GPON網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用
——以福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院漁溪現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)科技示范園為例

鄭海新

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福建 福州 350003)

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展越來(lái)越依靠信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，當(dāng)今通訊網(wǎng)絡(luò)的普及使這些技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用在各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中?，F(xiàn)代智能化生產(chǎn)方式的發(fā)展將影響并帶動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式產(chǎn)生變革，具有重大的推廣意義[1]，現(xiàn)階段通訊網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)智能化主要途徑之一。在漁溪示范園設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)園區(qū)設(shè)施達(dá)到一定規(guī)模后，傳統(tǒng)的基于以太網(wǎng)的局域網(wǎng)不能很好的滿(mǎn)足園區(qū)的發(fā)展和應(yīng)用，GPON網(wǎng)絡(luò)則是更適合園區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用和推廣的網(wǎng)絡(luò)。

1 GPON網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀

PON(Passive Optical Network)是無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)商光纖到戶(hù)等業(yè)務(wù)，PON由局端的OLT(光線(xiàn)路終端)、用戶(hù)側(cè)的ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)以及ODN(光分配網(wǎng)絡(luò))組成。

GPON(Gigabit-Capable PON)技術(shù)是基于ITU-TG.984.x標(biāo)準(zhǔn)的最新一代寬帶無(wú)源光綜合接入標(biāo)準(zhǔn)[2]，2002年提出，至2004年完成了G.984.3的標(biāo)準(zhǔn)化。2006年起開(kāi)始試商用，GPON技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)今其最高速率已從2.488 G發(fā)展到10 G，出現(xiàn)匯聚型的OLT設(shè)備，集合了交換、路由功能。

GPON支持的豐富業(yè)務(wù)類(lèi)型包括數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(Ethernet 業(yè)務(wù)，包括IP業(yè)務(wù)和MPEG視頻流)、PSTN業(yè)務(wù)、專(zhuān)用線(xiàn)和數(shù)字視頻業(yè)務(wù)。對(duì)各種業(yè)務(wù)類(lèi)型都能提供相應(yīng)的QoS保證。我國(guó)從2010年三網(wǎng)融合實(shí)施起，PON開(kāi)始廣泛應(yīng)用，但主要用戶(hù)還是運(yùn)營(yíng)商，在局域網(wǎng)的應(yīng)用并不多。

2 GPON技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

一個(gè)現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)示范園的建設(shè)離不開(kāi)先進(jìn)的信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，為使示范園區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)的信息化、自動(dòng)化、產(chǎn)業(yè)化能順利實(shí)施，建設(shè)適合智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、應(yīng)用、推廣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)尤為重要。

2.1 園區(qū)簡(jiǎn)介

漁溪現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)科技示范園是福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院與部隊(duì)、企業(yè)警民共建的項(xiàng)目，是福建省設(shè)施農(nóng)業(yè)樣板工程示范基地，規(guī)劃20個(gè)示范區(qū)域9個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)示范項(xiàng)目，園區(qū)致力實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化、管理自動(dòng)化、收獲機(jī)械化、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 園區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的網(wǎng)絡(luò)需求分析

漁溪現(xiàn)代化的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，規(guī)?；瞧渲饕攸c(diǎn)，如設(shè)施種苗繁育及蔬菜栽培生產(chǎn)基地一個(gè)大棚就占地1 hm2。在這樣大或更大的一個(gè)生產(chǎn)基地中需要分布眾多的環(huán)境監(jiān)控采集的傳感器、監(jiān)控設(shè)備，生產(chǎn)控制等系統(tǒng)的設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等。

在現(xiàn)代化的設(shè)施農(nóng)業(yè)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，要求網(wǎng)絡(luò)延時(shí)低，使環(huán)境控制系統(tǒng)能及時(shí)調(diào)整，如水肥自動(dòng)灌溉系統(tǒng)、飼料投放系統(tǒng)等在與總控中心系統(tǒng)、人工專(zhuān)家系統(tǒng)交互時(shí)需要網(wǎng)絡(luò)連接可靠，以便能根據(jù)接收信息決策如何運(yùn)行或接收外部的指令運(yùn)行，生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)則要求網(wǎng)絡(luò)帶寬大，視頻能流暢的傳輸?shù)?。監(jiān)控探頭、采集傳感器等設(shè)備部署具有動(dòng)態(tài)性，節(jié)點(diǎn)可能需要根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況移動(dòng)或增加。

