畜禽物聯(lián)網(wǎng)理論、技術(shù)及應(yīng)用PPT 第1章 畜禽物聯(lián)網(wǎng)概述

畜禽物聯(lián)網(wǎng)概述第1章1.1畜禽物聯(lián)網(wǎng)的概念1.2畜禽物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 1.3畜禽物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù) 1.4畜禽物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景 1.5畜禽物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策 1.6畜禽物聯(lián)網(wǎng)安全

1.6.1畜禽物聯(lián)網(wǎng)安全問題

1.6.2畜禽物聯(lián)網(wǎng)安全關(guān)鍵技術(shù)

1.1畜禽物聯(lián)網(wǎng)的概念1.物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）這一概念由美國麻省理工學(xué)院的KevinAshton教授于1999年提出，最初是指基于射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò)，后來逐漸演變?yōu)橐环N涵蓋信息感知、傳輸、處理和應(yīng)用的跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的綜合性技術(shù)體系。2.畜禽物聯(lián)網(wǎng)畜禽物聯(lián)網(wǎng)指將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于畜禽業(yè)領(lǐng)域，包括畜禽養(yǎng)殖、養(yǎng)殖設(shè)備管理、畜產(chǎn)品加工、畜產(chǎn)品流通以及銷售管理等所有環(huán)節(jié)，集信息感知、無線傳輸、智能處理、預(yù)警發(fā)布、決策支持、遠程自動控制等功能于一體。通過傳感器感知、無線視頻監(jiān)控、北斗/GPS定位、區(qū)塊鏈、人工智能、云平臺大數(shù)據(jù)等方式獲取與養(yǎng)殖環(huán)境、畜禽生長狀況、養(yǎng)殖設(shè)備運行、畜產(chǎn)品加工、畜產(chǎn)品流通等相關(guān)的信息；以無線傳感網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等作為信息傳輸通道完成對信息的可靠傳輸；數(shù)據(jù)經(jīng)融合處理得出后，依據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果在終端管理平臺對環(huán)境、畜禽、設(shè)備、畜產(chǎn)品等進行科學(xué)管理，推動畜禽生產(chǎn)科學(xué)化、生產(chǎn)設(shè)備智能化、技術(shù)操作自動化、管理決策信息化，進而實現(xiàn)畜禽業(yè)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效、安全的發(fā)展目標(biāo)。1.2畜禽物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)畜禽物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1-1所示，它包含感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層。感知層利用傳感器、攝像頭、RFID、北斗/GPS、RS、二維碼等技術(shù)采集畜禽養(yǎng)殖場景的各種信息，包括環(huán)境條件、畜禽體征和產(chǎn)品狀態(tài)。傳輸層通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)向處理層的傳遞，利用ZigBee、Wi-Fi、RFID、藍牙等進行近距離傳輸，而GPRS、LoRa、4G、5G等用于遠距離傳輸。處理層接收數(shù)據(jù)進行存儲和分析，運用云計算、數(shù)據(jù)挖掘和視覺信息處理等關(guān)鍵技術(shù)，以滿足應(yīng)用層各種需求。應(yīng)用層直接服務(wù)終端用戶，構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測、畜禽養(yǎng)殖、疾病診斷、畜產(chǎn)品溯源等具體應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，為畜禽產(chǎn)業(yè)提供全方位支持。1.2畜禽物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖1-1畜禽物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)1.3畜禽物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)1.