第4章 智慧水产信息传输

智慧水产信息传输第4章4.1无线传感网络4.2LoRa

4.3NB-IoT4.4Wi-Fi4.54G和4GCat.14.65G4.1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）。4.1无线传感网络2.无线传感网络的特点（1）规模大。监测水产养殖业生产信息通常会使用较多传感器，在减少监测盲区的同时提高数据采集的准确性。（2）自组织。无线传感网络节点可以随意放置在监测区域内，各节点自行组网进行数据传输；当有传感器节点出现故障时，未发生故障的一些节点会自行接替完成监测任务。（3）易扩展。当某些传感器节点发生故障时，可以接入新的节点对其进行替换，在原有网络基础上也可以增加新节点，新旧节点重新组网，不会影响监测系统的正常运行。（4）可靠性强。通过无线传感网络可以获取人工无法前往采集的数据，传感器节点对环境的适应性强，不会被轻易破坏，能够实现稳定监测。（5）不同类型的传感器功能各异，每一种传感器能够采集的数据类型有限，所以在组建无线传感器网络时，要以实际应用场景为依据加入具备相应功能的传感器，以达到使用目的。4.2LoRaLoRa（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。4.3NB-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具备部署方式灵活、覆盖能力强、功耗低、海量连接、低成本五大优势。在水产养殖领域，NB-IoT常被用来构建智能化水产养殖监测系统，通过传输、汇聚传感器采集的信息对养殖环境、水产生物状况进行实时监测，实现养殖管理自动化和水产生物异常及时发现。在水产品运输管理方面，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，作为水产品溯源的其中一个重要环节。4.4Wi-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，DSM）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。4.54G和4GCat.11.4G4G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。在水产养殖业，4G是关键的信息传输工具。通过4G网络，水产养殖智能终端如传感器、摄像头、大型设备等与云平台无线连接，实现信息采集、处理、分析和展示；4G高带宽使得数据传输更快速、稳定，提高信息共享效率；结合人工智能，实现对水产生产状态的自主判断和管理操作的自动调控，推动水产养殖业智能化、自动化发展。4G为水产养殖业提供了重要的技术支撑，是促使行业转型升级的关键条件之一。2.4GCat.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蜂窝移动物联网应用场景对网络容量需求多样，主要分为低、中、高三种类型，占比约为6:3:1。其中，低速率场景占比60%，包括路灯、智能停车、环境管理等，通常使用NB-IoT、LoRa进行数据传输；中速率场景占比30%，涉及智慧农业、工业传感器、智能家居等，使用Cat.1、Cat.4进行连接；高速率场景占比10%，如视频监控、远程医疗、自动驾驶，采用5G连接。智慧水产属于智慧农业，主要采用中速率连接，对成本和网络稳定性要求更高。Cat.1提供最大下行、上行速率分别为10Mbps、5Mbps，满足智慧水产的数据传输需求且不浪费带宽。Cat.1可通过简单参数设置接入LTE网络，具备较高的系统集成度和成本优势，适用于智慧水产领域，比Cat.4成本更低，降低了30%～40%。随着蜂窝移动物联网的升级，连接将由NB-IoT、4G（含LTE-Cat.1）、5G共同承担。Cat.1已有完善的网络设施基础，目前尚无替代技术，因此在智慧水产领域，Cat.1有广阔的应用前景。4.65G5G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10