畜禽物聯(lián)網(wǎng)理論、技術(shù)及應(yīng)用PPT 第4章 畜禽物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸

畜禽物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)?章4.1無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)4.2ZigBee 4.3LoRa4.4NB-IoT4.5Wi-Fi4.64G4.75G4.84GCat.1

4.1無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由傳感器節(jié)點(diǎn)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4-1所示，其中包含傳感器節(jié)點(diǎn)（SensorNode）、匯聚節(jié)點(diǎn)（SinkNode）和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)（TaskManageNode）。圖4-1無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.1無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)包含傳感、處理、通信、供能四個(gè)單元，形成小型嵌入式系統(tǒng)。其功能包括信息存儲(chǔ)、處理和傳輸，是信息采集的終端和信息路由器。匯聚節(jié)點(diǎn)主要進(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，將信息從無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡(luò)，同時(shí)充當(dāng)具有無(wú)線通信接口的網(wǎng)關(guān)。任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)下達(dá)監(jiān)測(cè)指令以及對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。2.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)（1）規(guī)模大。使用多個(gè)傳感器可提高畜禽業(yè)生產(chǎn)信息的準(zhǔn)確性，同時(shí)規(guī)模擴(kuò)大也有助于減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)。（2）自組織。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靈活布置，自主組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)接替任務(wù)。（3）易擴(kuò)展?？赏ㄟ^(guò)添加新節(jié)點(diǎn)替換故障節(jié)點(diǎn)，或者擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，新舊節(jié)點(diǎn)重新組網(wǎng)，不影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。（4）可靠性強(qiáng)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能獲取人工難以采集的數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)適應(yīng)性強(qiáng)，不容易受到破壞，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。（5）多功能。不同類型的傳感器功能各異，針對(duì)實(shí)際需求選擇合適的傳感器，以獲取多樣化的數(shù)據(jù)類型，滿足不同監(jiān)測(cè)需求。4.2ZigBeeZigBee是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，在2.4GHz、868MHz、915MHz頻段運(yùn)行，它的最大速率是250Kbit/s，因此只能完成短距離、小量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸，常用于在小型電子設(shè)備之間進(jìn)行信息傳輸，以及傳輸其他間歇性、周期性、低反應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)。具體來(lái)說(shuō)，ZigBee主要具有以下特點(diǎn)：（1）低功耗。以兩節(jié)5號(hào)電池供能，ZigBee設(shè)備至少能夠運(yùn)行半年，最長(zhǎng)可達(dá)2年之久，而在相同能量供給條件下，藍(lán)牙設(shè)備只能工作幾周，Wi-Fi設(shè)備只能維持幾小時(shí)。（2）低成本。ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)用，其對(duì)通信控制器的要求較低，且模塊成本也不高。（3）低速率。ZigBee的工作速率在20～250Kbit/s之間，提供20Kbit/s(868MHz)、40Kbit/s(915MHz)及250Kbit/s(2.4GHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，適合傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)。（4）短時(shí)延。ZigBee反應(yīng)靈敏，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)一般用時(shí)30ms，喚醒ZigBee設(shè)備用時(shí)15ms，尤其適用于發(fā)展無(wú)線控制應(yīng)用。大容量。一個(gè)星型ZigBee網(wǎng)絡(luò)能容納255個(gè)節(jié)點(diǎn)，多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)能組成可容納65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)。（6）安全性強(qiáng)。ZigBee提供默認(rèn)安全、訪問(wèn)控制和密碼加密三種安全機(jī)制，通過(guò)訪問(wèn)控制和密碼加密可以有效保障通訊安全。4.3LoRaLoRa（LongRange）是一種長(zhǎng)距離無(wú)線通信技術(shù)，在433MHz、868MHz、915MHz等頻段運(yùn)行，具有傳輸距離長(zhǎng)、功耗低、節(jié)點(diǎn)多、成本低等特點(diǎn)，具體來(lái)說(shuō)，LoRa通過(guò)線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)（ChirpSpreadSpectrum，CSS）實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、低功耗通信，其連接沒(méi)有基站要求，還能通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)控制大量節(jié)點(diǎn)，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(lái)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(diǎn)、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(diǎn)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(gè)傳輸中繼，終端節(jié)點(diǎn)首先通過(guò)LoRa無(wú)線通信與一個(gè)或多個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)相連，再通過(guò)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。