感知技術(shù)信息感知是實現(xiàn)畜禽物聯(lián)網(wǎng)智能信息化的基石。通過傳感器、無線視頻監(jiān)控、紅外探測、北斗/GPS等技術(shù)，建立監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，收集畜禽養(yǎng)殖環(huán)境和生長信息，為信息傳輸、處理和應(yīng)用提供原始數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確反映畜禽生產(chǎn)情況。2.通信及網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)畜禽物聯(lián)網(wǎng)利用通信和網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實時傳輸，確保傳輸過程不受干擾，為進行智能化分析打下基礎(chǔ)。短距離無線通信技術(shù)（如WLAN、ZigBee、RFID和藍牙）以及廣域網(wǎng)通信技術(shù)（如4G/5G移動通信、衛(wèi)星通信）共同將信息傳輸?shù)竭h程服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)根據(jù)實際應(yīng)用情況，采用靈活有效的組網(wǎng)方式，確保不同類型網(wǎng)絡(luò)的順暢融合。3.信息處理技術(shù)畜禽物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)、跨平臺和跨系統(tǒng)等特點，傳統(tǒng)技術(shù)難以處理這些數(shù)據(jù)。云計算、數(shù)據(jù)挖掘、優(yōu)化算法和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)為畜禽物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理提供支持。通過智能處理和分析海量數(shù)據(jù)，最終構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，滿足畜禽生產(chǎn)管理的需求。1.4畜禽物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景畜禽物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代化畜禽業(yè)發(fā)展的重要支撐，能為解決畜禽業(yè)痛點提供動力，為畜禽業(yè)打造增值空間。畜禽物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景包括：（1）環(huán)境監(jiān)測使用各類傳感器監(jiān)測畜禽養(yǎng)殖環(huán)境，實時獲取溫度、濕度、CO2、NH3、H2S和PM2.5等參數(shù)。通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)到處理中心，分析畜禽與環(huán)境關(guān)系，為調(diào)整養(yǎng)殖環(huán)境提供依據(jù)。（2）設(shè)備智能控制基于傳感器采集的環(huán)境和畜禽信息，系統(tǒng)自動發(fā)送指令給環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備和飼喂設(shè)備，創(chuàng)造適宜畜禽生長的條件，增加養(yǎng)殖量、調(diào)整生長周期、降低人工成本。（3）生長監(jiān)測通過傳感器、紅外探測器和攝像頭等監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測畜禽的生命體征和行為狀態(tài)。數(shù)據(jù)和視頻在系統(tǒng)管理平臺顯示，供養(yǎng)殖人員調(diào)整養(yǎng)殖環(huán)境，滿足畜禽生長需求。根據(jù)畜禽的實際情況，調(diào)整養(yǎng)殖方式、管理程序，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖。（4）個體編碼標(biāo)識使用RFID芯片對畜禽個體進行編碼標(biāo)識，將相關(guān)信息寫入芯片中，包括畜主信息、生理特征、養(yǎng)殖和免疫記錄等。養(yǎng)殖人員通過無線手持終端讀取RFID芯片信息，實現(xiàn)對個體的精準(zhǔn)管理，也可投入畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，實現(xiàn)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源。