畜禽物聯(lián)網(wǎng)理論、技術(shù)及應(yīng)用 課件 第3、4章 畜禽物聯(lián)網(wǎng)信息感知、畜禽物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸

畜禽物聯(lián)網(wǎng)信息感知第3章3.1傳感器技術(shù)3.1.1傳感器技術(shù)概述 3.1.2傳感器產(chǎn)業(yè) 3.1.3傳感器在畜禽業(yè)中的應(yīng)用及其發(fā)展要求

3.2射頻識(shí)別技術(shù)3.2.1射頻識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用 3.2.2RFID設(shè)備

3.3光譜技術(shù) 3.4二維碼技術(shù) 3.5北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 3.6無(wú)線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控 3.7遙感技術(shù)（RS）3.1傳感器技術(shù)3.1.1傳感器技術(shù)概述在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，傳感器技術(shù)是感知外部信息的關(guān)鍵手段，是物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸、處理和應(yīng)用的前提。傳感器技術(shù)的水平影響整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能，一定程度上也可以衡量物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平。畜禽物聯(lián)網(wǎng)完整信息鏈的構(gòu)成同樣離不開(kāi)傳感器技術(shù)，畜禽物聯(lián)網(wǎng)要求檢測(cè)和控制的自動(dòng)化、智能化，信息獲取和轉(zhuǎn)換是其中的重要環(huán)節(jié)，如果沒(méi)有傳感器技術(shù)采集、轉(zhuǎn)換被測(cè)對(duì)象的參數(shù)信息，畜禽物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)則不能正常運(yùn)行。1.傳感器傳感器是檢測(cè)信息的裝置，負(fù)責(zé)把信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以便進(jìn)行處理和分析。傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含了敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路，三者分別進(jìn)行物體信息獲取、電信號(hào)轉(zhuǎn)換和電信號(hào)調(diào)制，最終輸出可供后續(xù)環(huán)節(jié)應(yīng)用的電信號(hào)。另外，轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路正常工作需要獲得一定的電量供給，這通常由輔助電源完成。傳感器的組成如圖3-1所示。圖3-1傳感器的組成3.1傳感器技術(shù)目前，傳感器相關(guān)技術(shù)已相對(duì)成熟，已被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境探測(cè)、商品質(zhì)檢、醫(yī)學(xué)診斷、交通管理、航天探索等諸多領(lǐng)域。傳感器基本可以滿足響應(yīng)速度、測(cè)量精度、靈敏度方面的要求，能夠在高溫、高壓等特殊環(huán)境下進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)并記錄數(shù)據(jù)變化，還能檢測(cè)到超聲波、紅外線等人體感官無(wú)法感知的信息，大大彌補(bǔ)了人工檢測(cè)的不足。眾多傳感器自組織形成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，憑借組建方式自由、設(shè)置靈活、無(wú)需布線等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于信息采集和傳輸。2.傳感器分類傳感器種類豐富，分類方式多樣，其中較常用的分類方式如表3-1所示。傳感器分類方式傳感器名稱按用途分力敏傳感器、氣敏傳感器、生物傳感器等按工作原理分電阻式傳感器、電壓式傳感器、光電式傳感器等按輸出信號(hào)分模擬傳感器、數(shù)字傳感器、開(kāi)關(guān)傳感器按制造工藝分集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器表3-1傳感器分類3.1傳感器技術(shù)3.傳感器選擇傳感器的性能是由精度誤差、穩(wěn)定性、可靠性、參數(shù)一致性、量程范圍等共同決定的，同時(shí)，環(huán)境檢測(cè)對(duì)傳感器的性能要求較高，不同環(huán)境根據(jù)無(wú)線信道模型可以分為城市密集區(qū)、城市稀疏區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村和平原等，不同區(qū)域?qū)鞲衅鞯臋z測(cè)性能也有不同程度的影響。其次，所檢測(cè)環(huán)境的溫度變化、濕度變化、雷雨降水、空氣鹽霧腐蝕、雷擊靜電及周圍其他干擾因素也會(huì)影響傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果。此外，傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果還與數(shù)據(jù)處理電路和傳輸電路有關(guān)，如果電路沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)誤差校準(zhǔn)處理，同樣會(huì)使得傳感器檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)很大偏差。當(dāng)傳感器受到各種外界因素影響產(chǎn)生隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差和壞值時(shí)，需要通過(guò)模擬濾波、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)擬合、數(shù)據(jù)建模等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和校正，否則傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果將因出現(xiàn)較大偏差而無(wú)法使用。