效的通信方式。這項技術取得了顯著進步，也催生了收音機、電話、計算機、移動電話和互聯網等新發(fā)明。隨著第一臺便攜式計算機、互聯網、手機、機器對機器 (M2M) 技術走向物聯網 (IoT) 的出現，20世紀標志著“連接的興起”。

數字時代最激進的創(chuàng)新——互聯網，已經徹底改變了通信和連接。只需單擊一下，它就向我們打開了世界。機器對機器(M2M)的時代帶來了相互通信的互聯設備，使我們的生活更加便利。互聯網現在已經廣泛存在于日常用品中，例如食品包裝、家具、手表、家用電器等等。支持物聯網的設備通過提高能源消耗和其他成本的效率，為新的商業(yè)模式和創(chuàng)收機會提供了巨大的潛力。

而當務之急是制定優(yōu)先考慮資源保護和環(huán)境治理的做法和程序，同時加強大氣脫碳工作。綠色物聯網 (GIoT) 代表物聯網設備為實現可持續(xù)和更安全的世界而采用的節(jié)能程序。

物聯網的環(huán)境影響

一位未來學家在 1990 年很好地預言了“一切都將與其他一切相連”。物聯網的發(fā)展改善了全球不同設備之間的連接性。它通過將普通設備轉換為智能設備，為減少能源浪費做出了巨大貢獻，它們能夠收集能源數據，然后可以對其進行分析，以提高交付和效率，以增強環(huán)境彈性。

因此，物聯網推動構建智能技術，通過優(yōu)化使用傳統(tǒng)能源、材料再利用和回收產品來促進環(huán)境可持續(xù)性；從而進一步減少廢物和碳排放?？沙掷m(xù)解決方案包括智能家居、智能醫(yī)療、智能農業(yè)和智慧城市等。物聯網的積極影響是提高生活質量，同時提高環(huán)境可持續(xù)性舉措。

當然，事情總有兩面性。數十億物聯網設備產生和發(fā)送大量數據，這些數據在通過網絡時累積需要大量能量。這些設備大多使用電池供電。電池需要更換的頻率越高，最終進入垃圾填埋場的電池就越多。這些推動了與環(huán)境可持續(xù)性相關的問題以及更負責任地使用資源和以減少浪費的方式組織流程的挑戰(zhàn)。

綠色物聯網

互聯網已經改變了通信、連接性、知識可及性、社交互動和數字技術。盡管單個互聯網搜索或電子郵件所需的能量很小，但隨著全球互聯網的使用，累積的二氧化碳排放量會急劇上升。每種數字技術都會排放二氧化碳、甲烷、臭氧和氯氟烴 (CFC) 等溫室氣體，從而進一步導致全球變暖。

根據研究，電子產品、互聯網和支持它們的系統(tǒng)的碳足跡約占全球溫室氣體排放量的 3.7%。在溫室效應中，濃縮的氣體吸收能量，從而提高全球溫度。

物聯網設備的使用不斷增加，配備了額外的傳感和通信附件，消耗大量能源并導致更多碳排放?，F在需要是一種優(yōu)先考慮資源保護和環(huán)境治理并加強大氣脫碳工作的方法。物聯網的未來挑戰(zhàn)是制定可持續(xù)利用物聯網的流程和政策，以減少溫室效應并進一步優(yōu)化物聯網碳足跡。

綠色物聯網 (GIoT) 代表物聯網采用的節(jié)能應用（硬件和軟件），以促進減少現有應用和服務以及物聯網設備的能源消耗和碳排放，以實現可持續(xù)的智能世界。

綠色RFID標簽、綠色傳感器網絡、綠色云計算網絡等綠色技術已成為綠色物聯網研究的重要組成部分。如今，企業(yè)組織被激勵使用更多的自然或可再生能源，如太陽能和風能。人工智能等技術以及數學算法正在使物聯網更加直觀和用戶友好。

作為綠色物聯網運動的一部分，正在開發(fā)基于人工智能 (AI) 的能源和設施管理軟件。物聯網使用大量傳感器和微處理器。它也正在采用納米技術設計更小的納米級設備，以提高功能、能源效率和準確性，同時減小尺寸。