國內(nèi)企業(yè)已自主生產(chǎn)RFID芯片，打破了進口壟斷，降低了使用成本。1.4畜禽物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用場景（5）異常報警物聯(lián)網(wǎng)管理平臺與傳感器和環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備連接，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)超過設(shè)定范圍，預(yù)警系統(tǒng)通過短信或郵件發(fā)送報警，提醒養(yǎng)殖人員及時發(fā)現(xiàn)異常，分析原因并采取處理。系統(tǒng)還可根據(jù)報警信息智能控制環(huán)境設(shè)備，調(diào)整養(yǎng)殖環(huán)境。（6）數(shù)據(jù)分析與預(yù)算物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實時采集畜禽養(yǎng)殖過程數(shù)據(jù)，包括環(huán)境參數(shù)、生長情況、成本等，自動處理、分析和預(yù)算，生成直觀的圖表和報告。這些數(shù)據(jù)為環(huán)境調(diào)整、飼料和種源選擇提供參考。專家診斷系統(tǒng)通過感知設(shè)備分析畜禽生理狀況，提供健康問題的判斷和處理建議。（7）畜產(chǎn)品溯源利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對畜產(chǎn)品進行獨立標(biāo)識，監(jiān)控產(chǎn)業(yè)鏈每個環(huán)節(jié)，形成雙向質(zhì)量追溯體系。消費者通過掃描溯源碼或查詢網(wǎng)站獲取畜產(chǎn)品詳細信息，監(jiān)管部門和生產(chǎn)企業(yè)也可使用這種方式獲取溯源服務(wù)，確保畜產(chǎn)品質(zhì)量安全。1.5畜禽物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策2020年9月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于促進畜禽業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》。文件中提出要提升畜禽業(yè)信息化水平，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，智能化養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控、畜禽精準(zhǔn)飼喂、疫病監(jiān)測、畜產(chǎn)品追溯、市場動態(tài)跟蹤等方面。同時，加強畜禽業(yè)信息資源整合，推進養(yǎng)殖檔案電子化和全產(chǎn)業(yè)鏈信息化閉環(huán)管理，支持第三方機構(gòu)以信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)提供技術(shù)、營銷、金融等服務(wù)。早在2010年，國家商務(wù)部在十個地區(qū)進行了肉類蔬菜流通追溯體系建設(shè)試點，并頒布了《全國肉類蔬菜流通追溯體系建設(shè)規(guī)范（試行）》。文件推動了肉類蔬菜流通追溯體系試點建設(shè)，明確了試點工作任務(wù)和要求，規(guī)范了建設(shè)目標(biāo)、基本原則、總體框架、追溯流程等方面的內(nèi)容。其主要內(nèi)容包括：1.建設(shè)目標(biāo)在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)和發(fā)展現(xiàn)代流通方式的基礎(chǔ)上，憑借信息技術(shù)手段建設(shè)肉類蔬菜流通追溯體系。該追溯體系以中央、省、市三級核心追溯管理平臺連接生豬屠宰、批發(fā)、零售、消費各環(huán)節(jié)的追溯系統(tǒng)，重點保障追溯鏈條的完整性，實現(xiàn)肉類蔬菜來源、去向及責(zé)任主體的可追溯，讓政府、行業(yè)、消費者共同參與食品安全保障過程。2.基本原則肉類蔬菜流通追溯體系建設(shè)基本原則涉及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)模式、交易流程、目標(biāo)制定四個方面。（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范要求全部追溯體系建設(shè)試點城市應(yīng)遵循商務(wù)部制定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在追溯采集指標(biāo)、編碼規(guī)則、傳輸格式、接口規(guī)范、追溯規(guī)程五個方面保持一致，為信息互聯(lián)互通提供保障。（2）技術(shù)模式。