4.4NB-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具備五大優(yōu)勢(shì)，分別是：（1）部署方式靈活。NB-IoT包含獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署和帶內(nèi)部署3種部署模式，它們之間的頻譜、帶寬、時(shí)延、容量、兼容性等都有所差別。（2）覆蓋能力強(qiáng)。NB-IoT的覆蓋能力比寬帶LTE網(wǎng)絡(luò)提升了約20dB。（3）功耗低。在需要使用電池供電的情況下，NB-IoT能大大延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)，甚至可讓電池使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年之久。（4）海量連接。保持相同的基站覆蓋條件，與4G相比，NB-IoT的容量提升接近100倍，能夠滿足大量設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)需求。（5）低成本。NB-IoT的功耗、帶寬、速率都比較低，因此芯片設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，且其不需要另行建立運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，RF和天線均可再利用，由此實(shí)現(xiàn)了低成本。在畜禽業(yè)領(lǐng)域，NB-IoT常被用來(lái)構(gòu)建智能化畜禽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)傳輸、匯聚傳感器采集的信息對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境、畜禽狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖管理自動(dòng)化和畜禽異常及時(shí)發(fā)現(xiàn)。在畜產(chǎn)品運(yùn)輸管理方面，NB-IoT也多被用來(lái)幫助生產(chǎn)者實(shí)時(shí)了解與產(chǎn)品運(yùn)輸環(huán)境等相關(guān)的信息，作為畜產(chǎn)品溯源的其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)?？梢哉f(shuō)，NB-IoT完善了畜禽物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行模式，提升了畜禽物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)化、智能化水平。4.5Wi-FiWi-Fi是IEEE820.11標(biāo)準(zhǔn)下的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，基于直接序列調(diào)制（Direct-SequenceModulation）技術(shù)在2.4GHz/5.8GHz頻段運(yùn)行，它通過(guò)無(wú)線電波連接互聯(lián)網(wǎng)，借助無(wú)線AP將寬帶網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，提供無(wú)線局域網(wǎng)服務(wù)。Wi-Fi對(duì)于構(gòu)建大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺(tái)、WLANMesh組網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(wú)線連接技術(shù)。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的組成部分如表4-1所示。站點(diǎn)（Station）Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的最基礎(chǔ)部分，其網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過(guò)無(wú)線AP進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的無(wú)線設(shè)備即可連接Wi-Fi上網(wǎng)。接入站點(diǎn)的用戶數(shù)量對(duì)Wi-Fi的連接速度有直接影響基本服務(wù)單元（BasicServiceSet,BSS）由一個(gè)基站和若干個(gè)站點(diǎn)組成，BSS內(nèi)的站點(diǎn)之間直接通信，內(nèi)部站點(diǎn)經(jīng)由基站與外部站點(diǎn)通信分配系統(tǒng)（DistributionSystem，DS）與不同的BSS連接，通過(guò)必要的邏輯服務(wù)將匹配地址分配給目標(biāo)站點(diǎn)接入點(diǎn)（AccessPoint，AP）是BSS內(nèi)的基站，作用與網(wǎng)橋相似，可以接入分配系統(tǒng)擴(kuò)展服務(wù)單元（ExtendedServiceSet，ESS）由BSS和DS組成，BSS通過(guò)無(wú)線AP連接到DS，再連接另一個(gè)BSS，由此構(gòu)成了一個(gè)ESS門橋（Portal）相當(dāng)于網(wǎng)橋，連接無(wú)線局域網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)，也是外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)入IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的途徑表4-1Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的組成部分4.5Wi-FiWi-Fi的優(yōu)勢(shì)主要在于：（1）構(gòu)建方便。不需要鋪設(shè)電纜，配備一個(gè)或多個(gè)無(wú)線AP設(shè)備即可實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋區(qū)域，用戶可以選擇任意位置接入網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍時(shí)只需要增加無(wú)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(hào)強(qiáng)度不夠的情況下也能通過(guò)自動(dòng)調(diào)整帶寬保證網(wǎng)絡(luò)傳輸正常進(jìn)行。（4）傳輸距離遠(yuǎn)。在開(kāi)放場(chǎng)所Wi-Fi的傳輸距離能達(dá)到305m，在封閉場(chǎng)所為76～122m，其信號(hào)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(guò)100mW，實(shí)際上通常只有60～70mW，輻射較小。