畜禽物联网理论、技术及应用PPT 第4章 畜禽物联网信息传输

畜禽物联网信息传输第4章4.1无线传感网络4.2ZigBee 4.3LoRa4.4NB-IoT4.5Wi-Fi4.64G4.75G4.84GCat.1

4.1无线传感网络无线传感网络是由传感器节点自组织形成的分布式网络，负责汇集传感器获取的数据，是畜禽物联网中必备的传输网络之一。1.无线传感网络的拓扑结构无线传感网络的拓扑结构如图4-1所示，其中包含传感器节点（SensorNode）、汇聚节点（SinkNode）和任务管理节点（TaskManageNode）。图4-1无线传感网络的拓扑结构4.1无线传感网络传感器节点包含传感、处理、通信、供能四个单元，形成小型嵌入式系统。其功能包括信息存储、处理和传输，是信息采集的终端和信息路由器。汇聚节点主要进行通信协议转换，将信息从无线传感网络传输到外部网络，同时充当具有无线通信接口的网关。任务管理节点负责下达监测指令以及对传感器采集的数据进行分析和处理。2.无线传感网络的特点（1）规模大。使用多个传感器可提高畜禽业生产信息的准确性，同时规模扩大也有助于减少监测盲区。（2）自组织。无线传感网络节点可灵活布置，自主组网进行数据传输。在节点故障时，其他节点可自动接替任务。（3）易扩展。可通过添加新节点替换故障节点，或者扩展网络规模，新旧节点重新组网，不影响监测系统正常运行。（4）可靠性强。无线传感网络能获取人工难以采集的数据，传感器节点适应性强，不容易受到破坏，实现了稳定监测。（5）多功能。不同类型的传感器功能各异，针对实际需求选择合适的传感器，以获取多样化的数据类型，满足不同监测需求。4.2ZigBeeZigBee是一种短距离无线通信技术，在2.4GHz、868MHz、915MHz频段运行，它的最大速率是250Kbit/s，因此只能完成短距离、小量级的数据传输，常用于在小型电子设备之间进行信息传输，以及传输其他间歇性、周期性、低反应时间的数据。具体来说，ZigBee主要具有以下特点：（1）低功耗。以两节5号电池供能，ZigBee设备至少能够运行半年，最长可达2年之久，而在相同能量供给条件下，蓝牙设备只能工作几周，Wi-Fi设备只能维持几小时。（2）低成本。ZigBee协议免专利费用，其对通信控制器的要求较低，且模块成本也不高。（3）低速率。ZigBee的工作速率在20～250Kbit/s之间，提供20Kbit/s(868MHz)、40Kbit/s(915MHz)及250Kbit/s(2.4GHz)的原始数据吞吐率，适合传输低速率数据。（4）短时延。ZigBee反应灵敏，设备接入网络一般用时30ms，唤醒ZigBee设备用时15ms，尤其适用于发展无线控制应用。大容量。一个星型ZigBee网络能容纳255个节点，多个ZigBee网络能组成可容纳65000个节点的大型网络。（6）安全性强。ZigBee提供默认安全、访问控制和密码加密三种安全机制，通过访问控制和密码加密可以有效保障通讯安全。4.3LoRaLoRa（LongRange）是一种长距离无线通信技术，在433MHz、868MHz、915MHz等频段运行，具有传输距离长、功耗低、节点多、成本低等特点，具体来说，LoRa通过线性调频扩频技术（ChirpSpreadSpectrum，CSS）实现了远距离、低功耗通信，其连接没有基站要求，还能通过一个网关控制大量节点，组网方式灵活，建设成本低，LoRa也因此被广泛应用在智慧农业、智慧社区、智慧物流、智慧家居等众多行业，用来满足碎片化、低成本、大连接的物联网应用需求。