更環(huán)保的解決方案

不同的垂直行業(yè)使用物聯網技術通過優(yōu)化其運營來構建更環(huán)保的解決方案，以實現更大的可持續(xù)性和更低的能源成本：

支持物聯網的遠程監(jiān)控系統(tǒng)對于建立預防性醫(yī)療保健服務以改善社會非常重要。它使用大數據和分析來更快地診斷健康問題，并在系統(tǒng)成本方面降低醫(yī)院的醫(yī)療費用，在實際訪問醫(yī)院方面降低患者的醫(yī)療費用。智能電表和實時用電量監(jiān)控，收集、存儲數據并將數據發(fā)送到智能手機，以管理能源和水的消耗。

使用低功耗、遠程物聯網解決方案管理家庭用水是具有成本效益的。智能傳感器通過云共享實時讀數，并在出現問題時自動關閉。使用傳感器數據分析為灌溉應用的植物智能澆水。智能灌溉涉及使用低成本的物聯網設備來創(chuàng)建網絡物理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據實時收集的分析和數據為植物澆水。傳感器跟蹤不同的參數，如土壤濕度、濕度和溫度，以便為植物提供適量的水。它通過在質量不變的情況下節(jié)省水和人力來支持環(huán)境的可持續(xù)性。

研究人員將敏捷方法和物聯網方法相結合的混合方法應用于智能灌溉作為案例研究。它減少了灌溉總用水量，并改善了對植物狀況和水庫水位的實時跟蹤。邊緣計算和機器學習技術也已與物聯網一起用于預測植物的澆水需求。基于傳感器的智能垃圾箱可以阻止公共場所的垃圾溢出?？梢允褂没谖锫摼W的方法優(yōu)化廢物管理，其中傳感器持續(xù)實時監(jiān)控智能垃圾箱的填充水平。數據在物聯網中間件中存儲和處理，通過優(yōu)化的廢物收集路線為收集提供信息。該移動應用程序幫助垃圾車司機生成優(yōu)化的垃圾路線，市民可以使用該應用程序進行處置控制。

例如，印度政府發(fā)起了一項名為“Swachh Bharat Abhiyan”的運動，以清潔該國 4041 個城市的街道、道路和基礎設施。物聯網解決方案有助于構建配備傳感器的智能垃圾箱，以感知垃圾箱中的垃圾水平，并向有關當局發(fā)出清理垃圾的警報。此外，基于物聯網的解決方案有助于生成高效的垃圾車路線，有助于節(jié)約能源。共享移動服務、共享電動滑板車、電動自行車和汽車的物聯網連接。全球各國都在支持將全球物聯網解決方案集成到微型交通領域，以減少交通擁堵和污染，并實時遵守政府法規(guī)。這些無樁電動滑板車使用物聯網驅動的 GPS 跟蹤器和傳感器，用于跟蹤、可用性和網絡覆蓋。

人工智能、云計算和計算機視覺正在與物聯網相結合，為可持續(xù)交通服務開發(fā)更加氣候友好和持久的解決方案。這些技術一起可以解決不斷變化的法規(guī)、人行道檢測和車輛盜竊等問題。基于物聯網的空氣面板設備，可提供更新鮮的空氣、更好的健康和更有效的建筑通風。物聯網傳感技術可以改善內部空氣質量和自然通風，同時節(jié)省能源并延長預期壽命?；谖锫摼W的系統(tǒng)可以監(jiān)測空氣質量數據并執(zhí)行基于云的實時計算，以同時評估和控制環(huán)境空氣質量。

所有基于物聯網的解決方案都是硬件和軟件解決方案。該軟件通常是移動應用程序，使用戶能夠監(jiān)控、控制和協助決策。

綠色物聯網生命周期

綠化物聯網是指使用尖端的 ICT 技術，利用基礎設施和存儲使物聯網環(huán)境友好，同時允許用戶收集、存儲、訪問和管理各種類型的信息；以節(jié)省用于設計、制造和分銷 ICT 設備和裝置的能源。最終，重點是使 IT 硬件更加節(jié)能和環(huán)保。

但是，軟件在環(huán)境保護方面也起著至關重要的作用。正在開發(fā)的算法和軟件更加復雜，并且會影響硬件的能耗。研究表明，為自然語言處理 (NLP) 訓練各種神經網絡模型的準確性提高會導致大量能源消耗。

綠色物聯網生命周期主要集中在綠色設計、綠色生產、綠色部署和綠色處置或綠色回收，將對環(huán)境的負面影響降至最低。為了實現萬物智能和智能世界的可持續(xù)發(fā)展，綠色物聯網需要減少二氧化碳排放和提高能源效率。它涉及設計和利用綠色方面。

