畜禽物聯網信息感知第3章3.1傳感器技術3.1.1傳感器技術概述 3.1.2傳感器產業(yè) 3.1.3傳感器在畜禽業(yè)中的應用及其發(fā)展要求

3.2射頻識別技術3.2.1射頻識別技術及其應用 3.2.2RFID設備

3.3光譜技術 3.4二維碼技術 3.5北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) 3.6無線遠程視頻監(jiān)控 3.7遙感技術（RS）3.1傳感器技術3.1.1傳感器技術概述在物聯網領域，傳感器技術是感知外部信息的關鍵手段，是物聯網進行信息傳輸、處理和應用的前提。傳感器技術的水平影響整個物聯網系統(tǒng)的性能，一定程度上也可以衡量物聯網的發(fā)展水平。畜禽物聯網完整信息鏈的構成同樣離不開傳感器技術，畜禽物聯網要求檢測和控制的自動化、智能化，信息獲取和轉換是其中的重要環(huán)節(jié)，如果沒有傳感器技術采集、轉換被測對象的參數信息，畜禽物聯網系統(tǒng)則不能正常運行。1.傳感器傳感器是檢測信息的裝置，負責把信息轉換成電信號，以便進行處理和分析。傳感器的內部結構中包含了敏感元件、轉換元件及信號調節(jié)與轉換電路，三者分別進行物體信息獲取、電信號轉換和電信號調制，最終輸出可供后續(xù)環(huán)節(jié)應用的電信號。另外，轉換元件、信號調節(jié)與轉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傳感器技術目前，傳感器相關技術已相對成熟，已被應用于農業(yè)及工業(yè)生產、環(huán)境探測、商品質檢、醫(yī)學診斷、交通管理、航天探索等諸多領域。傳感器基本可以滿足響應速度、測量精度、靈敏度方面的要求，能夠在高溫、高壓等特殊環(huán)境下進行連續(xù)檢測并記錄數據變化，還能檢測到超聲波、紅外線等人體感官無法感知的信息，大大彌補了人工檢測的不足。眾多傳感器自組織形成的無線傳感網絡，憑借組建方式自由、設置靈活、無需布線等優(yōu)勢，被廣泛應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分模擬傳感器、數字傳感器、開關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、參數一致性、量程范圍等共同決定的，同時，環(huán)境檢測對傳感器的性能要求較高，不同環(huán)境根據無線信道模型可以分為城市密集區(qū)、城市稀疏區(qū)、郊區(qū)、農村和平原等，不同區(qū)域對傳感器的檢測性能也有不同程度的影響。其次，所檢測環(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影響傳感器的監(jiān)測結果。此外，傳感器檢測數據結果還與數據處理電路和傳輸電路有關，如果電路沒有經過專業(yè)電磁兼容（EMC）設計及數據誤差校準處理，同樣會使得傳感器檢測結果出現很大偏差。當傳感器受到各種外界因素影響產生隨機誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差和壞值時，需要通過模擬濾波、數字濾波、數據擬合、數據建模等方法進行數據處理和校正，否則傳感器數據結果將因出現較大偏差而無法使用。事實上，如果不經過嚴格專業(yè)技術處理，價值上萬元的傳感器和幾百元的傳感器性能相差無幾，因為監(jiān)測性能受到外界因素的影響，檢測數據不可靠，缺少實用價值。而目前我國市場上的傳感器大部分存在這類問題，很多屬于三無器件：沒有計量校準測試，沒有第三方性能測試報告，沒有認證報告和數據，因此此類傳感器無法滿足應用要求。3.1傳感器技術3.1.2傳感器產業(yè)1.傳感器產業(yè)現狀國內對傳感器的需求龐大，市場規(guī)模達數百億元，但國產傳感器在靈敏度、準確性和穩(wěn)定性等方面普遍存在問題，導致其在市場上無法滿足需求。主要原因包括國內生產的傳感器可靠性、穩(wěn)定性與國外產品存在較大差距，生產企業(yè)缺乏電子產品檢測標準和技術積累，測試手段相對滯后；在校準和誤差處理方面技術水平相對較低，缺乏數字濾波、數字擬合等先進技術；使用的材料和工藝相對滯后，未采用發(fā)達國家的MEMS技術和納米技術；在通信技術方面，國內研究相對滯后，發(fā)達國家的無線傳感器網絡具有明顯優(yōu)勢。這些問題直接影響了國產傳感器的性能，使其無法在特定環(huán)境下穩(wěn)定運行。為推動國產傳感器產業(yè)的發(fā)展，需要加強對電子產品檢測標準和技術的研發(fā)，引入先進的校準和誤差處理技術，提升材料和工藝水平，加快通信技術的研究進展。只有通過這些改進，國產傳感器才能在市場上更具競爭力，滿足我國日益增長的傳感器需求。3.1傳感器技術2.