事實(shí)上，如果不經(jīng)過(guò)嚴(yán)格專業(yè)技術(shù)處理，價(jià)值上萬(wàn)元的傳感器和幾百元的傳感器性能相差無(wú)幾，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)性能受到外界因素的影響，檢測(cè)數(shù)據(jù)不可靠，缺少實(shí)用價(jià)值。而目前我國(guó)市場(chǎng)上的傳感器大部分存在這類問(wèn)題，很多屬于三無(wú)器件：沒(méi)有計(jì)量校準(zhǔn)測(cè)試，沒(méi)有第三方性能測(cè)試報(bào)告，沒(méi)有認(rèn)證報(bào)告和數(shù)據(jù)，因此此類傳感器無(wú)法滿足應(yīng)用要求。3.1傳感器技術(shù)3.1.2傳感器產(chǎn)業(yè)1.傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)傳感器的需求龐大，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)數(shù)百億元，但國(guó)產(chǎn)傳感器在靈敏度、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性等方面普遍存在問(wèn)題，導(dǎo)致其在市場(chǎng)上無(wú)法滿足需求。主要原因包括國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的傳感器可靠性、穩(wěn)定性與國(guó)外產(chǎn)品存在較大差距，生產(chǎn)企業(yè)缺乏電子產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)積累，測(cè)試手段相對(duì)滯后；在校準(zhǔn)和誤差處理方面技術(shù)水平相對(duì)較低，缺乏數(shù)字濾波、數(shù)字?jǐn)M合等先進(jìn)技術(shù)；使用的材料和工藝相對(duì)滯后，未采用發(fā)達(dá)國(guó)家的MEMS技術(shù)和納米技術(shù)；在通信技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)研究相對(duì)滯后，發(fā)達(dá)國(guó)家的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有明顯優(yōu)勢(shì)。這些問(wèn)題直接影響了國(guó)產(chǎn)傳感器的性能，使其無(wú)法在特定環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。為推動(dòng)國(guó)產(chǎn)傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要加強(qiáng)對(duì)電子產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的研發(fā)，引入先進(jìn)的校準(zhǔn)和誤差處理技術(shù)，提升材料和工藝水平，加快通信技術(shù)的研究進(jìn)展。只有通過(guò)這些改進(jìn)，國(guó)產(chǎn)傳感器才能在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力，滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的傳感器需求。3.1傳感器技術(shù)2.傳感器產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題及解決策略目前傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問(wèn)題包括：（1）科技成果轉(zhuǎn)化率較低，產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱。農(nóng)業(yè)傳感器市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻高，但技術(shù)水平和開(kāi)發(fā)程度相對(duì)滯后，企業(yè)在資源配置上存在不足，難以支持長(zhǎng)周期、高失敗率的研發(fā)，導(dǎo)致科技成果難以成功轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。（2）對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴程度高。傳感器企業(yè)研發(fā)能力不足，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)進(jìn)口芯片的依賴較高，技術(shù)方面多有模仿和引進(jìn)，農(nóng)業(yè)級(jí)傳感器尤為突出。國(guó)內(nèi)傳感器整體技術(shù)水平、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性等需要提升。（3）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。國(guó)內(nèi)傳感器市場(chǎng)需求大，但國(guó)產(chǎn)傳感器只能滿足一小部分需求，企業(yè)數(shù)量眾多，但專業(yè)化企業(yè)不足，缺乏龍頭企業(yè)和國(guó)際品牌。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域常使用的傳感器產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。（4）成本優(yōu)勢(shì)不明顯。國(guó)內(nèi)傳感器生產(chǎn)成本高，大多數(shù)產(chǎn)品較為低端，提升技術(shù)水平需要大量資金投入。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的劣勢(shì)導(dǎo)致收益少，甚至出現(xiàn)虧損，生產(chǎn)成本供給不足，很多廠家沒(méi)有實(shí)現(xiàn)傳感器的機(jī)械化裝配，產(chǎn)出效率低，規(guī)模效益難以達(dá)到。為改變傳感器產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后的局面，需要加大對(duì)傳感器技術(shù)的研發(fā)力度，培養(yǎng)和聚集人才，進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。