面向異構(gòu)平臺(tái)的谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)采集及實(shí)現(xiàn)

鄭立華，郭 享，李民贊，李新成，陳 元，肖昌一

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

面向異構(gòu)平臺(tái)的谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)采集及實(shí)現(xiàn)

鄭立華，郭 享，李民贊※，李新成，陳 元，肖昌一

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

為了實(shí)現(xiàn)谷物現(xiàn)場測產(chǎn)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并向測產(chǎn)服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳遞，以滿足各種終端設(shè)備對數(shù)據(jù)的訪問需求，采用Web技術(shù)開發(fā)了谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)、移動(dòng)終端和服務(wù)器等異構(gòu)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互和共享。測產(chǎn)數(shù)據(jù)由裝載在現(xiàn)場聯(lián)合收割機(jī)上的工控機(jī)實(shí)時(shí)采集，利用無線通訊技術(shù)通過Socket連接服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器端按照數(shù)據(jù)交換協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、產(chǎn)量計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和可視化。測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)由基于SOAP（simple object access protocol）協(xié)議的Web Service接口提供。該文采用GZIP（GNUzip）壓縮技術(shù)降低測產(chǎn)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)時(shí)的帶寬消耗，由數(shù)字簽名和信息加密技術(shù)保障數(shù)據(jù)安全。測產(chǎn)實(shí)踐表明，該數(shù)據(jù)采集和服務(wù)平臺(tái)能夠高效地接收處理實(shí)時(shí)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化、計(jì)算以及數(shù)據(jù)推送，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)平臺(tái)之間數(shù)據(jù)交互和共享。

谷物；Web Service；數(shù)據(jù)可視化；測產(chǎn)；工控機(jī)；SOAP

0 引言

近年來，中國積極發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的管理方式將逐步被精細(xì)農(nóng)業(yè)取代，精細(xì)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的使用率逐漸提高，通過地球空間信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助決策技術(shù)、農(nóng)業(yè)工程技術(shù)等現(xiàn)代高新科技信息技術(shù)的輔助，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田信息數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和處理[1-2]。為使數(shù)據(jù)得到高效利用，充分展現(xiàn)其價(jià)值，機(jī)械裝備上配置的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，同時(shí)也要求服務(wù)端為手機(jī)，PDA（personal digital assistant）等移動(dòng)終端提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。但是，不同廠家生產(chǎn)的手機(jī)、PDA等移動(dòng)終端以及固定終端的開發(fā)平臺(tái)可能不同，為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)通信，可采用DCOM （distributed component object model）、CORBA（common object request breaker architecture）、Web Service等技術(shù)[3-6]。其中DCOM技術(shù)的部署主要依賴于微軟平臺(tái)，并且它不能夠輕易地穿越不同企業(yè)的防火墻；CORBA架構(gòu)復(fù)雜，由不同廠商提供的產(chǎn)品不能把互操作性擴(kuò)展到更高級別的服務(wù)中[7]。與DCOM和CORBA相比，Web Service使用文檔樣式提供了更加靈活的消息模式[8]。Web Service是部署在網(wǎng)絡(luò)上的對象組件，讓應(yīng)用程序可以透明地調(diào)用互聯(lián)網(wǎng)的程序以及共享數(shù)據(jù)信息，它具有跨平臺(tái)的特性[9]?？梢?，Web Service技術(shù)規(guī)避了異構(gòu)平臺(tái)及其實(shí)現(xiàn)的差異并將其統(tǒng)一在技術(shù)層面上。目前，國內(nèi)外大部分?jǐn)?shù)據(jù)交換系統(tǒng)通常按照自有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，沒有采用通用的技術(shù)和架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，通用性差，系統(tǒng)各模塊間的耦合程度非常高，數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)的維護(hù)和修改較困難，維護(hù)成本較高[10]。Web Service技術(shù)的興起將促進(jìn)異構(gòu)系統(tǒng)跨互聯(lián)網(wǎng)的集成及數(shù)據(jù)交互和共享，不同系統(tǒng)使用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)，各個(gè)供應(yīng)商使用Web服務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)互操作，提高通用性，這將為各個(gè)技術(shù)提供商大幅節(jié)省研發(fā)成本。