傳感器產業(yè)化問題及解決策略目前傳感器產業(yè)發(fā)展存在的主要問題包括：（1）科技成果轉化率較低，產業(yè)化基礎薄弱。農業(yè)傳感器市場準入門檻高，但技術水平和開發(fā)程度相對滯后，企業(yè)在資源配置上存在不足，難以支持長周期、高失敗率的研發(fā)，導致科技成果難以成功轉化為產業(yè)應用。（2）對國外技術的依賴程度高。傳感器企業(yè)研發(fā)能力不足，生產過程中對進口芯片的依賴較高，技術方面多有模仿和引進，農業(yè)級傳感器尤為突出。國內傳感器整體技術水平、準確性、穩(wěn)定性、可靠性等需要提升。（3）市場競爭力不足。國內傳感器市場需求大，但國產傳感器只能滿足一小部分需求，企業(yè)數量眾多，但專業(yè)化企業(yè)不足，缺乏龍頭企業(yè)和國際品牌。農業(yè)物聯網等領域常使用的傳感器產品主要依賴進口。（4）成本優(yōu)勢不明顯。國內傳感器生產成本高，大多數產品較為低端，提升技術水平需要大量資金投入。市場競爭中的劣勢導致收益少，甚至出現虧損，生產成本供給不足，很多廠家沒有實現傳感器的機械化裝配，產出效率低，規(guī)模效益難以達到。為改變傳感器產業(yè)相對落后的局面，需要加大對傳感器技術的研發(fā)力度，培養(yǎng)和聚集人才，進一步促進產學研結合。另外，政策引導、資金扶持等是促進傳感器研發(fā)成果轉化為現實生產力不可缺少的因素。傳感器行業(yè)發(fā)展整體戰(zhàn)略規(guī)劃和傳感器技術規(guī)范也應得到進一步明確。3.1傳感器技術3.1.3傳感器在畜禽業(yè)中的應用及其發(fā)展要求畜禽業(yè)所使用的傳感器多用于檢測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輔助判斷畜禽的健康狀況和生長情況、評估畜禽生長環(huán)境，以便滿足畜禽生長需求，提升畜禽管理質量。隨著傳感器核心技術的突破和傳感器行業(yè)的發(fā)展，再加上大數據、云計算等的應用推廣，傳感器將更加廣泛地應用于育種、繁育、飼養(yǎng)、免疫、出欄等畜禽業(yè)生產管理環(huán)節(jié)，為此，傳感器需要從以下四方面進行性能優(yōu)化，以適應畜禽業(yè)生產管理的要求。3.1傳感器技術（1）提升檢測性能。通過提高導體、芯片等的制造水平，增強傳感器的性能，確保信息檢測連續(xù)、實時和準確。利用差動技術、補償與修正技術、干擾抑制技術等提高傳感器靈敏度，降低外界環(huán)境影響，減小誤差。對傳感器進行時效處理和老化處理，以提高穩(wěn)定性。采用精制的半導體敏感材料、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)集信息檢測與轉換、邏輯判斷、統(tǒng)計分析、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)應提升核心技術自主研發(fā)能力，爭取人才、資金和政策支持，以滿足畜禽物聯網對智能傳感器的需求。（3）多功能化。實現傳感器多功能化，即能同時檢測多個參數，有助于降低成本、減小體積、提高性能指標。通過開發(fā)電介質、強磁體等材料，研究納米技術等新材料制備技術，以及精密集成技術，滿足傳感元件集成的需求。（4）微型化。為了檢測畜禽生命信息，需要傳感器具備感應靈敏、攜帶方便、對被測畜禽干擾小等特點，即傳感器的微型化。通過開發(fā)納米相等新材料，采用硅體微加工、晶片鍵合、LIGA、MEMS等技術，生產體積小而性能優(yōu)異的微型傳感器產品。3.2射頻識別技術3.2.1射頻識別技術及其應用使用射頻識別技術能夠在不與物體接觸的情況下識別物體，并以電磁耦合（Electromagneticcoupling）的方式獲取目標對象的信息。1.RFID的特征（1）操作便捷。RFID讀寫器和標簽實現信息傳輸的距離可以達到幾十米；RFID閱讀器還能同時識別多個物體，識別效率高；信息在讀寫器與標簽之間傳遞耗時短，效率高。（2）標簽容量大。RFID標簽存儲信息量的最高限值為幾兆字節(jié)，其容量遠遠大于條碼載體。（3）安全性高?？梢杂醚h(huán)冗余檢查等方式檢驗RFID標簽傳遞的信息是否發(fā)生了變化，也可以對數據進行加密保護，防止內容被篡改。（4）受環(huán)境影響小。RFID能夠穿過紙張、木材等非金屬覆蓋物進行穿透性通信，且在無光環(huán)境中也可以讀取數據，沒有可見性要求；RFID標簽對高溫等環(huán)境條件的適應性強，使用壽命長。（5）復用率高。RFID標簽允許進行數據修改，所以標簽可以多次使用。3.2射頻識別技術2.RFID系統(tǒng)組成及其工作原理（1）系統(tǒng)組成。系統(tǒng)包括射頻識別標簽、射頻讀寫器和信息系統(tǒng)。每個射頻識別標簽都攜帶有EPC編碼，內部包含天線和芯片用于存儲物體信息。