另外，政策引導(dǎo)、資金扶持等是促進(jìn)傳感器研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力不可缺少的因素。傳感器行業(yè)發(fā)展整體戰(zhàn)略規(guī)劃和傳感器技術(shù)規(guī)范也應(yīng)得到進(jìn)一步明確。3.1傳感器技術(shù)3.1.3傳感器在畜禽業(yè)中的應(yīng)用及其發(fā)展要求畜禽業(yè)所使用的傳感器多用于檢測(cè)畜禽生命信息和畜禽環(huán)境信息，常用的有生物傳感器、光電傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、氣敏傳感器等。傳感器所獲取的信息用來(lái)輔助判斷畜禽的健康狀況和生長(zhǎng)情況、評(píng)估畜禽生長(zhǎng)環(huán)境，以便滿足畜禽生長(zhǎng)需求，提升畜禽管理質(zhì)量。隨著傳感器核心技術(shù)的突破和傳感器行業(yè)的發(fā)展，再加上大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等的應(yīng)用推廣，傳感器將更加廣泛地應(yīng)用于育種、繁育、飼養(yǎng)、免疫、出欄等畜禽業(yè)生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，為此，傳感器需要從以下四方面進(jìn)行性能優(yōu)化，以適應(yīng)畜禽業(yè)生產(chǎn)管理的要求。3.1傳感器技術(shù)（1）提升檢測(cè)性能。通過(guò)提高導(dǎo)體、芯片等的制造水平，增強(qiáng)傳感器的性能，確保信息檢測(cè)連續(xù)、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確。利用差動(dòng)技術(shù)、補(bǔ)償與修正技術(shù)、干擾抑制技術(shù)等提高傳感器靈敏度，降低外界環(huán)境影響，減小誤差。對(duì)傳感器進(jìn)行時(shí)效處理和老化處理，以提高穩(wěn)定性。采用精制的半導(dǎo)體敏感材料、磁性材料，以及薄膜工藝、光刻工藝等加工工藝，改善傳感器性能。（2）智能化。研發(fā)集信息檢測(cè)與轉(zhuǎn)換、邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)分析、自診斷等功能于一體的傳感器芯片，提高傳感器的智能程度。傳感器行業(yè)應(yīng)提升核心技術(shù)自主研發(fā)能力，爭(zhēng)取人才、資金和政策支持，以滿足畜禽物聯(lián)網(wǎng)對(duì)智能傳感器的需求。（3）多功能化。實(shí)現(xiàn)傳感器多功能化，即能同時(shí)檢測(cè)多個(gè)參數(shù)，有助于降低成本、減小體積、提高性能指標(biāo)。通過(guò)開(kāi)發(fā)電介質(zhì)、強(qiáng)磁體等材料，研究納米技術(shù)等新材料制備技術(shù)，以及精密集成技術(shù)，滿足傳感元件集成的需求。（4）微型化。為了檢測(cè)畜禽生命信息，需要傳感器具備感應(yīng)靈敏、攜帶方便、對(duì)被測(cè)畜禽干擾小等特點(diǎn)，即傳感器的微型化。通過(guò)開(kāi)發(fā)納米相等新材料，采用硅體微加工、晶片鍵合、LIGA、MEMS等技術(shù)，生產(chǎn)體積小而性能優(yōu)異的微型傳感器產(chǎn)品。3.2射頻識(shí)別技術(shù)3.2.1射頻識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用使用射頻識(shí)別技術(shù)能夠在不與物體接觸的情況下識(shí)別物體，并以電磁耦合（Electromagneticcoupling）的方式獲取目標(biāo)對(duì)象的信息。1.RFID的特征（1）操作便捷。RFID讀寫器和標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到幾十米；RFID閱讀器還能同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體，識(shí)別效率高；信息在讀寫器與標(biāo)簽之間傳遞耗時(shí)短，效率高。（2）標(biāo)簽容量大。RFID標(biāo)簽存儲(chǔ)信息量的最高限值為幾兆字節(jié)，其容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于條碼載體。（3）安全性高。可以用循環(huán)冗余檢查等方式檢驗(yàn)RFID標(biāo)簽傳遞的信息是否發(fā)生了變化，也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，防止內(nèi)容被篡改。（4）受環(huán)境影響小。RFID能夠穿過(guò)紙張、木材等非金屬覆蓋物進(jìn)行穿透性通信，且在無(wú)光環(huán)境中也可以讀取數(shù)據(jù)，沒(méi)有可見(jiàn)性要求；RFID標(biāo)簽對(duì)高溫等環(huán)境條件的適應(yīng)性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。（5）復(fù)用率高。RFID標(biāo)簽允許進(jìn)行數(shù)據(jù)修改，所以標(biāo)簽可以多次使用。3.2射頻識(shí)別技術(shù)2.RFID系統(tǒng)組成及其工作原理（1）系統(tǒng)組成。系統(tǒng)包括射頻識(shí)別標(biāo)簽、射頻讀寫器和信息系統(tǒng)。每個(gè)射頻識(shí)別標(biāo)簽都攜帶有EPC編碼，內(nèi)部包含天線和芯片用于存儲(chǔ)物體信息。射頻讀寫器具有控制器和天線，用于讀取或?qū)懭胄畔?，其工作距離由發(fā)射功率決定。信息系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送應(yīng)用指令給射頻讀寫器，并接收、分析、管理讀寫器發(fā)送的數(shù)據(jù)。（2）工作原理。RFID系統(tǒng)的工作原理如圖3-2所示。射頻識(shí)別標(biāo)簽受射頻讀寫器發(fā)送的射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)內(nèi)部天線發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，由射頻讀寫器進(jìn)行接收、解碼并校驗(yàn)，接著發(fā)送至信息系統(tǒng)進(jìn)行處理。