第4章 智慧水產(chǎn)信息傳輸

智慧水產(chǎn)信息傳輸?shù)?章4.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)4.2LoRa

4.3NB-IoT4.4Wi-Fi4.54G和4GCat.14.65G4.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由傳感器節(jié)點自組織形成的分布式網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)匯集傳感器獲取的數(shù)據(jù)，是畜禽物聯(lián)網(wǎng)中必備的傳輸網(wǎng)絡(luò)之一。1.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，其中包含傳感器節(jié)點（SensorNode）、匯聚節(jié)點（SinkNode）和任務(wù)管理節(jié)點（TaskManageNode）。4.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)2.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點（1）規(guī)模大。監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)信息通常會使用較多傳感器，在減少監(jiān)測盲區(qū)的同時提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。（2）自組織。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以隨意放置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，各節(jié)點自行組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)有傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障時，未發(fā)生故障的一些節(jié)點會自行接替完成監(jiān)測任務(wù)。（3）易擴展。當(dāng)某些傳感器節(jié)點發(fā)生故障時，可以接入新的節(jié)點對其進行替換，在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上也可以增加新節(jié)點，新舊節(jié)點重新組網(wǎng)，不會影響監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行。（4）可靠性強。通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以獲取人工無法前往采集的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點對環(huán)境的適應(yīng)性強，不會被輕易破壞，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定監(jiān)測。（5）不同類型的傳感器功能各異，每一種傳感器能夠采集的數(shù)據(jù)類型有限，所以在組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，要以實際應(yīng)用場景為依據(jù)加入具備相應(yīng)功能的傳感器，以達到使用目的。4.2LoRaLoRa（LongRange）是一種長距離無線通信技術(shù)，在433MHz、868MHz、915MHz等頻段運行，具有傳輸距離長、功耗低、節(jié)點多、成本低等特點，具體來說，LoRa通過線性調(diào)頻擴頻技術(shù)（ChirpSpreadSpectrum，CSS）實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、低功耗通信，其連接沒有基站要求，還能通過一個網(wǎng)關(guān)控制大量節(jié)點，組網(wǎng)方式靈活，建設(shè)成本低，LoRa也因此被廣泛應(yīng)用在智慧農(nóng)業(yè)、智慧社區(qū)、智慧物流、智慧家居等眾多行業(yè)，用來滿足碎片化、低成本、大連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。LoRa網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器四部分組成，其中終端節(jié)點一般是各種感知設(shè)備，LoRa網(wǎng)關(guān)充當(dāng)LoRa網(wǎng)絡(luò)中的一個傳輸中繼，終端節(jié)點首先通過LoRa無線通信與一個或多個LoRa網(wǎng)關(guān)相連，再通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)等連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，應(yīng)用數(shù)據(jù)可以雙向傳輸。4.3NB-IoTNB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)，是4G/LTE網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用之一。作為低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)的一種，NB-IoT具備部署方式靈活、覆蓋能力強、功耗低、海量連接、低成本五大優(yōu)勢。在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，NB-IoT常被用來構(gòu)建智能化水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)，通過傳輸、匯聚傳感器采集的信息對養(yǎng)殖環(huán)境、水產(chǎn)生物狀況進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)養(yǎng)殖管理自動化和水產(chǎn)生物異常及時發(fā)現(xiàn)。在水產(chǎn)品運輸管理方面，NB-IoT也多被用來幫助生產(chǎn)者實時了解與產(chǎn)品運輸環(huán)境等相關(guān)的信息，作為水產(chǎn)品溯源的其中一個重要環(huán)節(jié)。4.4Wi-FiWi-Fi是IEEE820.11標(biāo)準(zhǔn)下的無線局域網(wǎng)技術(shù)，基于直接序列調(diào)制（Direct-SequenceModulation，DSM）技術(shù)在2.4GHz/5.8GHz頻段運行，它通過無線電波連接互聯(lián)網(wǎng)，借助無線AP將寬帶網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)發(fā)給無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，提供無線局域網(wǎng)服務(wù)。