射頻讀寫器具有控制器和天線，用于讀取或寫入信息，其工作距離由發(fā)射功率決定。信息系統(tǒng)負責發(fā)送應用指令給射頻讀寫器，并接收、分析、管理讀寫器發(fā)送的數據。（2）工作原理。RFID系統(tǒng)的工作原理如圖3-2所示。射頻識別標簽受射頻讀寫器發(fā)送的射頻信號驅動，通過內部天線發(fā)送數據信號，由射頻讀寫器進行接收、解碼并校驗，接著發(fā)送至信息系統(tǒng)進行處理。圖3-2RFID系統(tǒng)工作原理3.2射頻識別技術3.RFID在畜禽業(yè)中的應用憑借操作便捷、信息存儲量大、一簽多用等特點，RFID技術被應用于畜禽業(yè)領域，對提高畜禽業(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，每頭豬佩戴獨特的RFID電子耳標，標記關鍵信息如來源、品種、進場日期。養(yǎng)殖過程中，耳標記錄養(yǎng)殖環(huán)境、飼喂、疾病、免疫等信息，建立完整生豬檔案，實現與養(yǎng)殖管理系統(tǒng)的信息關聯。（2）屠宰加工管理。屠宰前通過RFID電子耳標內的信息判斷生豬是否符合標準，將問題生豬信息報送檢疫單位。在屠宰生產線上，將耳標信息寫入新的RFID標簽（屠體標簽），加入屠宰場編號、批次、時間、檢驗檢疫等信息，實現與屠宰加工管理系統(tǒng)的關聯。（3）倉儲物流管理。利用RFID裝置采集畜產品流通信息，包括物流公司、運輸車輛、運輸人員、運輸時間、儲藏環(huán)境、出發(fā)地、目的地等。結合養(yǎng)殖屠宰環(huán)節(jié)信息，生成產品追溯碼，供認證產品質量使用。同時，結合GPS定位系統(tǒng)，實時監(jiān)控產品運輸過程。在RFID技術應用中，為擴大其范圍，需注重功能增強、成本降低、數據處理效率提高?？赏ㄟ^與無線傳感網絡（WSN）結合，形成傳感器射頻識別網絡，以增強信息采集能力；通過優(yōu)化標簽制造技術，生產新型標簽以降低成本；同時，結合分布式計算方式，以滿足RFID數據處理的實時性要求。3.2射頻識別技術3.2.2RFID設備XC-RF2903（V3.0）型便攜式讀寫器是云輝牧聯科技開發(fā)的新型便攜式產品，具有快速處理、良好便攜性、適應多場景、功能高度集成等優(yōu)勢。該讀寫器支持UHF-RFID、4G全網通網絡（數據）、Wi-Fi、藍牙、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)內存2GB，系統(tǒng)閃存16GB，待機時間約10天。考慮發(fā)射功率、標簽和環(huán)境等因素，讀標簽距離為0～6m，寫標簽距離范圍為0～4m，適用于各種需要標簽識別的場合，是識別系統(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射頻識別技術云輝牧聯的YH-TF-8612-IH電子耳標（如圖3-4所示）采用一體化設計，由此杜絕佩戴過程可能出現的“虛戴”的情況，減少掉標。采用無毒、無異味、無刺激、無污染、耐水解、耐高低溫和耐微生物性能的進口TPU為封裝材料，從根本上提高了耳標的物理機械性能，可以有效保護內部芯片免受外部有機酸、水鹽液、礦物酸等的侵害。耳標尺寸為50mm*43mm*1.6mm，重4.5g，采用注塑封裝工藝，結合力大于200N，設計壽命為1年，工作溫度為-40℃～+70℃，存儲溫度是-30℃～+50℃，符合EPCglobalC1Gen2與ISO18000-6C標準，工作頻率為860MHz～960MHz，讀取距離為0～1m（與配置情況有關），芯片參數為EPC96bit（允許耳標號最長24個數字）。該電子耳標可以廣泛應用于山羊、母羊、灘羊、母豬、山豬等大型動物的管理領域，作為動物專屬的“二代電子身份證”。圖3-4YH-TF-8612-IH電子耳標3.2射頻識別技術與YH-TF-8612-IH電子耳標相比，YH-TF-8613-IH電子耳標（如圖3-5所示）的性能有了進一步優(yōu)化。YH-TF-8613-IH電子耳標以“又輕又小，一體化設計”“超高性價比”“超長壽命片芯設計”“注塑焊接成型工藝”“原裝進口TPU原料”為產品特色。耳標尺寸為125mm*76mm*3.5mm，重2.9g，結合力大于250N，設計壽命為1年以上，工作溫度為-40℃～+70℃，存儲溫度是-30℃～+50℃，符合EPCglobalC1Gen2與ISO18000-6C標準，工作頻率為860MHz～960MHz，讀取距離為0～7m（與配置情況有關），芯片參數為EPC96bit（允許耳標號最長24個數字）。該電子耳標可以廣泛應用于商品豬、商品羊等小型短生命周期動物的信息化管理。圖3-5YH-TF-8613-IH電子耳標3.2射頻識別技術AUTOIDUTouch（如圖3-6所示）是江蘇東大集成電路系統(tǒng)工程技術有限公司研發(fā)的一款輕薄型工業(yè)級UHFRFID手持終端。該讀寫器具有優(yōu)異的多標簽讀寫性能，RFID標簽群讀速率>200張/秒，讀取距離可以達到15m。其支持2.4G/5G雙模WiFi，能滿足信道干擾嚴重、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，可實現戶外作業(yè)軌跡實時記錄；全網通4G，能夠為戶外場景應用提供更高速穩(wěn)定的數據傳輸。配置6400mAh可更換電池且內置備份電池，續(xù)航時間能達到24小時，可應用于電力巡檢、倉儲管理、資產管理等場景。圖3-6AUTOIDUTouch3.3