圖3-2RFID系統(tǒng)工作原理3.2射頻識(shí)別技術(shù)3.RFID在畜禽業(yè)中的應(yīng)用憑借操作便捷、信息存儲(chǔ)量大、一簽多用等特點(diǎn)，RFID技術(shù)被應(yīng)用于畜禽業(yè)領(lǐng)域，對(duì)提高畜禽業(yè)的規(guī)范化、智能化水平發(fā)揮了重要作用，其應(yīng)用主要包括：（1）畜禽養(yǎng)殖管理。在生豬養(yǎng)殖中，每頭豬佩戴獨(dú)特的RFID電子耳標(biāo)，標(biāo)記關(guān)鍵信息如來(lái)源、品種、進(jìn)場(chǎng)日期。養(yǎng)殖過(guò)程中，耳標(biāo)記錄養(yǎng)殖環(huán)境、飼喂、疾病、免疫等信息，建立完整生豬檔案，實(shí)現(xiàn)與養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的信息關(guān)聯(lián)。（2）屠宰加工管理。屠宰前通過(guò)RFID電子耳標(biāo)內(nèi)的信息判斷生豬是否符合標(biāo)準(zhǔn)，將問(wèn)題生豬信息報(bào)送檢疫單位。在屠宰生產(chǎn)線上，將耳標(biāo)信息寫入新的RFID標(biāo)簽（屠體標(biāo)簽），加入屠宰場(chǎng)編號(hào)、批次、時(shí)間、檢驗(yàn)檢疫等信息，實(shí)現(xiàn)與屠宰加工管理系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。（3）倉(cāng)儲(chǔ)物流管理。利用RFID裝置采集畜產(chǎn)品流通信息，包括物流公司、運(yùn)輸車輛、運(yùn)輸人員、運(yùn)輸時(shí)間、儲(chǔ)藏環(huán)境、出發(fā)地、目的地等。結(jié)合養(yǎng)殖屠宰環(huán)節(jié)信息，生成產(chǎn)品追溯碼，供認(rèn)證產(chǎn)品質(zhì)量使用。同時(shí)，結(jié)合GPS定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品運(yùn)輸過(guò)程。在RFID技術(shù)應(yīng)用中，為擴(kuò)大其范圍，需注重功能增強(qiáng)、成本降低、數(shù)據(jù)處理效率提高?？赏ㄟ^(guò)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）結(jié)合，形成傳感器射頻識(shí)別網(wǎng)絡(luò)，以增強(qiáng)信息采集能力；通過(guò)優(yōu)化標(biāo)簽制造技術(shù)，生產(chǎn)新型標(biāo)簽以降低成本；同時(shí)，結(jié)合分布式計(jì)算方式，以滿足RFID數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求。3.2射頻識(shí)別技術(shù)3.2.2RFID設(shè)備XC-RF2903（V3.0）型便攜式讀寫器是云輝牧聯(lián)科技開(kāi)發(fā)的新型便攜式產(chǎn)品，具有快速處理、良好便攜性、適應(yīng)多場(chǎng)景、功能高度集成等優(yōu)勢(shì)。該讀寫器支持UHF-RFID、4G全網(wǎng)通網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)）、Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS等功能，可選配條碼模塊、攝像頭模塊。協(xié)議支持包括GB/T29768、EPCGlobalUHFClass1、Gen2/ISO18000-6C和ISO18000-6B。工作溫度范圍為-10℃～+60℃，系統(tǒng)內(nèi)存2GB，系統(tǒng)閃存16GB，待機(jī)時(shí)間約10天?？紤]發(fā)射功率、標(biāo)簽和環(huán)境等因素，讀標(biāo)簽距離為0～6m，寫標(biāo)簽距離范圍為0～4m，適用于各種需要標(biāo)簽識(shí)別的場(chǎng)合，是識(shí)別系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。圖3-3XC-RF2903（V3.0）便攜式讀寫器3.2射頻識(shí)別技術(shù)云輝牧聯(lián)的YH-TF-8612-IH電子耳標(biāo)（如圖3-4所示）采用一體化設(shè)計(jì)，由此杜絕佩戴過(guò)程可能出現(xiàn)的“虛戴”的情況，減少掉標(biāo)。采用無(wú)毒、無(wú)異味、無(wú)刺激、無(wú)污染、耐水解、耐高低溫和耐微生物性能的進(jìn)口TPU為封裝材料，從根本上提高了耳標(biāo)的物理機(jī)械性能，可以有效保護(hù)內(nèi)部芯片免受外部有機(jī)酸、水鹽液、礦物酸等的侵害。耳標(biāo)尺寸為50mm*43mm*1.6mm，重4.5g，采用注塑封裝工藝，結(jié)合力大于200N，設(shè)計(jì)壽命為1年，工作溫度為-40℃～+70℃，存儲(chǔ)溫度是-30℃～+50℃，符合EPCglobalC1Gen2與ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為860MHz～960MHz，讀取距離為0～1m（與配置情況有關(guān)），芯片參數(shù)為EPC96bit（允許耳標(biāo)號(hào)最長(zhǎng)24個(gè)數(shù)字）。該電子耳標(biāo)可以廣泛應(yīng)用于山羊、母羊、灘羊、母豬、山豬等大型動(dòng)物的管理領(lǐng)域，作為動(dòng)物專屬的“二代電子身份證”。圖3-4YH-TF-8612-IH電子耳標(biāo)3.2射頻識(shí)別技術(shù)與YH-TF-8612-IH電子耳標(biāo)相比，YH-TF-8613-IH電子耳標(biāo)（如圖3-5所示）的性能有了進(jìn)一步優(yōu)化。YH-TF-8613-IH電子耳標(biāo)以“又輕又小，一體化設(shè)計(jì)”“超高性價(jià)比”“超長(zhǎng)壽命片芯設(shè)計(jì)”“注塑焊接成型工藝”“原裝進(jìn)口TPU原料”為產(chǎn)品特色。耳標(biāo)尺寸為125mm*76mm*3.5mm，重2.9g，結(jié)合力大于250N，設(shè)計(jì)壽命為1年以上，工作溫度為-40℃～+70℃，存儲(chǔ)溫度是-30℃～+50℃，符合EPCglobalC1Gen2與ISO18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為860MHz～960MHz，讀取距離為0～7m（與配置情況有關(guān)），芯片參數(shù)為EPC96bit（允許耳標(biāo)號(hào)最長(zhǎng)24個(gè)數(shù)字）。