LoRa网络由终端节点、网关、网络服务器、应用服务器四部分组成，其中终端节点一般是各种感知设备，LoRa网关充当LoRa网络中的一个传输中继，终端节点首先通过LoRa无线通信与一个或多个LoRa网关相连，再通过4G/5G网络等连接网络服务器，应用数据可以双向传输。4.4NB-IoTNB-IoT（窄带物联网）是基于蜂窝网络的物联网新兴技术，是4G/LTE网络的主要应用之一。作为低功耗广域网通信技术的一种，NB-IoT具备五大优势，分别是：（1）部署方式灵活。NB-IoT包含独立部署、保护带部署和带内部署3种部署模式，它们之间的频谱、带宽、时延、容量、兼容性等都有所差别。（2）覆盖能力强。NB-IoT的覆盖能力比宽带LTE网络提升了约20dB。（3）功耗低。在需要使用电池供电的情况下，NB-IoT能大大延长设备的续航时长，甚至可让电池使用寿命长达10年之久。（4）海量连接。保持相同的基站覆盖条件，与4G相比，NB-IoT的容量提升接近100倍，能够满足大量设备的联网需求。（5）低成本。NB-IoT的功耗、带宽、速率都比较低，因此芯片设计相对简单，且其不需要另行建立运营商网络，RF和天线均可再利用，由此实现了低成本。在畜禽业领域，NB-IoT常被用来构建智能化畜禽监测系统，通过传输、汇聚传感器采集的信息对养殖环境、畜禽状况进行实时监测，实现养殖管理自动化和畜禽异常及时发现。在畜产品运输管理方面，NB-IoT也多被用来帮助生产者实时了解与产品运输环境等相关的信息，作为畜产品溯源的其中一个重要环节。可以说，NB-IoT完善了畜禽物联网的运行模式，提升了畜禽物联网的系统化、智能化水平。4.5Wi-FiWi-Fi是IEEE820.11标准下的无线局域网技术，基于直接序列调制（Direct-SequenceModulation）技术在2.4GHz/5.8GHz频段运行，它通过无线电波连接互联网，借助无线AP将宽带网络信号转发给无线网络设备，提供无线局域网服务。Wi-Fi对于构建大数据云服务平台、WLANMesh组网、点对多点通信网络、异构网通信网络等至关重要，是物联网系统中必不可少的无线连接技术。Wi-Fi网络的组成部分如表4-1所示。站点（Station）Wi-Fi网络的最基础部分，其网络信号通过无线AP进行转发，信号覆盖范围内的无线设备即可连接Wi-Fi上网。接入站点的用户数量对Wi-Fi的连接速度有直接影响基本服务单元（BasicServiceSet,BSS）由一个基站和若干个站点组成，BSS内的站点之间直接通信，内部站点经由基站与外部站点通信分配系统（DistributionSystem，DS）与不同的BSS连接，通过必要的逻辑服务将匹配地址分配给目标站点接入点（AccessPoint，AP）是BSS内的基站，作用与网桥相似，可以接入分配系统扩展服务单元（ExtendedServiceSet，ESS）由BSS和DS组成，BSS通过无线AP连接到DS，再连接另一个BSS，由此构成了一个ESS门桥（Portal）相当于网桥，连接无线局域网与其他网络，也是外部网络数据进入IEEE802.11网络结构的途径表4-1Wi-Fi网络的组成部分4.5Wi-FiWi-Fi的优势主要在于：（1）构建方便。不需要铺设电缆，配备一个或多个无线AP设备即可实现网络覆盖，大幅度降低了网络应用成本。（2）灵活性高。在无线网络信号覆盖区域，用户可以选择任意位置接入网络，扩大网络覆盖范围时只需要增加无线AP设备。（3）传输速率高。Wi-Fi能提供的最高带宽是11Mbps，即使在信号强度不够的情况下也能通过自动调整带宽保证网络传输正常进行。（4）传输距离远。在开放场所Wi-Fi的传输距离能达到305m，在封闭场所为76～122m，其信号不受墙壁阻隔。（5）辐射小。