光譜技術光譜技術（如拉曼、近紅外、高光譜成像）可用于快速、準確地評估畜產品品質，檢測包括pH值、TVB-N值、微生物成分、菌落總數、顏色、紋理、熒光代謝產物等指標。此外，該技術廣泛應用于畜禽飼料成分和獸藥殘留檢測，相較于傳統(tǒng)方法，具有顯著優(yōu)勢，包括檢測速度、操作便捷性、可檢測指標數量、實時在線分析和成本。1.拉曼光譜技術拉曼光譜技術通過檢測物質結構成分，利用光譜特性分析物質特征，區(qū)分不同物質。隨著激光技術、儀器學、光譜學的深入研究，拉曼光譜技術不斷發(fā)展，包括表面增強拉曼、共振拉曼、共焦顯微拉曼、傅立葉變換拉曼等多種技術。在生物醫(yī)學、石油化工、物證鑒定、污染檢測、農業(yè)檢測等領域廣泛應用，為各行業(yè)提供分子結構信息。在畜禽業(yè)中，激光拉曼可檢測畜產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變性和脂肪氧化，表面增強拉曼可檢測氨基酸和致病菌，具有廣闊應用前景。拉曼光譜技術在畜禽業(yè)中的具體應用主要包括以下幾個方面。（1）檢測飼料營養(yǎng)成分含量。拉曼光譜技術可用于檢測飼料營養(yǎng)成分，包括大豆組分、果糖和葡萄糖。通過表面增強拉曼光譜，還能及時檢測飼料中的黃曲霉毒素，防止飼料污染和摻假問題。（2）評價畜產品品質。拉曼光譜技術可檢測肉品中的蛋白質、脂肪等營養(yǎng)成分，并判斷肉質變化情況。同時，它還可用于檢測乳制品中的三聚氰胺濃度，提高產品質量安全。（3）獸藥殘留檢測。曼光譜技術簡單直接，誤差小，通過散射光譜獲取分子運動信息，進而判斷畜產品中獸藥殘留是否超標。還可應用于檢測非食用化學物質和食品添加劑等，具有廣泛的應用前景。3.3

光譜技術拉曼光譜檢測具有效率高、實用性強等特點，畜牧業(yè)領域也已經有了這方面的應用，且具有極大的應用發(fā)展空間。各種類型的拉曼光譜設備逐漸高精度化、小型化、便攜化，實際使用也更為便利，但就目前而言，拉曼光譜技術在檢測穩(wěn)定性等方面的性能仍有待優(yōu)化，主要還存在以下幾個問題。（1）建立拉曼光譜模型需要大量數據的檢測和分析支持，這一過程相對復雜。在使用拉曼光譜技術檢測畜產品時，必須采用光譜曲線擬合、濾波去噪等方法對雜散光進行抑制，以避免干擾降低準確性。深入研究光譜信號提取技術，能夠在發(fā)現微弱信號時進行恰當處理，進一步推動拉曼光譜痕量成分檢測應用的發(fā)展。（2）光學系統(tǒng)參數在影響拉曼光譜散射強度方面至關重要。為確保檢測結果準確，需要設置合理的光學系統(tǒng)參數，并進行系統(tǒng)模型優(yōu)化。（3）隨著拉曼光譜檢測技術在畜牧業(yè)應用中的不斷增加，標準光譜圖的稀缺問題日益凸顯。為解決這一問題，需要不斷補充、更新拉曼光譜數據庫內容，確保能找到相應的光譜圖進行比對。（4）豐富拉曼光譜檢測方式和指標，并對其檢測穩(wěn)定性進行優(yōu)化，以適應不同的檢測環(huán)境，進一步拓展應用范圍。（5）國內在畜牧業(yè)領域中應用拉曼光譜技術仍處于起步階段。實際檢測應用較少，許多院校和研究所仍在進行基礎性研究。為推動技術應用推廣，需結合國內外先進設計經驗，研發(fā)實用性強、成本低廉的拉曼光譜設備，并將其投入實際應用。3.3

光譜技術2.近紅外光譜技術近紅外光譜（Near-infraredSpectroscopy，NIRS）是波長范圍在可見光和中紅外光之間的電磁波，譜區(qū)范圍為780～2526nm。通過近紅外光譜分析可以測定畜產品中蛋白質、脂肪等有機物及獸藥殘留的含氫基團（O-H、N-H、C-H）含量，進而分析得到品質信息。近紅外光譜技術結合人工智能算法能夠實現實時快速、非破壞性、較低成本的畜產品品質無損檢測，為了保證近紅外光譜檢測的準確性，需要選取大規(guī)模的樣本數據對計算模型進行有效訓練，這一過程相對繁瑣，受此影響近紅外光譜檢測的精度有所欠缺，需要進一步提升。3.高光譜成像技術高光譜成像技術（HyperspectralImage,HI）集光譜技術和二維成像技術于一體，以提取、分析物體的光譜和圖像信息達到物體無損檢測的目的。使用高光譜成像技術檢測畜產品品質的檢測精度較高，但現階段高光譜成像檢測通常選用大量的波段特征或者結合應用圖像處理技術，建模復雜且檢測信息較多，在檢測速度方面有所不足，難以滿足在線檢測需求。3.4