該電子耳標(biāo)可以廣泛應(yīng)用于商品豬、商品羊等小型短生命周期動(dòng)物的信息化管理。圖3-5YH-TF-8613-IH電子耳標(biāo)3.2射頻識(shí)別技術(shù)AUTOIDUTouch（如圖3-6所示）是江蘇東大集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)有限公司研發(fā)的一款輕薄型工業(yè)級(jí)UHFRFID手持終端。該讀寫器具有優(yōu)異的多標(biāo)簽讀寫性能，RFID標(biāo)簽群讀速率>200張/秒，讀取距離可以達(dá)到15m。其支持2.4G/5G雙模WiFi，能滿足信道干擾嚴(yán)重、漫游能力要求高、須快速回連等條件下的傳輸需求；支持北斗、GLONASS、GPS三模高精度定位，可實(shí)現(xiàn)戶外作業(yè)軌跡實(shí)時(shí)記錄；全網(wǎng)通4G，能夠?yàn)閼敉鈭?chǎng)景應(yīng)用提供更高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。配置6400mAh可更換電池且內(nèi)置備份電池，續(xù)航時(shí)間能達(dá)到24小時(shí)，可應(yīng)用于電力巡檢、倉(cāng)儲(chǔ)管理、資產(chǎn)管理等場(chǎng)景。圖3-6AUTOIDUTouch3.3

光譜技術(shù)光譜技術(shù)（如拉曼、近紅外、高光譜成像）可用于快速、準(zhǔn)確地評(píng)估畜產(chǎn)品品質(zhì)，檢測(cè)包括pH值、TVB-N值、微生物成分、菌落總數(shù)、顏色、紋理、熒光代謝產(chǎn)物等指標(biāo)。此外，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于畜禽飼料成分和獸藥殘留檢測(cè)，相較于傳統(tǒng)方法，具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括檢測(cè)速度、操作便捷性、可檢測(cè)指標(biāo)數(shù)量、實(shí)時(shí)在線分析和成本。1.拉曼光譜技術(shù)拉曼光譜技術(shù)通過(guò)檢測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)成分，利用光譜特性分析物質(zhì)特征，區(qū)分不同物質(zhì)。隨著激光技術(shù)、儀器學(xué)、光譜學(xué)的深入研究，拉曼光譜技術(shù)不斷發(fā)展，包括表面增強(qiáng)拉曼、共振拉曼、共焦顯微拉曼、傅立葉變換拉曼等多種技術(shù)。在生物醫(yī)學(xué)、石油化工、物證鑒定、污染檢測(cè)、農(nóng)業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為各行業(yè)提供分子結(jié)構(gòu)信息。在畜禽業(yè)中，激光拉曼可檢測(cè)畜產(chǎn)品中的獸藥和違禁藥品殘留，傅立葉變換拉曼可研究蛋白質(zhì)變性和脂肪氧化，表面增強(qiáng)拉曼可檢測(cè)氨基酸和致病菌，具有廣闊應(yīng)用前景。拉曼光譜技術(shù)在畜禽業(yè)中的具體應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面。（1）檢測(cè)飼料營(yíng)養(yǎng)成分含量。拉曼光譜技術(shù)可用于檢測(cè)飼料營(yíng)養(yǎng)成分，包括大豆組分、果糖和葡萄糖。通過(guò)表面增強(qiáng)拉曼光譜，還能及時(shí)檢測(cè)飼料中的黃曲霉毒素，防止飼料污染和摻假問(wèn)題。（2）評(píng)價(jià)畜產(chǎn)品品質(zhì)。拉曼光譜技術(shù)可檢測(cè)肉品中的蛋白質(zhì)、脂肪等營(yíng)養(yǎng)成分，并判斷肉質(zhì)變化情況。同時(shí)，它還可用于檢測(cè)乳制品中的三聚氰胺濃度，提高產(chǎn)品質(zhì)量安全。（3）獸藥殘留檢測(cè)。曼光譜技術(shù)簡(jiǎn)單直接，誤差小，通過(guò)散射光譜獲取分子運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)而判斷畜產(chǎn)品中獸藥殘留是否超標(biāo)。還可應(yīng)用于檢測(cè)非食用化學(xué)物質(zhì)和食品添加劑等，具有廣泛的應(yīng)用前景。3.3

光譜技術(shù)拉曼光譜檢測(cè)具有效率高、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，畜牧業(yè)領(lǐng)域也已經(jīng)有了這方面的應(yīng)用，且具有極大的應(yīng)用發(fā)展空間。各種類型的拉曼光譜設(shè)備逐漸高精度化、小型化、便攜化，實(shí)際使用也更為便利，但就目前而言，拉曼光譜技術(shù)在檢測(cè)穩(wěn)定性等方面的性能仍有待優(yōu)化，主要還存在以下幾個(gè)問(wèn)題。（1）建立拉曼光譜模型需要大量數(shù)據(jù)的檢測(cè)和分析支持，這一過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。在使用拉曼光譜技術(shù)檢測(cè)畜產(chǎn)品時(shí)，必須采用光譜曲線擬合、濾波去噪等方法對(duì)雜散光進(jìn)行抑制，以避免干擾降低準(zhǔn)確性。深入研究光譜信號(hào)提取技術(shù)，能夠在發(fā)現(xiàn)微弱信號(hào)時(shí)進(jìn)行恰當(dāng)處理，進(jìn)一步推動(dòng)拉曼光譜痕量成分檢測(cè)應(yīng)用的發(fā)展。（2）光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)在影響拉曼光譜散射強(qiáng)度方面至關(guān)重要。為確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，需要設(shè)置合理的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，并進(jìn)行系統(tǒng)模型優(yōu)化。（3）隨著拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)在畜牧業(yè)應(yīng)用中的不斷增加，標(biāo)準(zhǔn)光譜圖的稀缺問(wèn)題日益凸顯。為解決這一問(wèn)題，需要不斷補(bǔ)充、更新拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，確保能找到相應(yīng)的光譜圖進(jìn)行比對(duì)。