綠色物聯網的設計組件包括開發(fā)節(jié)能計算設備、通信協議和網絡架構。綠色物聯網不僅涉及物聯網中的綠色，還涉及物聯網中的綠色。物聯網中的綠色化意味著硬件和軟件產品的綠色設計。綠色設計涉及軟件設計，最大限度地減少對環(huán)境的影響，并且應該是可重復使用的，具有最少的計算和內存資源需求。

GIoT的關鍵使能技術包括綠色標簽、綠色傳感網絡、綠色M2M、綠色數據中心和綠色云計算。

RFID標簽是實現物聯網的有前途的無線系統(tǒng)之一。它是一個包裹在不干膠標簽中的小型微芯片，連接到收音機，用于接收和傳輸信號。無源標簽缺乏內置電池，必須使用感應原理從閱讀器信號中獲取能量，而有源標簽則配備電池，可為信號傳輸提供動力并擴展傳輸范圍。

RFID 在通過減少車輛排放、節(jié)約建筑物能源使用、改善廢物處理等有助于促進綠色世界的應用中發(fā)揮著重要作用。

標簽難以回收，進一步使得回收它們所附的物品具有挑戰(zhàn)性。綠色 RFID 專注于減小 RFID 標簽的尺寸，以便在其生產中使用更少的不可生物降解材料。日立推出了尺寸小于 0.4 mm2 的 μ-tag。其他綠色倡議包括生產可生物降解的 RFID 標簽、可打印標簽和紙質 RFID 標簽。

無線傳感器網絡 (WSN) 是物聯網發(fā)展的主要使能技術，是傳感和無線通信融合的結果。它已被提議用于各種應用，如對象跟蹤、火災探測和環(huán)境監(jiān)測。

一個WSN通常由一定數量的傳感器節(jié)點和一個基站（BS）（即匯節(jié)點）組成。傳感器節(jié)點處理能力低、功率有限、存儲容量有限，而基站則非常強大。傳感器節(jié)點配備了多個板載傳感器，這些傳感器從環(huán)境中讀取溫度、濕度、加速度等讀數，然后相互協作以傳遞傳感數據。

實現綠色物聯網的綠色無線傳感器網絡側重于提高能源效率、減少中繼節(jié)點、延長網絡壽命和改善系統(tǒng)預算。這可以通過采用無電池無線解決方案來實現，在這種解決方案中，數據通信可以在超低功率下進行，并利用從環(huán)境中產生能量的能量收集機制（太陽、動能、溫差等）。

消除電池將減少電池內有毒物質的暴露，并為綠色系統(tǒng)鋪平道路。當不需要時，傳感器節(jié)點可以最佳地進入睡眠模式以節(jié)省能源消耗。能量感知必須包含在整個網絡的通信傳感器節(jié)點組以及單個節(jié)點中。用于無線電優(yōu)化、數據縮減和路由的各種節(jié)能技術的研究正在進行中，如傳輸功率控制、協作通信、網絡編碼、數據聚合、聚類等。

在云計算中，資源被視為服務并且可以按需使用。云計算服務用于滿足對物聯網不斷增長的需求。為了為物聯網范式提供基礎設施，數據中心正在成為最大的能源消耗者之一，從而導致更多的環(huán)境問題和二氧化碳排放。綠色云計算策略可減少物聯網設備的能耗，而不會降低其性能。在這方面，應該進行低能耗硬件的生產和高能效的軟件設計。

綠色編碼和低代碼開發(fā)以及自動化軟件質量監(jiān)控正在發(fā)展成為技術提供商的下一個合乎邏輯的步驟，最大限度地減少軟件的能源消耗，從而限制潛在的環(huán)境影響。語言、人工智能模型和軟件開發(fā)技術的選擇也有助于開發(fā)更環(huán)保的軟件。

綠色編碼基于綠色邏輯的架構原則，如零浪費代碼、利益驅動的視覺內容、低占用資源；涉及敏捷和精益方法的更環(huán)保的方法論；以及用于開發(fā)和運行代碼的平臺。開發(fā)人員應專注于刪除代碼中未使用的功能和低效循環(huán)，并根據操作需求限制應用程序的計算準確性，并監(jiān)控其實時能耗。