二維碼技術二維碼技術是對文字、圖像等信息進行數字化編碼和自動識別的技術。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信息。二維碼的發(fā)展演變基于一維碼，在信息存儲量、編碼范圍、容錯能力、安全性、抗損性、譯碼可靠性等方面均有所提升，應用領域也更加廣泛，常見的應用場景包括移動支付、電子證照、網頁導航、文件保密、公共交通、產品溯源等。利用圖像輸入設備、光電識別設備即可識讀存儲在二維條碼內的信息。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”和“空”在矩形空間內排列組合，其中“點”代表二進制“1”，“空”代表二進制“0”。1.二維碼應用系統(tǒng)二維碼應用系統(tǒng)使用二維碼存儲和表達信息，其組成如圖3-3所示。系統(tǒng)功能效果受二維碼設計、二維碼質量、識讀設備選擇等因素的影響。圖3-5二維碼應用系統(tǒng)構成3.4

二維碼技術二維碼生成設備生成二維碼標簽，二維碼標簽承載信息，二維碼識讀設備進行掃碼、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。2.二維碼技術在畜禽業(yè)中的應用在畜禽業(yè)領域，二維碼主要作為一種信息載體和信息傳輸接口，用于畜產品溯源，以保障畜產品質量安全，提高數據查詢和共享效率。在畜產品生產、流通過程中，各環(huán)節(jié)依次將產品生產及流通相關信息存儲至二維碼中，生成二維碼標簽，隨產品流向市場。當產品最終到達消費者手中時，消費者通過條碼識讀器掃描二維碼，即可查看畜產品的原始生產流通信息。此外，也可以集合二維碼存儲的信息建立產品溯源系統(tǒng)，消費者登錄系統(tǒng)即可查看產品信息。3.5北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS）由中國自主研發(fā)，與GPS、GLONASS同屬于成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在升級的過程中，其服務區(qū)域也在逐步拓展，2020年北斗三號系統(tǒng)投入應用，正式開始在全球范圍內提供服務。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導航服務。其中GEO衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、可見性高、抗遮蔽性強等特點；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區(qū)域；MEO衛(wèi)星環(huán)繞全球運行，北斗系統(tǒng)由此實現全球服務。地面段包含主控站、注入站和監(jiān)測站等地面站，還包含星間鏈路管理設施。用戶段包括北斗兼容其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎產品，以及終端產品、應用系統(tǒng)與應用服務等。表3-2北斗系統(tǒng)的組成3.5北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗系統(tǒng)以“三球交匯”定位原理，衛(wèi)星位置精確。在GPS觀測中，通過測量3顆衛(wèi)星到接收機的距離，使用距離公式解出觀測點的三維坐標?？紤]衛(wèi)星和接收機時鐘誤差，再利用一顆衛(wèi)星得到4個方程，確保準確計算觀測點的三維位置。

2.北斗系統(tǒng)的功能北斗系統(tǒng)具備全球范圍內的定位、測速和授時功能。其定位精度優(yōu)于10m，測速精度優(yōu)于0.2m/s，授時精度優(yōu)于20ns。此外，北斗系統(tǒng)還提供短報文通信、國際搜救、星基增強、精密單點定位、地基增強等服務。短報文通信是北斗系統(tǒng)獨有的功能，通過衛(wèi)星信號傳輸信息，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)中的應用北斗系統(tǒng)自投入應用，至今已進入農林牧漁、氣象測報、交通運輸、智能制造、救災減災等眾多領域，對經濟和社會發(fā)展的影響顯著。就畜禽業(yè)領域來說，北斗系統(tǒng)的應用主要有：（1）畜禽定位：使用北斗定位項圈給畜禽佩戴，采集其地理坐標并通過通信網絡傳輸至管理平臺，實時觀測畜禽位置、軌跡和活動分布，加強對移動畜禽的管理。短報文通信服務確保即使缺少通訊系統(tǒng)，項圈的定位功能也能正常運作。