（4）豐富拉曼光譜檢測(cè)方式和指標(biāo)，并對(duì)其檢測(cè)穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)不同的檢測(cè)環(huán)境，進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍。（5）國(guó)內(nèi)在畜牧業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用拉曼光譜技術(shù)仍處于起步階段。實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用較少，許多院校和研究所仍在進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。為推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用推廣，需結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)實(shí)用性強(qiáng)、成本低廉的拉曼光譜設(shè)備，并將其投入實(shí)際應(yīng)用。3.3

光譜技術(shù)2.近紅外光譜技術(shù)近紅外光譜（Near-infraredSpectroscopy，NIRS）是波長(zhǎng)范圍在可見(jiàn)光和中紅外光之間的電磁波，譜區(qū)范圍為780～2526nm。通過(guò)近紅外光譜分析可以測(cè)定畜產(chǎn)品中蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物及獸藥殘留的含氫基團(tuán)（O-H、N-H、C-H）含量，進(jìn)而分析得到品質(zhì)信息。近紅外光譜技術(shù)結(jié)合人工智能算法能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)快速、非破壞性、較低成本的畜產(chǎn)品品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)，為了保證近紅外光譜檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需要選取大規(guī)模的樣本數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行有效訓(xùn)練，這一過(guò)程相對(duì)繁瑣，受此影響近紅外光譜檢測(cè)的精度有所欠缺，需要進(jìn)一步提升。3.高光譜成像技術(shù)高光譜成像技術(shù)（HyperspectralImage,HI）集光譜技術(shù)和二維成像技術(shù)于一體，以提取、分析物體的光譜和圖像信息達(dá)到物體無(wú)損檢測(cè)的目的。使用高光譜成像技術(shù)檢測(cè)畜產(chǎn)品品質(zhì)的檢測(cè)精度較高，但現(xiàn)階段高光譜成像檢測(cè)通常選用大量的波段特征或者結(jié)合應(yīng)用圖像處理技術(shù)，建模復(fù)雜且檢測(cè)信息較多，在檢測(cè)速度方面有所不足，難以滿足在線檢測(cè)需求。3.4

二維碼技術(shù)二維碼技術(shù)是對(duì)文字、圖像等信息進(jìn)行數(shù)字化編碼和自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)。二維碼（2-dimensionalbarcode）由黑白兩色的幾何圖形按特定規(guī)律排列而成，在水平、垂直方向都可以表達(dá)信息。二維碼的發(fā)展演變基于一維碼，在信息存儲(chǔ)量、編碼范圍、容錯(cuò)能力、安全性、抗損性、譯碼可靠性等方面均有所提升，應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛，常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景包括移動(dòng)支付、電子證照、網(wǎng)頁(yè)導(dǎo)航、文件保密、公共交通、產(chǎn)品溯源等。利用圖像輸入設(shè)備、光電識(shí)別設(shè)備即可識(shí)讀存儲(chǔ)在二維條碼內(nèi)的信息。二維碼分為堆疊式（如PDF417、Code16K、Code49等）和矩陣式（如QRCode、MaxiCode、漢信碼等）兩種類型。堆疊式二維碼是由成行排布的一維碼堆疊而成，與一維碼有相似的編碼原理，差異主要在于譯碼算法和軟件。矩陣式二維碼由“點(diǎn)”和“空”在矩形空間內(nèi)排列組合，其中“點(diǎn)”代表二進(jìn)制“1”，“空”代表二進(jìn)制“0”。1.二維碼應(yīng)用系統(tǒng)二維碼應(yīng)用系統(tǒng)使用二維碼存儲(chǔ)和表達(dá)信息，其組成如圖3-3所示。系統(tǒng)功能效果受二維碼設(shè)計(jì)、二維碼質(zhì)量、識(shí)讀設(shè)備選擇等因素的影響。圖3-5二維碼應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成3.4

二維碼技術(shù)二維碼生成設(shè)備生成二維碼標(biāo)簽，二維碼標(biāo)簽承載信息，二維碼識(shí)讀設(shè)備進(jìn)行掃碼、譯碼，并將信息傳輸至信息處理系統(tǒng)，信息處理系統(tǒng)分析、管理所接收的信息。2.二維碼技術(shù)在畜禽業(yè)中的應(yīng)用在畜禽業(yè)領(lǐng)域，二維碼主要作為一種信息載體和信息傳輸接口，用于畜產(chǎn)品溯源，以保障畜產(chǎn)品質(zhì)量安全，提高數(shù)據(jù)查詢和共享效率。在畜產(chǎn)品生產(chǎn)、流通過(guò)程中，各環(huán)節(jié)依次將產(chǎn)品生產(chǎn)及流通相關(guān)信息存儲(chǔ)至二維碼中，生成二維碼標(biāo)簽，隨產(chǎn)品流向市場(chǎng)。當(dāng)產(chǎn)品最終到達(dá)消費(fèi)者手中時(shí)，消費(fèi)者通過(guò)條碼識(shí)讀器掃描二維碼，即可查看畜產(chǎn)品的原始生產(chǎn)流通信息。此外，也可以集合二維碼存儲(chǔ)的信息建立產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，消費(fèi)者登錄系統(tǒng)即可查看產(chǎn)品信息。3.5北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）由中國(guó)自主研發(fā)，與GPS、GLONASS同屬于成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在升級(jí)的過(guò)程中，其服務(wù)區(qū)域也在逐步拓展，2020年北斗三號(hào)系統(tǒng)投入應(yīng)用，正式開(kāi)始在全球范圍內(nèi)提供服務(wù)。