在精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中，農(nóng)田作物產(chǎn)量信息的采集是實(shí)施精細(xì)農(nóng)業(yè)的前提以及進(jìn)行農(nóng)田信息管理與決策的核心。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)研究實(shí)踐的逐步深入，農(nóng)田作物產(chǎn)量信息的采集已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)[11-13]，但是關(guān)于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)交互的研究較少，大都是在收獲現(xiàn)場采集產(chǎn)量信息結(jié)束后，手動(dòng)將工控機(jī)上的數(shù)據(jù)信息拷貝到服務(wù)器，進(jìn)而在服務(wù)器端進(jìn)行產(chǎn)量信息的管理與決策。這種方式效率低，無法實(shí)現(xiàn)對測產(chǎn)現(xiàn)場情況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，且無法在測產(chǎn)進(jìn)行的同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)布到云端供其他終端訪問。而測產(chǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程快速獲取是農(nóng)場主迫切需要掌控的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。因此有必要開發(fā)測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能夠遠(yuǎn)程接收由工控機(jī)上傳的測產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)還提供產(chǎn)量信息發(fā)布服務(wù)，保證用戶能夠通過各種終端設(shè)備訪問到測產(chǎn)數(shù)據(jù)。

隨著信息化技術(shù)向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的快速滲透和深度參與，農(nóng)業(yè)科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到了ICT（information and communication technology）技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要性[14-15]，以及將這些技術(shù)在具有大數(shù)據(jù)特質(zhì)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域集成應(yīng)用時(shí)所面臨的安全性問題[16-18]和性能問題[19-20]。本文基于WebGIS[21]技術(shù)構(gòu)建了谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和服務(wù)系統(tǒng)，通過Web Service技術(shù)在應(yīng)用層面上封裝數(shù)據(jù)，依靠預(yù)先達(dá)成一致的Web服務(wù)規(guī)范提供服務(wù)，以期實(shí)現(xiàn)工控機(jī)、移動(dòng)終端和服務(wù)器等異構(gòu)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互和共享，完成無縫的系統(tǒng)對話，保證系統(tǒng)的松耦合和可移植性，并通過引入適當(dāng)?shù)膲嚎s技術(shù)以及加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程終端對谷物測產(chǎn)過程和數(shù)據(jù)的安全高效監(jiān)察。

1 系統(tǒng)框架

為實(shí)時(shí)采集農(nóng)田現(xiàn)場谷物產(chǎn)量相關(guān)信息，在谷物收割機(jī)上安裝谷物信息采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CAN-Bus （controller area network bus）組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，連接測產(chǎn)所需的各種傳感器：雙板差分流量傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、地速傳感器、升運(yùn)器轉(zhuǎn)速傳感器和割臺(tái)高度傳感器等。谷物信息采集系統(tǒng)每隔1 s采集一次傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并根據(jù)各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)量計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

由于測產(chǎn)數(shù)據(jù)量大，而工控機(jī)的運(yùn)算及存儲(chǔ)能力有限，因此有必要將采集到的測產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到測產(chǎn)服務(wù)端，并在服務(wù)端對數(shù)據(jù)進(jìn)行更復(fù)雜的操作和使用。本研究中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端測產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集接口以及測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)接口。測產(chǎn)工控機(jī)通過GPRS（general packet radio service）模塊與谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至服務(wù)器監(jiān)聽端口；谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)解析接收到的測產(chǎn)數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行處理分析等操作。同時(shí)，谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)還發(fā)布了查詢農(nóng)場、地塊及其產(chǎn)量信息的WSDL（web services description language）服務(wù)，PDA、智能手機(jī)等移動(dòng)終端均可通過訪問該Web服務(wù)獲取所需要的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)跟蹤分析等操作。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of the system

