科普小課堂第60期｜水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測傳輸技術

2024-05-17 11:53:53 0 雙良環(huán)境

　　《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020—2035年)》提出，地表水監(jiān)測要“逐步實現(xiàn)水質監(jiān)測向水生態(tài)監(jiān)測轉變”，“監(jiān)測手段從傳統(tǒng)手工監(jiān)測向天地一體、自動智能、科學精細、集成聯(lián)動的方向發(fā)展”。隨著傳感技術和通信技術的不斷進步，基于物聯(lián)網(wǎng)的水生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測技術可實現(xiàn)全方位、實時、高效的水生態(tài)環(huán)境質量動態(tài)監(jiān)測，為水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管提供新的技術方法。下文介紹水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測的傳輸技術[1]。

水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸技術

　　(1)數(shù)據(jù)傳輸技術的類型

　　有線傳輸方式在互聯(lián)網(wǎng)和政府專網(wǎng)均有應用，主要通過光纖、以太網(wǎng)等有形媒質傳送信息，且多用于傳統(tǒng)的固定式監(jiān)測站監(jiān)測儀器設備的數(shù)據(jù)傳輸。有線傳輸方式需要施工安裝，對于老舊監(jiān)測設備而言，其改造成本較高，而移動數(shù)據(jù)的獲取成本在逐年降低，因此，越來越多的監(jiān)測項目采取無線傳輸?shù)姆绞絹斫档褪┕碗s度。盡管如此，有線傳輸在兩個方面仍然具備明顯的優(yōu)勢：第一個方面是數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。有線方式比無線方式更加穩(wěn)定可靠，特別是在高頻大數(shù)據(jù)量傳輸時更加明顯。第二個方面是專網(wǎng)傳輸。有線傳輸方式很容易實現(xiàn)專網(wǎng)部署和數(shù)據(jù)隔離，且成本低廉。無線傳輸方式雖然可以通過LoRa等技術實現(xiàn)專網(wǎng)，但部署復雜且成本較高。

　　無線傳輸方式分為無線局域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)兩大類。其中，無線局域網(wǎng)主要包括Wi-Fi、藍牙和ZigBee等方式，無線廣域網(wǎng)主要包括2G/4G/5G、LoRa、NB-IoT等方式。新型無線傳輸技術能夠覆蓋更廣闊的區(qū)域，適應更復雜的環(huán)境，尤其是近年來低功耗無線傳輸技術的快速發(fā)展，使其在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中具有更好的應用前景。在無線局域網(wǎng)中，Wi-Fi是使用比較普遍的通信方式。Wi-Fi傳輸速率較快，但通信距離短、范圍小、功耗高，適用于小范圍、近距離組網(wǎng);與Wi-Fi相比，藍牙的安全性相對較高，但傳輸速度過慢，適合短時、近距離組網(wǎng);ZigBee功耗較低，同時具有多跳、自組織的特點，容易擴展傳感器網(wǎng)絡的覆蓋范圍，但其傳輸速率較慢。

　　在無線廣域網(wǎng)中，低功率廣域網(wǎng)絡因具備功耗和運營成本低、節(jié)點容量大等優(yōu)點，而得到了快速應用，主要以LoRa和NB-IoT為代表。其中：LoRa功耗低、續(xù)航時間長，適用于低成本、大數(shù)量連接; NB-IoT安全性較高，適用于超大數(shù)量連接。4G、5G移動通信技術使以圖像、音頻為代表的大文件傳輸成為現(xiàn)實，進一步擴充了信息的維度。無線傳感器網(wǎng)絡和衛(wèi)星遙感的集成技術，則充分發(fā)揮了無線傳感器網(wǎng)絡獲取局部地面信息的翔實性，以及遙感技術獲取大面積環(huán)境信息的方便性。

　　(2)數(shù)據(jù)傳輸技術的選擇

　　水生態(tài)環(huán)境感知儀器設備的類型多樣，且其項目應用通常涉及地理范圍廣、系統(tǒng)結構復雜、運行效率要求高等情況，因而需根據(jù)項目的實際需求和現(xiàn)場情況，綜合考慮儀器設備功耗、人員值守、數(shù)據(jù)流量等因素，進而選擇高效、穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)。下表總結了主要水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測設備適用的物聯(lián)網(wǎng)傳輸方式。可見，無線傳輸方式可在構建廣域、靈活的水生態(tài)環(huán)境日常監(jiān)測和應急監(jiān)測網(wǎng)絡中發(fā)揮重要作用。

　　水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測設備適用的主要傳輸方式表

　　(3)數(shù)據(jù)傳輸安全技術

　　在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程中，保障所獲取數(shù)據(jù)的真實性、有效性和完整性，是后續(xù)實際應用的重要前提。數(shù)據(jù)傳輸安全是指在源頭采集到的數(shù)據(jù)能夠安全、可靠、穩(wěn)定地傳輸?shù)皆贫耍〝?shù)據(jù)傳輸鏈路安全、數(shù)據(jù)內(nèi)容安全、數(shù)據(jù)完整性保證3個方面。

　　在數(shù)據(jù)傳輸過程中，目前多采用安全傳輸層協(xié)議(Transport Layer Security，TLS)進行傳輸鏈路加密，保障數(shù)據(jù)傳輸安全。隨著加密算法的改進，TLS技術不斷更新，使得加密速度更快，數(shù)據(jù)鏈路不容易被竊聽，數(shù)據(jù)傳輸更加安全。

　　早期受到前端感知設備芯片性能的限制，不能對直接采集的數(shù)據(jù)進行實時加密，無法保障數(shù)據(jù)內(nèi)容的安全性。后期隨著嵌入式技術的發(fā)展，在采集設備上實現(xiàn)了采用高級加密標準(Advanced Encryption Standard，AES)等對稱加密技術來保障數(shù)據(jù)內(nèi)容的安全。目前常采用AES128或AES256技術對采集到的數(shù)據(jù)進行實時加密。

　　對于數(shù)據(jù)傳輸時遇到的斷網(wǎng)、延遲等各種問題，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基于良好的確認和重發(fā)機制，能夠保證每個數(shù)據(jù)片段不丟失、不亂序，使數(shù)據(jù)最大限度地安全到達云端，保證數(shù)據(jù)的完整性。但同時，確認和重發(fā)機制可能會影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的響應速度和并發(fā)量，需要根據(jù)不同的應用場景找到最佳平衡點。