2.3 存在問(wèn)題

在使用傳統(tǒng)100 M以太網(wǎng)作為示范園區(qū)網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，園區(qū)占地范圍廣，項(xiàng)目規(guī)模擴(kuò)大后，很難確定一個(gè)中心的位置部署交換機(jī)，傳感器、監(jiān)控設(shè)備分布分散、距離遠(yuǎn)，而且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中很多位置因溫度、供電等等因素也不適宜安裝交換機(jī)，網(wǎng)線(xiàn)的連接受傳輸距離限制，在網(wǎng)線(xiàn)不能到達(dá)的節(jié)點(diǎn)還需要使用光纖來(lái)連接，需要在交換機(jī)和節(jié)點(diǎn)間配置光收發(fā)設(shè)備，增加了設(shè)備的維護(hù)量，使用時(shí)眾多的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不均衡的分布在網(wǎng)絡(luò)中，交換機(jī)性能?chē)?yán)重受影響。采用無(wú)線(xiàn)連接，無(wú)線(xiàn)覆蓋范圍有限，時(shí)延也大，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)受周?chē)h(huán)境影響干擾、帶寬不穩(wěn)定，視頻傳輸效果不好。

2.4 GPON解決方案

采用GPON技術(shù)來(lái)構(gòu)建示范園區(qū)網(wǎng)絡(luò)，可以很好解決上述在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中網(wǎng)點(diǎn)分布廣、接入設(shè)備安裝選址難，帶寬需求高，安裝環(huán)境受限及維護(hù)管理困難的問(wèn)題。

2.4.1 整體方案概述 方案確定在示范園區(qū)的管控中心安裝匯聚型OLT設(shè)備，安裝GPON業(yè)務(wù)板，通過(guò)光纖連接到各設(shè)施農(nóng)業(yè)示范區(qū)域的光纖交接箱，交接箱中通過(guò)光分路器將主干光纖分光再用光纖接到各節(jié)點(diǎn)，部分節(jié)點(diǎn)分布更分散的區(qū)域采用二級(jí)分光，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的用戶(hù)端使用ONT設(shè)備，在節(jié)點(diǎn)分布密集且適合使用雙絞線(xiàn)的區(qū)域采用MDU設(shè)備，各節(jié)點(diǎn)用雙絞線(xiàn)連接到MDU設(shè)備。所有用戶(hù)端設(shè)備由OLT管理，用戶(hù)上網(wǎng)通過(guò)寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器管理。

2.4.2 GPON應(yīng)用分析 首先，在OLT設(shè)備性能和管理上，華為SmartAX MA5680T模塊化設(shè)計(jì)集合了光接入、數(shù)據(jù)交換和路由功能，具有3.2 T背板容量，交換容量達(dá)到960 G，網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)不再需要其他交換機(jī)。所有設(shè)備的配置全由局端下發(fā)，不需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，所有連接線(xiàn)路中間無(wú)有源設(shè)備，便于維護(hù)。GPON上行2.488 Gbit/s，上行1.244 Gbit/s的速率保證了局域網(wǎng)的連接帶寬，足夠的大的背板和交換容量確保了網(wǎng)絡(luò)性能。

其次，GPON網(wǎng)絡(luò)是點(diǎn)到多點(diǎn)的樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ONU接口多樣性讓網(wǎng)絡(luò)部署更為靈活。在節(jié)點(diǎn)密集的地方采用FTTB方式使用MDU設(shè)備連接，華為MA5626可以提供多達(dá)24個(gè)以太網(wǎng)接口；在單一節(jié)點(diǎn)或少量節(jié)點(diǎn)聚集的地方采用FTTH的方式通過(guò)光貓華為HG8020連接，最多能提供4個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。再次，GPON網(wǎng)絡(luò)采用的光纖是普通符合ITU-T G.652要求的單模光纖，在示范園網(wǎng)絡(luò)改為GPON網(wǎng)絡(luò)時(shí)可以和現(xiàn)有的光纖線(xiàn)路對(duì)接。GPON理論上支持60km的傳輸距離，分光比最大支持1∶128，10 km以?xún)?nèi)分光比至少能達(dá)到1∶32，距離20 km以?xún)?nèi)時(shí)分光比至少能達(dá)到1∶16，能充分利用光纖資源。1臺(tái)MA5680T設(shè)備理論上最多支持16384個(gè)ONT設(shè)備，實(shí)際應(yīng)用通常達(dá)到5000個(gè)是沒(méi)有問(wèn)題的，現(xiàn)有園區(qū)規(guī)劃遠(yuǎn)未達(dá)到這規(guī)模，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用1∶32的分光比，二級(jí)分光時(shí)使用1∶4和1∶8分光比，園區(qū)從總控中心到各節(jié)點(diǎn)距離小于10 km，ODN光鏈路衰減值=光纖富余度2 dB+光分路器插衰18 dB+光纖衰減2 dB+連接器插入衰減總和3 dB=25 dB，Class B+的模塊接收靈敏度-28 dB，使用Class B+模塊即可實(shí)現(xiàn)覆蓋園區(qū)整個(gè)區(qū)域。GPON是無(wú)源的光網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中間部分不需要有源設(shè)備，不需考慮設(shè)備的供電，各處設(shè)施農(nóng)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點(diǎn)部署簡(jiǎn)單，從光纖分接箱接出光纖即可，可以方便的部署到任何地方，減少了建設(shè)的復(fù)雜度。