包括埃森哲、GitHub、微軟和 ThoughtWorks 在內的幾家公司已承諾為應對全球氣候危機做出貢獻，因此可持續(xù)性成為軟件團隊的核心優(yōu)先事項，與性能、安全性、成本和可訪問性同樣重要。他們聯合成立了非營利性綠色軟件基金會，以促進綠色軟件開發(fā)，他們的主要優(yōu)先事項是減少碳排放的可持續(xù)軟件。開發(fā)人員可以使用英特爾的 Power Gadget、PowerLog 和 Powerstat 等工具和資源來測量和管理能耗。英特爾的軟件開發(fā)助手允許開發(fā)人員在系統(tǒng)執(zhí)行其應用程序中的特定工作負載時從系統(tǒng)中進行能量測量并確定其效率。

應采用資源虛擬化、節(jié)能資源分配和任務調度機制來提高利用效率?？梢允褂玫南到y(tǒng)資源數量通過虛擬化以可持續(xù)的方式增加。它有助于服務器組最大限度地提高資源共享能力，并實現更好的資源監(jiān)控和管理。虛擬機監(jiān)視器或管理程序用于資源虛擬化。VMware Fusion、MS Hyper-V、VMware Workstation 和 Vagrant 是一些流行的虛擬化工具。

納米數據中心比傳統(tǒng)數據中心更節(jié)能。它們有助于降低散熱成本，具有較高的服務接近性，并具有自適應或自我擴展能力。機器學習可以大大減少對數據中心冷卻的需求。

無人機對于物聯網的綠化至關重要。它提供了有效的能源利用，從而降低了物聯網設備的功耗。物聯網設備需要大量傳輸功率來遠距離中繼數據。因此，無人機可以靠近物聯網設備來收集、處理數據并將其發(fā)送到位于不同位置的另一臺設備。使用基于無人機的 WSN 收集數據的方法已成功地降低了飛行時間、能耗和數據收集延遲。

由于物聯網，機器對機器或 M2M 的世界，通信正在迅速增長，而且大多是無形的。從電燈開關到冰箱、公用電表到停車位的智能對象網絡都配備了傳感器，能夠相互通信、進行測量和做出決策。全球有數十億臺聯網設備消耗大量能源。

綠色M2M專注于使用節(jié)能技術智能調整傳輸功率，設計高效的通信協議，根據工作負載變化進行活動調度，并采用能量收集。福特與 AT&T 合作，為其電動汽車配備無線連接和專用應用程序，允許車主監(jiān)控和控制車輛充電設置、計劃單站或多站行程、定位充電站以及預熱或冷卻汽車。支持無線的車隊管理和遙測技術可幫助卡車和物流公司減少道路上空載或未充分利用的卡車的數量。

綠色物聯網原則

普通人可以遵循的為綠色物聯網做出貢獻的原則既簡單又環(huán)保。首先，節(jié)約能源以拯救地球。關閉不需要的設施。人們傾向于使用在線視頻入睡，這對數據中心提出了不必要的需求，并損害了氣候。為了節(jié)能，WSN 使用睡眠調度來使傳感器節(jié)點根據其使用要求動態(tài)睡眠和喚醒。

然后，只發(fā)送需要的數據，因為數據傳輸，尤其是流媒體視頻，會消耗相當多的能量。一分鐘的手機通話比發(fā)送短信的碳足跡略大，但互聯網視頻通話的碳排放量要高得多?；谟脩粜袨榉治龅念A測數據交付可用于僅向用戶提供所需的數據。此外，應盡可能壓縮和聚合數據，同時為媒體和圖像使用較小的尺寸。在具有大量用戶群的移動應用程序上降低屏幕圖像的分辨率可以節(jié)省大量能源。

數據路徑的長度應該使用節(jié)能路由方案和無線通信的架構設計來最小化，例如使用中繼節(jié)點來監(jiān)聽傳輸并將信號中繼到目標節(jié)點，從而提高能源效率。

遵循綠色物聯網的另一種方法是權衡通信處理。在各種無線傳感器設備的幫助下，物聯網產生了各種海量、多源、異構和稀疏的數據集。數據融合主要用于減少數據規(guī)模，優(yōu)化數據流量，提取有價值的原始數據，從而增強物聯網服務并提供智能服務。

面向綠色通信，認知無線電（CR）系統(tǒng)等先進的通信技術能夠感知環(huán)境并通過軟件和硬件操作改變其操作模式，能夠提高頻譜使用效率并最大限度地減少頻譜過度擁擠使用的問題。MIMO（多輸入多輸出）是一種在無線通信中用于發(fā)送和接收的高效傳輸技術。多個傳輸源的組合提高了更高的數據速率和系統(tǒng)效率。