Wi-Fi對于構(gòu)建大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺、WLANMesh組網(wǎng)、點對多點通信網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)等至關(guān)重要，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中必不可少的無線連接技術(shù)。Wi-Fi的優(yōu)勢主要在于：（1）構(gòu)建方便。不需要鋪設(shè)電纜，配備一個或多個無線AP設(shè)備即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，大幅度降低了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本。（2）靈活性高。在無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋區(qū)域，用戶可以選擇任意位置接入網(wǎng)絡(luò)，擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時只需要增加無線AP設(shè)備。（3）傳輸速率高。Wi-Fi能提供的最高帶寬是11Mbps，即使在信號強度不夠的情況下也能通過自動調(diào)整帶寬保證網(wǎng)絡(luò)傳輸正常進行。（4）傳輸距離遠(yuǎn)。在開放場所Wi-Fi的傳輸距離能達到305m，在封閉場所為76～122m，其信號不受墻壁阻隔。（5）輻射小。按規(guī)定Wi-Fi的發(fā)射功率不超過100mW，實際上通常只有60～70mW，輻射較小。但由于Wi-Fi通過無線電波接入互聯(lián)網(wǎng)，其傳輸速率會因受到外部干擾而有所降低，遇到障礙物時也可能會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定現(xiàn)象，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)安全多通過用戶認(rèn)證加密來實現(xiàn)，在這些方面與有線網(wǎng)絡(luò)相比有所不足。4.54G和4GCat.11.4G4G是第四代移動通信技術(shù)，以WLAN為發(fā)展重點并融合了OFDM、MIMO、SDR等技術(shù)，在通信質(zhì)量、傳輸速率和兼容性等方面與3G相比有了明顯提升，其傳輸速度可以達到100Mbps/s，上傳和下載的帶寬可達到50M/s和100M/s，兼容2G/3G及衛(wèi)星通信系統(tǒng)、WLAN接入系統(tǒng)等移動通信系統(tǒng)，通信環(huán)境更為安全、靈活，保密性更好，抗干擾能力更強，網(wǎng)絡(luò)信號更穩(wěn)定，可以完成大部分的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，是云應(yīng)用發(fā)展不可缺少的技術(shù)基礎(chǔ)。在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，4G是關(guān)鍵的信息傳輸工具。通過4G網(wǎng)絡(luò)，水產(chǎn)養(yǎng)殖智能終端如傳感器、攝像頭、大型設(shè)備等與云平臺無線連接，實現(xiàn)信息采集、處理、分析和展示；4G高帶寬使得數(shù)據(jù)傳輸更快速、穩(wěn)定，提高信息共享效率；結(jié)合人工智能，實現(xiàn)對水產(chǎn)生產(chǎn)狀態(tài)的自主判斷和管理操作的自動調(diào)控，推動水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)智能化、自動化發(fā)展。4G為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提供了重要的技術(shù)支撐，是促使行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵條件之一。2.4GCat.1Cat.1的全稱是LTEUE-Category1，其中UE指用戶終端（UserEquipment），Category指的是分類、類別，Cat.1是用戶終端所支持的傳輸速率的等級之一。終端速率等級劃分如表所示：UE-Category最大上行速率（Mbps）最大下行速率（Mbps）3GPPReleaseCategory011Release12Category15.210.3Release8Category225.551Release8Category351102Release8Category451150.8Release8Category575.4299.6Release8Category651301.5Release10Category7102301.5Release10Category81497.82998.6Release10Category951452.2Release11Category10102452.2Release11Category1151603Release12Category12102603Release12Category1351391.6Release12Category14102391.6Release12Category151497.83916.6Release124.54G和4GCat.1蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)容量需求多樣，主要分為低、中、高三種類型，占比約為6:3:1。其中，低速率場景占比60%，包括路燈、智能停車、環(huán)境管理等，通常使用NB-IoT、LoRa進行數(shù)據(jù)傳輸；中速率場景占比30%，涉及智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)傳感器、智能家居等，使用Cat.1、Cat.4進行連接；高速率場景占比10%，如視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動駕駛，采用5G連接。智慧水產(chǎn)屬于智慧農(nóng)業(yè)，主要采用中速率連接，對成本和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求更高。Cat.1提供最大下行、上行速率分別為10Mbps、5Mbps，滿足智慧水產(chǎn)的數(shù)據(jù)傳輸需求且不浪費帶寬。Cat.1可通過簡單參數(shù)設(shè)置接入LTE網(wǎng)絡(luò)，具備較高的系統(tǒng)集成度和成本優(yōu)勢，適用于智慧水產(chǎn)領(lǐng)域，比Cat.4成本更低，降低了30%～40%。隨著蜂窩移動物聯(lián)網(wǎng)的升級，連接將由NB-IoT、4G（含LTE-Cat.1）、5G共同承擔(dān)。Cat.1已有完善的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施基礎(chǔ)，目前尚無替代技術(shù)，因此在智慧水產(chǎn)領(lǐng)域，Cat.1有廣闊的應(yīng)用前景。4.65G5G是第五代移動通信技術(shù)，在頻譜利用、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、數(shù)據(jù)傳輸、用戶體驗等方面優(yōu)于4G，其頻譜效率高于LTE3倍以上，每平方公里的設(shè)備連接數(shù)量可達到10