綜合考慮技術(shù)成熟度和成本控制難度，主要以IC卡作為追溯信息傳遞載體，實現(xiàn)各流通節(jié)點的信息關(guān)聯(lián)。同時鼓勵各地區(qū)結(jié)合其實際條件，探索多元化的信息采集及傳遞模式，如RFID、CPU卡、條碼等，形成符合個體情況的信息化解決方案。1.5畜禽物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策（3）交易流程。推進交易流程信息化，如實行電子化結(jié)算，推行索證索票、購銷臺賬制度的電子化，建立法規(guī)制度加強對市場主體的管理，經(jīng)營者提高經(jīng)營管理自律水平，為行業(yè)管理和執(zhí)法監(jiān)管提供支撐。（4）目標(biāo)制定。以升級追溯技術(shù)、擴大追溯體系覆蓋面為主要目標(biāo)，在現(xiàn)階段的追溯體系建設(shè)過程中構(gòu)建合理的技術(shù)架構(gòu)，預(yù)留技術(shù)升級空間，同時加快發(fā)展現(xiàn)代流通方式，將流通環(huán)節(jié)一并納入追溯體系。3.總體框架整個肉類蔬菜流通追溯體系包含生豬來源、生豬屠宰、肉菜批發(fā)、肉菜零售、肉菜消費環(huán)節(jié)追溯子系統(tǒng)，城市追溯管理平臺，省級追溯管理平臺（視實際情況建設(shè)），中央追溯管理平臺，追溯信息逐級傳遞。肉類蔬菜追溯體系總體架構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2肉類蔬菜追溯體系總體架構(gòu)（1）中央追溯管理平臺。中央追溯管理平臺作為追溯體系運行指揮調(diào)度中心、試點城市間的信息交換中心和全國追溯信息集中管理中心，發(fā)揮全國流通節(jié)點主體信息匯總、各試點城市追溯信息匯總、試點城市管理考核、全國追溯信息綜合分析利用、公共信息服務(wù)提供的功能。（2）省級追溯管理平臺。省級追溯管理平臺負責(zé)監(jiān)控本省試點城市追溯體系運行情況，承擔(dān)全省追溯數(shù)據(jù)匯總、相關(guān)數(shù)據(jù)開發(fā)利用、城市監(jiān)督考核的功能。該平臺建設(shè)與否取決于省內(nèi)追溯體系建設(shè)城市數(shù)量和實際工作需求。（3）城市追溯管理平臺。城市追溯管理平臺作為城市追溯信息的集中管理中心和追溯體系運行控制中心，與中央、省級追溯管理平臺以及各流通節(jié)點追溯子系統(tǒng)互聯(lián)互通，具備匯總?cè)辛魍ü?jié)點主體信息、匯總?cè)凶匪菪畔?、支持?yīng)急事件快速處置、監(jiān)控管理各流通節(jié)點、綜合分析利用城市追溯信息、提供綜合信息服務(wù)的功能。（4）流通節(jié)點追溯子系統(tǒng)。流通節(jié)點追溯子系統(tǒng)包含生豬屠宰環(huán)節(jié)追溯子系統(tǒng)、肉類蔬菜批發(fā)環(huán)節(jié)追溯子系統(tǒng)、肉類蔬菜零售環(huán)節(jié)追溯子系統(tǒng)、消費環(huán)節(jié)追溯子系統(tǒng)、“產(chǎn)銷對接”核心企業(yè)追溯子系統(tǒng)，與城市追溯管理平臺連接，發(fā)揮規(guī)范各個環(huán)節(jié)交易流程的作用。1.5畜禽物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策1.5畜禽物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)政策4.追溯流程（1）生豬屠宰環(huán)節(jié)追溯。該追溯環(huán)節(jié)以移動式或固定式追溯信息讀寫機具作為信息錄入設(shè)備，覆蓋生豬進廠、屠宰、檢疫、檢驗、肉品出廠等重要環(huán)節(jié)。（2）肉類蔬菜批發(fā)環(huán)節(jié)追溯。該追溯環(huán)節(jié)以移動式追溯信息讀寫機具為錄入設(shè)備，以智能溯源秤或標(biāo)簽電子秤作為輸出設(shè)備，覆蓋肉類蔬菜進場、監(jiān)測、交易、結(jié)算等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。（3）肉類蔬菜零售環(huán)節(jié)追溯。該追溯環(huán)節(jié)以智能溯源秤或標(biāo)簽電子秤作為信息對稱控制手段，包含入場攤戶備案、肉類蔬菜入場確認(rèn)、肉類蔬菜檢測登記、肉類蔬菜交易打單、信息傳送等環(huán)節(jié)。（4）消費環(huán)節(jié)追溯。該環(huán)節(jié)主要承擔(dān)消費者信息查詢和團體消費管理功能，消費者信息查詢通過在零售市場安裝專用查詢終端，開通短信、互聯(lián)網(wǎng)、熱線電話等查詢通道得以實現(xiàn)；團體消費管理的核心是進貨驗收。（5）“產(chǎn)銷對接”核心企業(yè)追溯?！