（2）畜禽環(huán)境監(jiān)測：北斗系統(tǒng)結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，促進畜禽業(yè)可持續(xù)發(fā)展。北斗和物聯網創(chuàng)新監(jiān)測模式，及時獲取畜禽環(huán)境指標信息，提供準確數據，便于處理環(huán)境問題。（3）災害預警監(jiān)測：北斗系統(tǒng)結合氣象預報和災害預警業(yè)務，幫助畜禽業(yè)管理部門做好氣象災害防范措施，減少損失。在災害發(fā)生后，北斗導航系統(tǒng)實時監(jiān)測災害情況，為災后治理提供實時、準確信息。3.6無線遠程視頻監(jiān)控無線視頻監(jiān)控將監(jiān)控技術與無線傳輸技術相結合，通過無線傳輸技術來傳輸圖片、視頻、聲音、數據等信息，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布線繁瑣的問題，具有技術先進、高效靈活、經濟適用等特點，監(jiān)控系統(tǒng)建設將主要朝著無線化方向發(fā)展。1.無線視頻監(jiān)控的特點（1）成本低。采取無線監(jiān)控方式，所以不用鋪設電纜，材料成本和施工成本都有所減少；系統(tǒng)結構相對簡單，故障率不高，另外對傳輸網絡的維護由網絡供應商負責，因此系統(tǒng)維護成本也低。（2）實用性強。無線視頻監(jiān)控不受實際地形、周邊環(huán)境影響，減少了監(jiān)控盲區(qū)，擴大了監(jiān)控范圍，具有很強的實用性。（3）擴展、移動方便。增加監(jiān)控點只需要增加前端信息采集設備，無需新建傳輸網絡；改變監(jiān)控點只需要移動前端信息采集設備；用戶可以通過移動終端設備獲取監(jiān)控信息，實現異地全天候監(jiān)控。（4）網絡信號易受影響。無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，但是也存在一定的局限性。無線傳輸網絡容易受惡劣天氣、建筑物屏蔽等的影響，或者受到外部無線信號干擾，導致信號強度降低。2.無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括信息采集系統(tǒng)、無線數據傳輸系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)?；A設備是攝像頭，其信息采集過程包含攝像、信號轉換和傳輸。無線數據傳輸系統(tǒng)利用Wi-Fi、4G、5G或微波等通信技術，通過點對點或點對多點形成全面網絡覆蓋，傳輸監(jiān)控信息。信息管理系統(tǒng)接收、存儲、處理、反饋來自各采集點的視頻和圖像信息，并通過中心服務器向信息采集系統(tǒng)發(fā)送控制指令。3.無線遠程多節(jié)點視頻監(jiān)控系統(tǒng)(PMP+WLAN)無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在畜禽業(yè)領域有兩種主要監(jiān)控模式，即點對點和Wi-FiP2P傳輸圖像。點對點模式鋪設電纜成本高、維護難，Wi-FiP2P模式需要大量光纖電纜，限制了農業(yè)圖像、視頻數據的采集。為解決這問題，無線遠程多節(jié)點視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用MeshWLAN組網技術，實現點對多點無線通信，突破有線網絡障礙，構建靈活、高效的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過數字視頻監(jiān)控設備將圖像信息轉換成IP基礎上的視頻流，實現全球通信，管理者能夠在任何地方進行監(jiān)控操作。系統(tǒng)使用支持WLAN的IP攝像機，采集、處理模擬視頻圖像，直接提供IP網絡接口，通過Wi-Fi連接或WLAN無線網橋轉換信號，實現無線傳輸。MeshWLAN自組網方式優(yōu)勢在于節(jié)省AC控制器，避免重復布線，維護網絡運行更有效。系統(tǒng)具有靈活性、降低成本、全球通信、自組網優(yōu)勢，實現實時、詳細的監(jiān)控信息記錄。3.6無線遠程視頻監(jiān)控3.7遙感技術（RS）

遙感技術（RemoteSensing,RS）是一種物體探測技術，它通過衛(wèi)星、飛機等遙感平臺和儀器遠距離采集目標對象的電磁波信息，經過信息處理分析，反映出目標特征，具有大范圍同步觀測、受環(huán)境限制少、時效性強、綜合性強等特點。畜禽業(yè)生產管理常使用遙感技術進行資源監(jiān)測，通過遙感技術監(jiān)測草地等畜禽業(yè)資源的數量和質量分異規(guī)律，精細劃分植被與土壤，可以判斷放牧是否合理，為畜禽業(yè)資源規(guī)劃和畜禽生產整治提供科學依據。將同一區(qū)域不同時期的畜禽業(yè)資源遙感影像疊加對比，可以了解該區(qū)域的資源變化情況，檢測是否存在畜禽業(yè)資源過度利用的現象，以便及時采取治理措施。與常規(guī)地面勘測相比，畜禽業(yè)資源遙感監(jiān)測節(jié)約了大量人力與物力，經濟效益顯著。畜禽物聯網信息傳輸第4章4.1無線傳感網絡4.2ZigBee 4.3LoRa4.4NB-IoT4.5Wi-Fi4.64G4.75G4.84GCat.1

