《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃綱要(2020—2035年)》提出，地表水監(jiān)測(cè)要“逐步實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)向水生態(tài)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變”，“監(jiān)測(cè)手段從傳統(tǒng)手工監(jiān)測(cè)向天地一體、自動(dòng)智能、科學(xué)精細(xì)、集成聯(lián)動(dòng)的方向發(fā)展”。隨著傳感技術(shù)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于物聯(lián)網(wǎng)的水生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全方位、實(shí)時(shí)、高效的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為水生態(tài)環(huán)境監(jiān)管提供新的技術(shù)方法。下文介紹水生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)智慧監(jiān)測(cè)的傳輸技術(shù)[1]。
水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
(1)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的類型
有線傳輸方式在互聯(lián)網(wǎng)和政府專網(wǎng)均有應(yīng)用，主要通過(guò)光纖、以太網(wǎng)等有形媒質(zhì)傳送信息，且多用于傳統(tǒng)的固定式監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。有線傳輸方式需要施工安裝，對(duì)于老舊監(jiān)測(cè)設(shè)備而言，其改造成本較高，而移動(dòng)數(shù)據(jù)的獲取成本在逐年降低，因此，越來(lái)越多的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目采取無(wú)線傳輸?shù)姆绞絹?lái)降低施工復(fù)雜度。盡管如此，有線傳輸在兩個(gè)方面仍然具備明顯的優(yōu)勢(shì)：第一個(gè)方面是數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。有線方式比無(wú)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(shí)更加明顯。第二個(gè)方面是專網(wǎng)傳輸。有線傳輸方式很容易實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)部署和數(shù)據(jù)隔離，且成本低廉。無(wú)線傳輸方式雖然可以通過(guò)LoRa等技術(shù)實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)，但部署復(fù)雜且成本較高。
無(wú)線傳輸方式分為無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線廣域網(wǎng)兩大類。其中，無(wú)線局域網(wǎng)主要包括Wi-Fi、藍(lán)牙和ZigBee等方式，無(wú)線廣域網(wǎng)主要包括2G/4G/5G、LoRa、NB-IoT等方式。新型無(wú)線傳輸技術(shù)能夠覆蓋更廣闊的區(qū)域，適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，尤其是近年來(lái)低功耗無(wú)線傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，使其在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有更好的應(yīng)用前景。在無(wú)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(lán)牙的安全性相對(duì)較高，但傳輸速度過(guò)慢，適合短時(shí)、近距離組網(wǎng);ZigBee功耗較低，同時(shí)具有多跳、自組織的特點(diǎn)，容易擴(kuò)展傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，但其傳輸速率較慢。
在無(wú)線廣域網(wǎng)中，低功率廣域網(wǎng)絡(luò)因具備功耗和運(yùn)營(yíng)成本低、節(jié)點(diǎn)容量大等優(yōu)點(diǎn)，而得到了快速應(yīng)用，主要以LoRa和NB-IoT為代表。其中：LoRa功耗低、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，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(dòng)通信技術(shù)使以圖像、音頻為代表的大文件傳輸成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)充了信息的維度。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星遙感的集成技術(shù)，則充分發(fā)揮了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取局部地面信息的翔實(shí)性，以及遙感技術(shù)獲取大面積環(huán)境信息的方便性。
(2)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的選擇
水生態(tài)環(huán)境感知儀器設(shè)備的類型多樣，且其項(xiàng)目應(yīng)用通常涉及地理范圍廣、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行效率要求高等情況，因而需根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需求和現(xiàn)場(chǎng)情況，綜合考慮儀器設(shè)備功耗、人員值守、數(shù)據(jù)流量等因素，進(jìn)而選擇高效、穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。下表總結(jié)了主要水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備適用的物聯(lián)網(wǎng)傳輸方式?？梢姡瑹o(wú)線傳輸方式可在構(gòu)建廣域、靈活的水生態(tài)環(huán)境日常監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。
水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備適用的主要傳輸方式表
(3)數(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)
在水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，保障所獲取數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性和完整性，是后續(xù)實(shí)際應(yīng)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?，包括?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(gè)方面。
在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，目前多采用安全傳輸層協(xié)議(Transport Layer Security，TLS)進(jìn)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(jìn)，TLS技術(shù)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(shè)備芯片性能的限制，不能對(duì)直接采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密，無(wú)法保障數(shù)據(jù)內(nèi)容的安全性。后期隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，在采集設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard，AES)等對(duì)稱加密技術(shù)來(lái)保障數(shù)據(jù)內(nèi)容的安全。目前常采用AES128或AES256技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)加密。
對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遇到的斷網(wǎng)、延遲等各種問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)基于良好的確認(rèn)和重發(fā)機(jī)制，能夠保證每個(gè)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(dá)云端，保證數(shù)據(jù)的完整性。但同時(shí)，確認(rèn)和重發(fā)機(jī)制可能會(huì)影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和并發(fā)量，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景找到最佳平衡點(diǎn)。
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