爱a(chǎn)銷對接”核心企業(yè)主要指全產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)、配送企業(yè)等，按照統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采集肉類蔬菜流通信息，按要求在規(guī)定時間內(nèi)傳送至城市追溯管理平臺。1.6畜禽物聯(lián)網(wǎng)安全1.6.1畜禽物聯(lián)網(wǎng)安全問題物聯(lián)網(wǎng)在畜禽業(yè)中涉及多種智能終端，用于實現(xiàn)畜禽間的通信。畜禽物聯(lián)網(wǎng)的安全基于整體架構(gòu)，涉及感知層、傳輸層和應(yīng)用層的安全保障。具體包括確保實體設(shè)備的安全、維護信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)融合的穩(wěn)定性、保障信息的完整性和機密性，以及保持應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和容錯性。1.感知層的安全物聯(lián)網(wǎng)信息采集是信息應(yīng)用的前提，畜禽物聯(lián)網(wǎng)通過感知設(shè)備如傳感器、攝像頭、RFID、GPS等收集外界信息。這些設(shè)備以多源異構(gòu)、相互獨立而相互關(guān)聯(lián)的節(jié)點形式廣泛部署，功能相對單一，能量有限，缺乏防護體系，易受攻擊。為保障感知節(jié)點免受外界攻擊，需要建立安全防護機制。同時，在自組網(wǎng)內(nèi)部的信息傳輸也需要設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)以確保安全。在設(shè)備的物理安全方面，需防止設(shè)備被畜禽破壞、受電磁干擾、腐蝕，提高環(huán)境可靠性，防盜和防人為破壞。1.6畜禽物聯(lián)網(wǎng)安全2.傳輸層的安全傳輸網(wǎng)絡(luò)正常進行信息傳輸是實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的前提。雖然安全防護機制提高了傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全性，但可能面臨分布式拒絕服務(wù)攻擊（DDoS）和數(shù)據(jù)流失等問題，特別是在畜禽物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模和集群部署方式的影響下。不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之間的信息傳遞可能涉及協(xié)議轉(zhuǎn)換、跨網(wǎng)認(rèn)證等安全問題。此外，傳輸層還可能受到非法接入、數(shù)據(jù)竊取和病毒入侵等威脅。3.應(yīng)用層的安全畜禽物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層直接服務(wù)終端用戶，負責(zé)分析、處理接收到的信息，并進行決策和應(yīng)用。在應(yīng)用層安全方面，關(guān)鍵是確保數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)安全。這包括設(shè)置嚴(yán)格的訪問權(quán)限以保護共享數(shù)據(jù)、保障登錄系統(tǒng)用戶隱私信息安全、完善系統(tǒng)認(rèn)證機制以強化對身份認(rèn)證的審核和控制，以及保護應(yīng)用系統(tǒng)及軟件的知識產(chǎn)權(quán)免受侵犯。1.6畜禽物聯(lián)網(wǎng)安全1.6.2畜禽物聯(lián)網(wǎng)安全關(guān)鍵技術(shù)1.認(rèn)證技術(shù)在畜禽物聯(lián)網(wǎng)中，身份和消息是關(guān)鍵認(rèn)證內(nèi)容。身份認(rèn)證主要在感知層和應(yīng)用層進行，是維護信息安全的首要防線，也是應(yīng)用層安全的基礎(chǔ)。通常使用特定信息、物品或生物特征進行身份認(rèn)證，確保訪問者具有可對應(yīng)的物理身份和數(shù)字身份，為終端用戶安全接入提供保障，防范非法訪問。為防止消息在傳輸中被偽造、篡改，保護通信雙方免受攻擊，需要進行消息認(rèn)證。消息認(rèn)證通常通過消息加密函數(shù)、消息認(rèn)證碼（MAC）或散列函數(shù)實現(xiàn)，其中基于散列函數(shù)的方式廣泛應(yīng)用且效果理想。通過散列函數(shù)將原始消息轉(zhuǎn)換成唯一對應(yīng)的消息摘要，接收消息時驗證兩者是否對應(yīng)，以判斷消息是否被破壞。消息摘要的生成和驗證能有效鑒別消息的完整性和真實性，從而防范攻擊。1.6畜禽物聯(lián)網(wǎng)安全2.加密技術(shù)數(shù)據(jù)加密是信息轉(zhuǎn)換的過程，通過加密使數(shù)據(jù)失去可識讀性，解密則還原數(shù)據(jù)的意義，整個過程由密鑰控制。加密技術(shù)主要有對稱加密和非對稱加密。對稱加