所有個人和組織都應重視風能、太陽能、水能、地熱能等可再生綠色能源的使用。使用可再生的綠色能源將通過最大限度地減少二氧化碳的排放對環(huán)境產生積極影響。

低代碼開發(fā)與自動化軟件質量監(jiān)控相結合將為可持續(xù)發(fā)展的社會鋪平道路。它將旨在刪除或重構未使用的功能并提高能源效率并使軟件更易于維護。還要嘗試根據底層設備電源模式或其他環(huán)境和操作條件調整整個應用程序或軟件組件的行為。監(jiān)控應用程序的實時能耗，以確定可以優(yōu)化以減少排放的軟件模塊。

最后，不要縱向思考，而要橫向思考。市場上有多種物聯網解決方案可確保針對特定問題提供可快速部署的端到端解決方案。如果這些解決方案被證明是一次性的，不能或不與當前或未來的系統(tǒng)交互，它們最終可能會變成浪費并需要更換。因此，在設計和規(guī)劃物聯網項目時，重要的是要考慮隨著應用程序和用例隨著時間的推移如何重用通用平臺、基礎設施甚至單個設備。此類問題的示例包括智能停車和動態(tài)街道照明。

綠色物聯網的未來

綠色物聯網將在未來將我們的生活轉變?yōu)楦G色、更健康的環(huán)境，在社會和環(huán)境上可持續(xù)、更智能、更安全。目前，最令人興奮的領域集中在綠色網絡和通信、綠色設計和綠色物聯網安裝、綠色服務和應用、節(jié)能技術和綠色本地化等綠色領域。能量收集和開發(fā)低功耗芯片組等能源問題是綠色物聯網發(fā)展的核心。

從傳感器到移動云的傳輸數據會更有用。WSN 通過傳感器云架構與移動云集成。這種綠色物聯網技術將幫助城市通過物聯網變得更加環(huán)保。此外，綠色社交網絡即服務 (SNaaS) 可以提高系統(tǒng)的能源效率、服務供應、傳感器網絡和基于云的 WSN 管理。

M2M 在節(jié)約能源和有害排放方面至關重要。為了使自動化系統(tǒng)正常工作，智能機器必須變得更智能。在交通擁堵的情況下，必須在立即采取適當措施的同時最大限度地減少機器自動化延遲。

物聯網系統(tǒng)的綠色設計能夠發(fā)揮其作為“綠色”技術的潛力，對于幫助組織實現其可持續(xù)發(fā)展目標至關重要。這可以通過結合遠程連接、低功耗和低成本設備，對物聯網產品、物聯網項目和解決方案進行細致的規(guī)劃和設計來實現。

研究領域包括開發(fā)新型、更高效、緊湊的儲能裝置，如電池、燃料電池和印刷/聚合物電池。此外，開發(fā)耦合能量傳輸方法和能量轉換的新能源發(fā)電裝置也是一個值得關注的話題。

為了實現物聯網的綠色化，有必要使用更少的能源，尋找新的資源，減少物聯網對人類健康的負面影響，并減少對環(huán)境的破壞。然后，綠色物聯網可以為可持續(xù)、智能和綠色環(huán)境做出巨大貢獻。

如今，包括中國在內，綠色環(huán)保已成為全球建筑行業(yè)的發(fā)展目標之一，由千家網主辦的2022年第23屆中國國際建筑智能化峰會將于近期正式拉開帷幕，本屆峰會主題為“數智賦能，碳索新未來”，其中如何打造更低碳、更環(huán)保的智能建筑將成為本屆峰會主要探討的主題之一。

峰會將于2022年11月8日至12月8日期間，分別在西安、成都、北京、上海和廣州五大城市隆重舉行。屆時我們將攜手全球知名建筑智能化品牌及專家，共同分享AI、云計算、大數據、IoT、智慧城市、智能家居、智慧安防等熱點話題與最新技術應用，并探討如何打造“更低碳、更安全、更穩(wěn)定、更開放”的行業(yè)生態(tài)，助力“雙碳”目標的實現。

歡迎建筑智能化行業(yè)同仁報名參會，分享交流！

報名方式

西安站（11月08日）：https://www.huodongxing.com/event/4638585444400

成都站（11月10日）：https://www.huodongxing.com/event/5657854318600

上海站（11月23日）：https://www.huodongxing.com/event/3638582473900

北京站（11月25日）：https://www.huodongxing.com/event/4638577546900

廣州站（12月08日）：https://www.huodongxing.com/event/2638587914600

更多2022年峰會信息，詳見峰會官網：http://summit.qianjia.com/

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