1.1 谷物測產(chǎn)服務(wù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)谷物信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端對谷物測產(chǎn)過程和數(shù)據(jù)的監(jiān)察，采用Web Service技術(shù)，基于Java，使用Struts2架構(gòu)，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對服務(wù)進(jìn)行定義，為固定或移動(dòng)終端提供用戶驗(yàn)證、數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)訪問等功能，實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)、移動(dòng)終端和服務(wù)器等異構(gòu)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互和共享，以期高效準(zhǔn)確地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和實(shí)施最優(yōu)化的作物生產(chǎn)管理。谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)支持各種常用瀏覽器，主要包括用戶管理員賬戶管理、新聞公告信息發(fā)布管理、資料文件上傳和下載管理、農(nóng)場和地塊信息管理、測產(chǎn)數(shù)據(jù)接收和處理管理、測產(chǎn)GIS（geographic information system）信息管理以及車輛跟蹤等9個(gè)模塊?，F(xiàn)場谷物信息采集系統(tǒng)為谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集谷物產(chǎn)量測定過程中的GPS信息以及各種傳感器數(shù)據(jù)。手機(jī)等客戶端通過訪問服務(wù)端提供的Web服務(wù)，登錄服務(wù)系統(tǒng)，獲取農(nóng)場、地塊、產(chǎn)量數(shù)據(jù)、產(chǎn)量GIS數(shù)據(jù)等信息。谷物測產(chǎn)服務(wù)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 谷物測產(chǎn)服務(wù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of grain yield service platform

從圖2可以看出，服務(wù)端和客戶端完全可能部署于不同的平臺(tái)（如Linux、Windows、Android等）之上，采用不同的開發(fā)技術(shù)（如Java、C++等）和開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。目前實(shí)現(xiàn)的服務(wù)端（Linux操作系統(tǒng)）采用Java開發(fā)，工控機(jī)客戶端（Windows操作系統(tǒng)）采用C++開發(fā)，手機(jī)移動(dòng)客戶端（Android操作系統(tǒng)）采用Java開發(fā)。為解決這些異構(gòu)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互、共享問題，采用了Web Service技術(shù)統(tǒng)一了數(shù)據(jù)接入界面，提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。

1.2 異構(gòu)平臺(tái)測產(chǎn)數(shù)據(jù)共享方案

為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)測產(chǎn)數(shù)據(jù)共享和交互，本系統(tǒng)采用Web服務(wù)技術(shù)。測產(chǎn)工控機(jī)通過GPRS每1 s向服務(wù)器發(fā)送測產(chǎn)數(shù)據(jù)，服務(wù)器通過特定端口讀取這些數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)保存至測產(chǎn)數(shù)據(jù)庫?？蛻舳藙t通過其Internet接入鏈路從測產(chǎn)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)服務(wù)，服務(wù)器通過Web Service接口向各種終端提供XML（extensive makeup language）通用數(shù)據(jù)。

1.2.1 基于Socket的測產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集

當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其裝載的工控機(jī)會(huì)將現(xiàn)場采集到的測產(chǎn)數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行打包并上傳。測產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集流程如圖3所示。

圖3 測產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集流程圖Fig.3 Flow chart of yield data real-time acquisition

收割機(jī)機(jī)載工控機(jī)通過GPS（global position system）接收機(jī)接收GPS數(shù)據(jù)，連同通過CAN總線實(shí)時(shí)采集到的測產(chǎn)相關(guān)信息一起打包成一條數(shù)據(jù)，按字節(jié)流通過GPRS發(fā)送給測產(chǎn)服務(wù)器。打包數(shù)據(jù)格式為：標(biāo)識(shí)符，時(shí)間，緯度值，緯度標(biāo)識(shí)符，經(jīng)度值，經(jīng)度標(biāo)識(shí)符，點(diǎn)產(chǎn)量電壓值（V），濕度（%），溫度（℃），地速（m/h），升運(yùn)器轉(zhuǎn)速（m/h），農(nóng)場ID，地塊ID。工控機(jī)和測產(chǎn)服務(wù)器之間的通訊數(shù)據(jù)實(shí)例如下：

$GPGGA,000823,3696.4149,N,11797.9723,E,0.456, 6.62,17,1.294,12,F00001,P00001

1.2.2 基于SOAP的測產(chǎn)數(shù)據(jù)定制服務(wù)