按规定Wi-Fi的发射功率不超过100mW，实际上通常只有60～70mW，辐射较小。但由于Wi-Fi通过无线电波接入互联网，其传输速率会因受到外部干扰而有所降低，遇到障碍物时也可能会出现网络不稳定现象，Wi-Fi网络安全多通过用户认证加密来实现，在这些方面与有线网络相比有所不足。4.64G4.1.2农业云计算4G是第四代移动通信技术，以WLAN为发展重点并融合了OFDM、MIMO、SDR等技术，在通信质量、传输速率和兼容性等方面与3G相比有了明显提升，其传输速度可以达到100Mbps/s，上传和下载的带宽可达到50M/s和100M/s，兼容2G/3G及卫星通信系统、WLAN接入系统等移动通信系统，通信环境更为安全、灵活，保密性更好，抗干扰能力更强，网络信号更稳定，可以完成大部分的数据传输任务，是云应用发展不可缺少的技术基础。在畜禽业领域，4G作为信息传输载体发挥着关键作用。以云平台为中心，运用4G网络采用无线方式将畜禽业生产经营使用的智能终端联系起来，包括传感器、摄像头、大型农业设备、移动终端设备、展示平台等，可以实现畜禽业信息的采集、处理、分析和显示；由于4G具有高带宽的优点，可以更加快速、稳定地传输畜禽业生产经营环节的数据，提高信息共享效率；将4G与人工智能结合，应用人工智能系统对畜禽业生产经营状态进行自主判断，对生产管理操作实施自动调控，提升畜禽业发展的智能化、自动化水平。信息是智慧畜禽业发展必不可少的资源，4G为畜禽业信息获取提供了重要的技术支撑，是推动畜禽业转型升级必须具备的技术条件之一。4.75G5G是第五代移动通信技术，在频谱利用、网络覆盖、数据传输、用户体验等方面优于4G，其频谱效率高于LTE3倍以上，每平方公里的设备连接数量可达到100万，峰值速率可以达到10～20Gbit/s，网络通信时延低至1ms，用户体验速率达到100Mbit/s。5G与物联网结合应用将会对社会生产生活产生巨大影响。在畜禽物联网方面，5G可以发展以下应用：（1）提升信息传输效率。5G网络可显著缩短畜禽业信息传输时间，提高传输稳定性，为生产决策提供高效支持。（2）促进设备智能化。5G网络支持畜禽生产设备智能化，如农业机器人的自动作业，提高操作速度和精确度，有助于农业自动化。（3）推动销售模式转型。5G提高市场信息传播速度，促进销售模式转型，推动电子商务等畜产品销售方式的发展。（4）助力产品溯源。5G技术可实现畜产品双向追溯，提高溯源效率，为消费者提供产品生产情况，加强质量监管。（5）延长产业链。5G技术支持观光畜禽业发展，优化管理方式，提供创新旅游体验活动，促进畜禽业旅游经济发展。4.84GCat.1Cat.1的全称是LTEUE-Category1，其中UE指用户终端（UserEquipment），Category指的是分类、类别，Cat.1是用户终端所支持的传输速率的等级之一。终端速率等级划分如表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终端速率等级划分4.84GCat.1蜂窝移动物联网应用场景对网络容量的需求具有多样化的特点，大致可以划分为低、中、高三种类型，占比约为6:3:1。其中占比60%的低速率场景涉及路灯、智能停车、环境管理、市政设施等方面，一般由NB-IoT、LoRa进行数据传输；占比30%的中速率场景包含智慧农业、工业传感器、智能家居、共享支付、物流管理等业务，通常由Cat.1、Cat.4进行连接；占比10%的高速率场景，如视频监控、远程医疗、自动驾驶等则使用5G连接。畜禽物联网属于智慧农业范畴，多为中速率连接场景，相比于传输速率，对成本和网络稳定性的要求更高。Cat.1的最大下行、上行速率分别可以达到10