最后，在造價(jià)上，現(xiàn)在隨著光纖及光器件生產(chǎn)技術(shù)的成熟，相關(guān)設(shè)備材料的越來(lái)越低，為打造光網(wǎng)絡(luò)提供了很好的基礎(chǔ)；模塊化設(shè)計(jì)的OLT設(shè)備可以按需配置板卡，節(jié)省投資，且網(wǎng)絡(luò)中不需要再配備眾多的接入交換機(jī)，可以節(jié)約運(yùn)維成本?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源可能很好的被利用，節(jié)省了投資。在對(duì)舊網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)建時(shí)，對(duì)采用GPON網(wǎng)絡(luò)等幾種可能的方案其所需設(shè)備預(yù)算，并根據(jù)規(guī)模和造價(jià)進(jìn)行對(duì)比如圖1，可以看到在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到一定規(guī)模后GPON方案的價(jià)格越來(lái)越有優(yōu)勢(shì)。

圖1 接入網(wǎng)絡(luò)主要設(shè)備規(guī)模造價(jià)對(duì)比

2.5 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

該方案建成后實(shí)現(xiàn)千兆的連接速率，將能極大的保證設(shè)施農(nóng)業(yè)各系統(tǒng)與總控生產(chǎn)中心的連接，提供穩(wěn)定的連接，使各生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的部署既可靠又靈活。視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠保證有1 G的速率連接到總控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于目前4 M的高清碼率，能夠保證足夠多路的視頻通訊暢通，使總控中心能更好的觀(guān)察生產(chǎn)情況。足夠的背板帶寬足以滿(mǎn)足日后可能的擴(kuò)展，OLT的多業(yè)務(wù)能力，使其還有能力充分利用光纖進(jìn)行異步的數(shù)據(jù)傳輸。生產(chǎn)控制系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到總控系統(tǒng)，總控系統(tǒng)負(fù)責(zé)各傳感器采集數(shù)據(jù)的分析，通過(guò)GPON網(wǎng)絡(luò)可以將串行的采集控制線(xiàn)路轉(zhuǎn)換為直接的網(wǎng)絡(luò)連接，避免了輪詢(xún)方式的延時(shí)，提高了系統(tǒng)的靈敏性。

3 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，GPON網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建簡(jiǎn)單適合在園區(qū)現(xiàn)代化的設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用，無(wú)源的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備方便在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中部署，不易受到自然環(huán)境等因素的影響，減少維護(hù)難度和維護(hù)量，以光纖作為傳輸介質(zhì)，解決了傳輸距離遠(yuǎn)的問(wèn)題，GPON復(fù)用光纖的技術(shù)使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能具有很高的帶寬，這些特點(diǎn)很好的解決了設(shè)施農(nóng)業(yè)上網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，使設(shè)施農(nóng)業(yè)上管理、生產(chǎn)等系統(tǒng)的充分發(fā)揮應(yīng)有效用。

在信息化的時(shí)代，農(nóng)業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展及規(guī)?；a(chǎn)提高效益將會(huì)使一些具有規(guī)模的農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)企、合作社乃至個(gè)人加入到設(shè)施農(nóng)業(yè)的使用隊(duì)伍中，GPON網(wǎng)絡(luò)為其應(yīng)用找到一個(gè)良好的使用平臺(tái)，性能高、易使用維護(hù)、造價(jià)低。本方案作為GPON網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用案例，適合在設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)中推廣應(yīng)用，GPON網(wǎng)絡(luò)這些特點(diǎn)同樣使其適合在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域部署，對(duì)解決了困擾我們的農(nóng)村信息化“最后一公里接入”問(wèn)題和農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集問(wèn)題具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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