Web Service具有透明性和松耦合性，屏蔽了業(yè)務(wù)邏輯的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的多樣性，它通過WSDL完成標(biāo)準(zhǔn)輸出接口的定義，利用SOAP協(xié)議統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互格式，避免了不同協(xié)議之間轉(zhuǎn)換的麻煩，各種客戶終端（如智能手機(jī)、PDA、平板電腦、臺(tái)式機(jī)等）通過URL（uniform resource location）地址訪問WSDL，獲得這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸出接口，調(diào)用服務(wù)器端公開的服務(wù)，生成SOAP消息。為保證SOAP消息的安全性，研究采用AES（advanced encryption standard）加密標(biāo)準(zhǔn)將SOAP消息加密，保證了消息的隱蔽性。然后，使用數(shù)字簽名技術(shù)對SOAP消息進(jìn)行數(shù)字簽名，以保障數(shù)據(jù)的不可更改性。最后，為提高SOAP消息在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸效率，采用GZIP （GNUzip）技術(shù)將SOAP消息數(shù)據(jù)包進(jìn)行壓縮。服務(wù)器端提供Web Service測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)的工作流程如圖4所示。

圖4 測產(chǎn)Web Service工作流程Fig.4 Working flow of yield Web Service

2 測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)安全機(jī)制

對于用戶來說，產(chǎn)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)安全至關(guān)重要。而由于Web Service是向Internet開放的服務(wù)，這使得服務(wù)提供方的數(shù)據(jù)存在不確定的安全隱患，包括數(shù)據(jù)信息盜取、欺詐和破壞等。這些潛在的威脅，凸顯出測產(chǎn)數(shù)據(jù)安全保障的必要性和重要性。

要保證測產(chǎn)數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會(huì)被竊聽者得知數(shù)據(jù)內(nèi)容，本研究使用AES對測產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，網(wǎng)絡(luò)中傳輸被加密的、不易破解的測產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，從而起到保護(hù)測產(chǎn)數(shù)據(jù)信息安全的作用。同時(shí)，保證測產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性也是及其重要的。針對SOAP安全需求特點(diǎn)，本研究使用數(shù)字簽名技術(shù)提供對測產(chǎn)數(shù)據(jù)完整性的保護(hù)，保證了服務(wù)端提供給客戶端的測產(chǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。測產(chǎn)數(shù)據(jù)安全通信機(jī)制如圖5所示。

圖5 測產(chǎn)數(shù)據(jù)安全通信機(jī)制Fig.5 Mechanism of security communication

2.1 測產(chǎn)數(shù)據(jù)加密和解密

測產(chǎn)數(shù)據(jù)是屬于用戶的私人信息，用戶根據(jù)服務(wù)端提供的測產(chǎn)數(shù)據(jù)預(yù)測當(dāng)年收益，對比多年數(shù)據(jù)，制定未來種植生產(chǎn)計(jì)劃。因此服務(wù)端要保證傳輸?shù)臏y產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全性，避免造成用戶數(shù)據(jù)的泄露。

本文對比了AES和DES（data encryption standard）壓縮算法后發(fā)現(xiàn)，AES算法運(yùn)算速度快、對內(nèi)存的需求低，分組長度和秘鑰長度設(shè)計(jì)靈活。且AES的秘鑰長度比DES大，可以使用128bit、192bit、256bit中的任意一種，所以窮舉法是不能破解的。本文采用密鑰長度為128位的AES算法加密/解密算法，其流程如圖6所示。

圖6 AES算法加密、解密流程Fig.6 Encryption and decryption of AES

2.2 測產(chǎn)數(shù)據(jù)數(shù)字簽名

數(shù)字簽名可以提供完整性保護(hù)，解決篡改問題和抵賴性的問題。本文通過分析對比兩種優(yōu)秀的數(shù)字簽名算法RSA（rivest-shamir-adelman）和DSS（data signature standard）發(fā)現(xiàn)，二者在性能和互操作性方面不相上下，而由于RSA具有更長的密鑰長度，說明其具有更強(qiáng)的安全性，因此本文選用RSA算法對測產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名。服務(wù)端使用Hash函數(shù)操作測產(chǎn)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)摘要，并使用服務(wù)端的私有秘鑰對這個(gè)數(shù)據(jù)摘要進(jìn)行加密，從而形成簽名，服務(wù)端將簽名和測產(chǎn)數(shù)據(jù)一起發(fā)送出去?？蛻舳私邮盏较⒑?，根據(jù)測產(chǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)摘要，同時(shí)使用發(fā)送方的公開秘鑰對簽名進(jìn)行解密，如果計(jì)算得出的數(shù)據(jù)摘要和解密后的簽名互相匹配，那么證明該測產(chǎn)數(shù)據(jù)是完整的，沒有被篡改的。由于只有服務(wù)端持有私鑰，其他人均無法偽造密文，因此保證了測產(chǎn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。測產(chǎn)數(shù)據(jù)數(shù)字簽名流程如圖7所示。