1.北斗系統(tǒng)的組成北斗系統(tǒng)的組成部分如表3-2所示。組成部分說(shuō)明空間段包含若干顆GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星，這些衛(wèi)星共同提供定位授時(shí)導(dǎo)航服務(wù)。其中GEO衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、可見(jiàn)性高、抗遮蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)；IGSO衛(wèi)星在低緯度地區(qū)的抗遮擋能力尤其突出，總是覆蓋地球上某一個(gè)區(qū)域；MEO衛(wèi)星環(huán)繞全球運(yùn)行，北斗系統(tǒng)由此實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)。地面段包含主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等地面站，還包含星間鏈路管理設(shè)施。用戶段包括北斗兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。表3-2北斗系統(tǒng)的組成3.5北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗系統(tǒng)以“三球交匯”定位原理，衛(wèi)星位置精確。在GPS觀測(cè)中，通過(guò)測(cè)量3顆衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，使用距離公式解出觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)?？紤]衛(wèi)星和接收機(jī)時(shí)鐘誤差，再利用一顆衛(wèi)星得到4個(gè)方程，確保準(zhǔn)確計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)的三維位置。

2.北斗系統(tǒng)的功能北斗系統(tǒng)具備全球范圍內(nèi)的定位、測(cè)速和授時(shí)功能。其定位精度優(yōu)于10m，測(cè)速精度優(yōu)于0.2m/s，授時(shí)精度優(yōu)于20ns。此外，北斗系統(tǒng)還提供短報(bào)文通信、國(guó)際搜救、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、地基增強(qiáng)等服務(wù)。短報(bào)文通信是北斗系統(tǒng)獨(dú)有的功能，通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)傳輸信息，即使通訊和供電條件受到破壞，也能滿足通信和定位需求。3.北斗系統(tǒng)在畜禽業(yè)中的應(yīng)用北斗系統(tǒng)自投入應(yīng)用，至今已進(jìn)入農(nóng)林牧漁、氣象測(cè)報(bào)、交通運(yùn)輸、智能制造、救災(zāi)減災(zāi)等眾多領(lǐng)域，對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的影響顯著。就畜禽業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，北斗系統(tǒng)的應(yīng)用主要有：（1）畜禽定位：使用北斗定位項(xiàng)圈給畜禽佩戴，采集其地理坐標(biāo)并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)觀測(cè)畜禽位置、軌跡和活動(dòng)分布，加強(qiáng)對(duì)移動(dòng)畜禽的管理。短報(bào)文通信服務(wù)確保即使缺少通訊系統(tǒng)，項(xiàng)圈的定位功能也能正常運(yùn)作。（2）畜禽環(huán)境監(jiān)測(cè)：北斗系統(tǒng)結(jié)合遙感和地理信息系統(tǒng)，采集草地資源、水資源等畜禽資源信息，為放牧安排和資源規(guī)劃提供參考，促進(jìn)畜禽業(yè)可持續(xù)發(fā)展。北斗和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新監(jiān)測(cè)模式，及時(shí)獲取畜禽環(huán)境指標(biāo)信息，提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，便于處理環(huán)境問(wèn)題。（3）災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)：北斗系統(tǒng)結(jié)合氣象預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警業(yè)務(wù)，幫助畜禽業(yè)管理部門做好氣象災(zāi)害防范措施，減少損失。在災(zāi)害發(fā)生后，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)災(zāi)害情況，為災(zāi)后治理提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確信息。3.6無(wú)線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控?zé)o線視頻監(jiān)控將監(jiān)控技術(shù)與無(wú)線傳輸技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)傳輸圖片、視頻、聲音、數(shù)據(jù)等信息，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布線繁瑣的問(wèn)題，具有技術(shù)先進(jìn)、高效靈活、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)將主要朝著無(wú)線化方向發(fā)展。1.無(wú)線視頻監(jiān)控的特點(diǎn)（1）成本低。采取無(wú)線監(jiān)控方式，所以不用鋪設(shè)電纜，材料成本和施工成本都有所減少；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故障率不高，另外對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)由網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商負(fù)責(zé)，因此系統(tǒng)維護(hù)成本也低。