4.1無線傳感網絡無線傳感網絡是由傳感器節(jié)點自組織形成的分布式網絡，負責匯集傳感器獲取的數據，是畜禽物聯網中必備的傳輸網絡之一。1.無線傳感網絡的拓撲結構無線傳感網絡的拓撲結構如圖4-1所示，其中包含傳感器節(jié)點（SensorNode）、匯聚節(jié)點（SinkNode）和任務管理節(jié)點（TaskManageNode）。圖4-1無線傳感網絡的拓撲結構4.1無線傳感網絡傳感器節(jié)點包含傳感、處理、通信、供能四個單元，形成小型嵌入式系統(tǒng)。其功能包括信息存儲、處理和傳輸，是信息采集的終端和信息路由器。匯聚節(jié)點主要進行通信協(xié)議轉換，將信息從無線傳感網絡傳輸到外部網絡，同時充當具有無線通信接口的網關。任務管理節(jié)點負責下達監(jiān)測指令以及對傳感器采集的數據進行分析和處理。2.無線傳感網絡的特點（1）規(guī)模大。使用多個傳感器可提高畜禽業(yè)生產信息的準確性，同時規(guī)模擴大也有助于減少監(jiān)測盲區(qū)。（2）自組織。無線傳感網絡節(jié)點可靈活布置，自主組網進行數據傳輸。在節(jié)點故障時，其他節(jié)點可自動接替任務。（3）易擴展?？赏ㄟ^添加新節(jié)點替換故障節(jié)點，或者擴展網絡規(guī)模，新舊節(jié)點重新組網，不影響監(jiān)測系統(tǒng)正常運行。（4）可靠性強。無線傳感網絡能獲取人工難以采集的數據，傳感器節(jié)點適應性強，不容易受到破壞，實現了穩(wěn)定監(jiān)測。（5）多功能。不同類型的傳感器功能各異，針對實際需求選擇合適的傳感器，以獲取多樣化的數據類型，滿足不同監(jiān)測需求。4.2ZigBeeZigBee是一種短距離無線通信技術，在2.4GHz、868MHz、915MHz頻段運行，它的最大速率是250Kbit/s，因此只能完成短距離、小量級的數據傳輸，常用于在小型電子設備之間進行信息傳輸，以及傳輸其他間歇性、周期性、低反應時間的數據。具體來說，ZigBee主要具有以下特點：（1）低功耗。以兩節(jié)5號電池供能，ZigBee設備至少能夠運行半年，最長可達2年之久，而在相同能量供給條件下，藍牙設備只能工作幾周，Wi-Fi設備只能維持幾小時。（2）低成本。ZigBee協(xié)議免專利費用，其對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)的原始數據吞吐率，適合傳輸低速率數據。（4）短時延。ZigBee反應靈敏，設備接入網絡一般用時30ms，喚醒ZigBee設備用時15ms，尤其適用于發(fā)展無線控制應用。大容量。一個星型ZigBee網絡能容納255個節(jié)點，多個ZigBee網絡能組成可容納65000個節(jié)點的大型網絡。（6）安全性強。ZigBee提供默認安全、訪問控制和密碼加密三種安全機制，通過訪問控制和密碼加密可以有效保障通訊安全。4.3LoRaLoRa（LongRange）是一種長距離無線通信技術，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通過線性調頻擴頻技術（ChirpSpreadSpectrum，CSS）實現了遠距離、低功耗通信，其連接沒有基站要求，還能通過一個網關控制大量節(jié)點，組網方式靈活，建設成本低，LoRa也因此被廣泛應用在智慧農業(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、大連接的物聯網應用需求。LoRa網絡由終端節(jié)點、網關、網絡服務器、應用服務器四部分組成，其中終端節(jié)點一般是各種感知設備，LoRa網關充當LoRa網絡中的一個傳輸中繼，終端節(jié)點首先通過LoRa無線通信與一個或多個LoRa網關相連，再通過4G/5G網絡等連接網絡服務器，應用數據可以雙向傳輸。4.4NB-IoTNB-IoT（窄帶物聯網）是基于蜂窩網絡的物聯網新興技術，是4G/LTE網絡的主要應用之一。作為低功耗廣域網通信技術的一種，NB-IoT具備五大優(yōu)勢，分別是：（1）部署方式靈活。NB-IoT包含獨立部署、保護帶部署和帶內部署3種部署模式，它們之間的頻譜、帶寬、時延、容量、兼容性等都有所差別。（2）覆蓋能力強。NB-IoT的覆蓋能力比寬帶LTE網絡提升了約20dB。