科普小课堂第60期|水生态环境物联网智慧监测传输技术

2024-05-17 11:53:53 0 双良环境
科普小课堂第60期|水生态环境物联网智慧监测传输技术

  《生态环境监测规划纲要(2020—2035年)》提出,地表水监测要“逐步实现水质监测向水生态监测转变”,“监测手段从传统手工监测向天地一体、自动智能、科学精细、集成联动的方向发展”。随着传感技术和通信技术的不断进步,基于物联网的水生态环境智慧监测技术可实现全方位、实时、高效的水生态环境质量动态监测,为水生态环境监管提供新的技术方法。下文介绍水生态环境物联网智慧监测的传输技术[1]。M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

水生态环境监测数据传输技术M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  (1)数据传输技术的类型M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  有线传输方式在互联网和政府专网均有应用,主要通过光纤、以太网等有形媒质传送信息,且多用于传统的固定式监测站监测仪器设备的数据传输。有线传输方式需要施工安装,对于老旧监测设备而言,其改造成本较高,而移动数据的获取成本在逐年降低,因此,越来越多的监测项目采取无线传输的方式来降低施工复杂度。尽管如此,有线传输在两个方面仍然具备明显的优势:第一个方面是数据稳定性。有线方式比无线方式更加稳定可靠,特别是在高频大数据量传输时更加明显。第二个方面是专网传输。有线传输方式很容易实现专网部署和数据隔离,且成本低廉。无线传输方式虽然可以通过LoRa等技术实现专网,但部署复杂且成本较高。M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  无线传输方式分为无线局域网和无线广域网两大类。其中,无线局域网主要包括Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等方式,无线广域网主要包括2G/4G/5G、LoRa、NB-IoT等方式。新型无线传输技术能够覆盖更广阔的区域,适应更复杂的环境,尤其是近年来低功耗无线传输技术的快速发展,使其在水生态环境监测中具有更好的应用前景。在无线局域网中,Wi-Fi是使用比较普遍的通信方式。Wi-Fi传输速率较快,但通信距离短、范围小、功耗高,适用于小范围、近距离组网;与Wi-Fi相比,蓝牙的安全性相对较高,但传输速度过慢,适合短时、近距离组网;ZigBee功耗较低,同时具有多跳、自组织的特点,容易扩展传感器网络的覆盖范围,但其传输速率较慢。M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  在无线广域网中,低功率广域网络因具备功耗和运营成本低、节点容量大等优点,而得到了快速应用,主要以LoRa和NB-IoT为代表。其中:LoRa功耗低、续航时间长,适用于低成本、大数量连接; NB-IoT安全性较高,适用于超大数量连接。4G、5G移动通信技术使以图像、音频为代表的大文件传输成为现实,进一步扩充了信息的维度。无线传感器网络和卫星遥感的集成技术,则充分发挥了无线传感器网络获取局部地面信息的翔实性,以及遥感技术获取大面积环境信息的方便性。M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  (2)数据传输技术的选择M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  水生态环境感知仪器设备的类型多样,且其项目应用通常涉及地理范围广、系统结构复杂、运行效率要求高等情况,因而需根据项目的实际需求和现场情况,综合考虑仪器设备功耗、人员值守、数据流量等因素,进而选择高效、稳定、可靠的网络传输系统。下表总结了主要水生态环境监测设备适用的物联网传输方式。可见,无线传输方式可在构建广域、灵活的水生态环境日常监测和应急监测网络中发挥重要作用。M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

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  水生态环境监测设备适用的主要传输方式表M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  (3)数据传输安全技术M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  在水生态环境监测数据传输过程中,保障所获取数据的真实性、有效性和完整性,是后续实际应用的重要前提。数据传输安全是指在源头采集到的数据能够安全、可靠、稳定地传输到云端,包括数据传输链路安全、数据内容安全、数据完整性保证3个方面。M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  在数据传输过程中,目前多采用安全传输层协议(Transport Layer Security,TLS)进行传输链路加密,保障数据传输安全。随着加密算法的改进,TLS技术不断更新,使得加密速度更快,数据链路不容易被窃听,数据传输更加安全。M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  早期受到前端感知设备芯片性能的限制,不能对直接采集的数据进行实时加密,无法保障数据内容的安全性。后期随着嵌入式技术的发展,在采集设备上实现了采用高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)等对称加密技术来保障数据内容的安全。目前常采用AES128或AES256技术对采集到的数据进行实时加密。M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

  对于数据传输时遇到的断网、延迟等各种问题,物联网系统基于良好的确认和重发机制,能够保证每个数据片段不丢失、不乱序,使数据最大限度地安全到达云端,保证数据的完整性。但同时,确认和重发机制可能会影响物联网系统的响应速度和并发量,需要根据不同的应用场景找到最佳平衡点。M29新型光催化网_水库治理_河道治理_水生态修复_水环境治理与修复_江苏双良环境科技有限公司

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