（2）實(shí)用性強(qiáng)。無(wú)線視頻監(jiān)控不受實(shí)際地形、周邊環(huán)境影響，減少了監(jiān)控盲區(qū)，擴(kuò)大了監(jiān)控范圍，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。（3）擴(kuò)展、移動(dòng)方便。增加監(jiān)控點(diǎn)只需要增加前端信息采集設(shè)備，無(wú)需新建傳輸網(wǎng)絡(luò)；改變監(jiān)控點(diǎn)只需要移動(dòng)前端信息采集設(shè)備；用戶可以通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備獲取監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)異地全天候監(jiān)控。（4）網(wǎng)絡(luò)信號(hào)易受影響。無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，但是也存在一定的局限性。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)容易受惡劣天氣、建筑物屏蔽等的影響，或者受到外部無(wú)線信號(hào)干擾，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低。2.無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括信息采集系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)。基礎(chǔ)設(shè)備是攝像頭，其信息采集過(guò)程包含攝像、信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)利用Wi-Fi、4G、5G或微波等通信技術(shù)，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)形成全面網(wǎng)絡(luò)覆蓋，傳輸監(jiān)控信息。信息管理系統(tǒng)接收、存儲(chǔ)、處理、反饋來(lái)自各采集點(diǎn)的視頻和圖像信息，并通過(guò)中心服務(wù)器向信息采集系統(tǒng)發(fā)送控制指令。3.無(wú)線遠(yuǎn)程多節(jié)點(diǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)(PMP+WLAN)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在畜禽業(yè)領(lǐng)域有兩種主要監(jiān)控模式，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和Wi-FiP2P傳輸圖像。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式鋪設(shè)電纜成本高、維護(hù)難，Wi-FiP2P模式需要大量光纖電纜，限制了農(nóng)業(yè)圖像、視頻數(shù)據(jù)的采集。為解決這問(wèn)題，無(wú)線遠(yuǎn)程多節(jié)點(diǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用MeshWLAN組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線通信，突破有線網(wǎng)絡(luò)障礙，構(gòu)建靈活、高效的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字視頻監(jiān)控設(shè)備將圖像信息轉(zhuǎn)換成IP基礎(chǔ)上的視頻流，實(shí)現(xiàn)全球通信，管理者能夠在任何地方進(jìn)行監(jiān)控操作。系統(tǒng)使用支持WLAN的IP攝像機(jī)，采集、處理模擬視頻圖像，直接提供IP網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)Wi-Fi連接或WLAN無(wú)線網(wǎng)橋轉(zhuǎn)換信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。MeshWLAN自組網(wǎng)方式優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省AC控制器，避免重復(fù)布線，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行更有效。系統(tǒng)具有靈活性、降低成本、全球通信、自組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、詳細(xì)的監(jiān)控信息記錄。3.6無(wú)線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控3.7遙感技術(shù)（RS）

遙感技術(shù)（RemoteSensing,RS）是一種物體探測(cè)技術(shù)，它通過(guò)衛(wèi)星、飛機(jī)等遙感平臺(tái)和儀器遠(yuǎn)距離采集目標(biāo)對(duì)象的電磁波信息，經(jīng)過(guò)信息處理分析，反映出目標(biāo)特征，具有大范圍同步觀測(cè)、受環(huán)境限制少、時(shí)效性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)。畜禽業(yè)生產(chǎn)管理常使用遙感技術(shù)進(jìn)行資源監(jiān)測(cè)，通過(guò)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)草地等畜禽業(yè)資源的數(shù)量和質(zhì)量分異規(guī)律，精細(xì)劃分植被與土壤，可以判斷放牧是否合理，為畜禽業(yè)資源規(guī)劃和畜禽生產(chǎn)整治提供科學(xué)依據(jù)。將同一區(qū)域不同時(shí)期的畜禽業(yè)資源遙感影像疊加對(duì)比，可以了解該區(qū)域的資源變化情況，檢測(cè)是否存在畜禽業(yè)資源過(guò)度利用的現(xiàn)象，以便及時(shí)采取治理措施。與常規(guī)地面勘測(cè)相比，畜禽業(yè)資源遙感監(jiān)測(cè)節(jié)約了大量人力與物力，經(jīng)濟(jì)效益顯著。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