但由于Wi-Fi通過(guò)無(wú)線電波接入互聯(lián)網(wǎng)，其傳輸速率會(huì)因受到外部干擾而有所降低，遇到障礙物時(shí)也可能會(huì)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(guò)用戶認(rèn)證加密來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這些方面與有線網(wǎng)絡(luò)相比有所不足。4.64G4.1.2農(nóng)業(yè)云計(jì)算4G是第四代移動(dòng)通信技術(shù)，以WLAN為發(fā)展重點(diǎn)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(dá)到100Mbps/s，上傳和下載的帶寬可達(dá)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(dòng)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(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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)。在畜禽業(yè)領(lǐng)域，4G作為信息傳輸載體發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以云平臺(tái)為中心，運(yùn)用4G網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線方式將畜禽業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)使用的智能終端聯(lián)系起來(lái)，包括傳感器、攝像頭、大型農(nóng)業(yè)設(shè)備、移動(dòng)終端設(shè)備、展示平臺(tái)等，可以實(shí)現(xiàn)畜禽業(yè)信息的采集、處理、分析和顯示；由于4G具有高帶寬的優(yōu)點(diǎn)，可以更加快速、穩(wěn)定地傳輸畜禽業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，提高信息共享效率；將4G與人工智能結(jié)合，應(yīng)用人工智能系統(tǒng)對(duì)畜禽業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行自主判斷，對(duì)生產(chǎn)管理操作實(shí)施自動(dòng)調(diào)控，提升畜禽業(yè)發(fā)展的智能化、自動(dòng)化水平。信息是智慧畜禽業(yè)發(fā)展必不可少的資源，4G為畜禽業(yè)信息獲取提供了重要的技術(shù)支撐，是推動(dòng)畜禽業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)必須具備的技術(shù)條件之一。4.75G5G是第五代移動(dòng)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(yàn)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(dá)到100萬(wàn)，峰值速率可以達(dá)到10～20Gbit/s，網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延低至1ms，用戶體驗(yàn)速率達(dá)到100Mbit/s。5G與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用將會(huì)對(duì)社會(huì)生產(chǎn)生活產(chǎn)生巨大影響。在畜禽物聯(lián)網(wǎng)方面，5G可以發(fā)展以下應(yīng)用：（1）提升信息傳輸效率。5G網(wǎng)絡(luò)可顯著縮短畜禽業(yè)信息傳輸時(shí)間，提高傳輸穩(wěn)定性，為生產(chǎn)決策提供高效支持。（2）促進(jìn)設(shè)備智能化。5G網(wǎng)絡(luò)支持畜禽生產(chǎn)設(shè)備智能化，如農(nóng)業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)作業(yè)，提高操作速度和精確度，有助于農(nóng)業(yè)自動(dòng)化。（3）推動(dòng)銷售模式轉(zhuǎn)型。5G提高市場(chǎng)信息傳播速度，促進(jìn)銷售模式轉(zhuǎn)型，推動(dòng)電子商務(wù)等畜產(chǎn)品銷售方式的發(fā)展。（4）助力產(chǎn)品溯源。5G技術(shù)可實(shí)現(xiàn)畜產(chǎn)品雙向追溯，提高溯源效率，為消費(fèi)者提供產(chǎn)品生產(chǎn)情況，加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)管。（5）延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈。5G技術(shù)支持觀光畜禽業(yè)發(fā)展，優(yōu)化管理方式，提供創(chuàng)新旅游體驗(yàn)活動(dòng)，促進(jìn)畜禽業(yè)旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展。4.84GCat.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(jí)之一。終端速率等級(jí)劃分如表4-2所示：UE-Category最大上行速率（Mbps）最大下行速率（Mbps）3GPPReleaseCategory011Release12Category15.210.3Release8Category225.551Release8Category351102Release8Category451150.8Release8Category575.4299.6Release8Category651301.5Release10Category7102301.5Release10Category81497.82998.6Release10Category951452.2Release11Category10102452.2Release11Category1151603Release12Category12102603Release12Category1351391.6Release12Category14102391.6Release12Category151497.83916.6Release12表4-2終端速率等級(jí)劃分4.84GCat.1蜂窩移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的需求具有多樣化的特點(diǎn)，大致可以劃分為低、中、高三種類型，占比約為6:3:1。其中占比60%的低速率場(chǎng)景涉及路燈、智能停車、環(huán)境管理、市政設(shè)施等方面，一般由NB-IoT、LoRa進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；占比30%的中速率場(chǎng)景包含智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)傳感器、智能家居、共享支付、物流管理等業(yè)務(wù)，通常由Cat.1、Cat.4進(jìn)行連接；占比10%的高速率場(chǎng)景，如視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等則使用5G連接。畜禽物聯(lián)網(wǎng)屬于智慧農(nóng)業(yè)范疇，多為中速率連接場(chǎng)景，相比于傳輸速率，對(duì)成本和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的要求更高。Cat.1的最大下行、上行速率分別可以達(dá)到10