（3）功耗低。在需要使用電池供電的情況下，NB-IoT能大大延長設備的續(xù)航時長，甚至可讓電池使用壽命長達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，能夠滿足大量設備的聯網需求。（5）低成本。NB-IoT的功耗、帶寬、速率都比較低，因此芯片設計相對簡單，且其不需要另行建立運營商網絡，RF和天線均可再利用，由此實現了低成本。在畜禽業(yè)領域，NB-IoT常被用來構建智能化畜禽監(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、畜禽狀況進行實時監(jiān)測，實現養(yǎng)殖管理自動化和畜禽異常及時發(fā)現。在畜產品運輸管理方面，NB-IoT也多被用來幫助生產者實時了解與產品運輸環(huán)境等相關的信息，作為畜產品溯源的其中一個重要環(huán)節(jié)。可以說，NB-IoT完善了畜禽物聯網的運行模式，提升了畜禽物聯網的系統(tǒng)化、智能化水平。4.5Wi-FiWi-Fi是IEEE820.11標準下的無線局域網技術，基于直接序列調制（Direct-SequenceModulation）技術在2.4GHz/5.8GHz頻段運行，它通過無線電波連接互聯網，借助無線AP將寬帶網絡信號轉發(fā)給無線網絡設備，提供無線局域網服務。Wi-Fi對于構建大數據云服務平臺、WLANMesh組網、點對多點通信網絡、異構網通信網絡等至關重要，是物聯網系統(tǒng)中必不可少的無線連接技術。Wi-Fi網絡的組成部分如表4-1所示。站點（Station）Wi-Fi網絡的最基礎部分，其網絡信號通過無線AP進行轉發(fā)，信號覆蓋范圍內的無線設備即可連接Wi-Fi上網。接入站點的用戶數量對Wi-Fi的連接速度有直接影響基本服務單元（BasicServiceSet,BSS）由一個基站和若干個站點組成，BSS內的站點之間直接通信，內部站點經由基站與外部站點通信分配系統(tǒng)（DistributionSystem，DS）與不同的BSS連接，通過必要的邏輯服務將匹配地址分配給目標站點接入點（AccessPoint，AP）是BSS內的基站，作用與網橋相似，可以接入分配系統(tǒng)擴展服務單元（ExtendedServiceSet，ESS）由BSS和DS組成，BSS通過無線AP連接到DS，再連接另一個BSS，由此構成了一個ESS門橋（Portal）相當于網橋，連接無線局域網與其他網絡，也是外部網絡數據進入IEEE802.11網絡結構的途徑表4-1Wi-Fi網絡的組成部分4.5Wi-FiWi-Fi的優(yōu)勢主要在于：（1）構建方便。不需要鋪設電纜，配備一個或多個無線AP設備即可實現網絡覆蓋，大幅度降低了網絡應用成本。（2）靈活性高。在無線網絡信號覆蓋區(qū)域，用戶可以選擇任意位置接入網絡，擴大網絡覆蓋范圍時只需要增加無線AP設備。（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整帶寬保證網絡傳輸正常進行。（4）傳輸距離遠。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網，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網絡不穩(wěn)定現象，Wi-Fi網絡安全多通過用戶認證加密來實現，在這些方面與有線網絡相比有所不足。4.64G4.1.2農業(yè)云計算4G是第四代移動通信技術，以WLAN為發(fā)展重點并融合了OFDM、MIMO、SDR等技術，在通信質量、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，網絡信號更穩(wěn)定，可以完成大部分的數據傳輸任務，是云應用發(fā)展不可缺少的技術基礎。在畜禽業(yè)領域，4G作為信息傳輸載體發(fā)揮著關鍵作用。以云平臺為中心，運用4G網絡采用無線方式將畜禽業(yè)生產經營使用的智能終端聯系起來，包括傳感器、攝像頭、大型農業(yè)設備、移動終端設備、展示平臺等，可以實現畜禽業(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，可以更加快速、穩(wěn)定地傳輸畜禽業(yè)生產經營環(huán)節(jié)的數據，提高信息共享效率；將4G與人工智能結合，應用人工智能系統(tǒng)對畜禽業(yè)生產經營狀態(tài)進行自主判斷，對生產管理操作實施自動調控，提升畜禽業(yè)發(fā)展的智能化、自動化水平。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支撐，是推動畜禽業(yè)轉型升級必須具備的技術條件之一。4.75G5G是第五代移動通信技術，在頻譜