圖7 測產(chǎn)數(shù)據(jù)數(shù)字簽名的流程Fig.7 Digital signature of yield data

2.3 測產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸報(bào)文

本文采用Web Service技術(shù)、數(shù)字簽名技術(shù)以及AES加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)安全共享和交互，測產(chǎn)SOAP報(bào)文按其消息結(jié)構(gòu)格式編寫，測產(chǎn)信息壓縮后封裝在消息體中。

3 數(shù)據(jù)傳輸處理

3.1 測產(chǎn)服務(wù)數(shù)據(jù)壓縮

由于SOAP Message采用XML文本格式，XML標(biāo)記和協(xié)議的開銷很大，有效信息只是其中一小部分，比起Java-RMI和CORBA，它導(dǎo)致了3倍多的網(wǎng)絡(luò)流量，當(dāng)傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，必須考慮提高SOAP的傳輸效率。由于谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)提供用戶設(shè)定時(shí)間段的測產(chǎn)數(shù)據(jù)推送，因此數(shù)據(jù)量可能非常大。

圖8 GZIP壓縮流程圖Fig.8 Flow chart of GZIP compression

同時(shí)，由于本系統(tǒng)推送數(shù)據(jù)主要包括時(shí)間、產(chǎn)量及其GIS數(shù)據(jù)等，當(dāng)采用SOAP協(xié)議傳輸時(shí)，傳遞的數(shù)據(jù)存放在SOAP Body中，因此這里的內(nèi)容會(huì)很長。為了改善SOAP消息的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，本研究對比了GZIP和ZIP壓縮方法，發(fā)現(xiàn)GZIP具有更高的壓縮性能。本文采用GZIP無損數(shù)據(jù)壓縮方法將SOAP Body的內(nèi)容進(jìn)行了壓縮，其流程如圖8所示，壓縮處理后數(shù)據(jù)量明顯減少，降低了帶寬的消耗。

3.2 服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸效率測試

通過測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳輸?shù)臏y產(chǎn)數(shù)據(jù)達(dá)到3MB時(shí)，傳輸效率可以提高接近40%，測產(chǎn)數(shù)據(jù)壓縮前后傳輸消耗時(shí)間對比如圖9所示?？梢?，對SOAP測產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮是一種提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的有效方法。

3.3 服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理流程和產(chǎn)量計(jì)算

3.3.1 數(shù)據(jù)處理流程

現(xiàn)場測產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行于工控機(jī)，受限于其計(jì)算和存儲(chǔ)能力，在現(xiàn)場進(jìn)行測產(chǎn)標(biāo)定后，即開始谷物收獲，工控機(jī)將谷物收獲過程中采集的測產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到測產(chǎn)服務(wù)器，測產(chǎn)服務(wù)器解析存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、計(jì)算和可視化。

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

對采集到的產(chǎn)量電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字閾值濾波和線性插值處理，去除流量信號(hào)中的奇異值；此外，還要對實(shí)時(shí)的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，對其數(shù)據(jù)格式中的“農(nóng)場ID”、“地塊ID”、“經(jīng)度”、“緯度”等相關(guān)字段數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，保存在數(shù)據(jù)庫中。

2）產(chǎn)量建模和單位產(chǎn)量計(jì)算

通過現(xiàn)場采集的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，可以得到農(nóng)田的產(chǎn)量計(jì)算模型，經(jīng)驗(yàn)證確認(rèn)后即可用于單位面積產(chǎn)量。

3）產(chǎn)量專題圖繪制

基于WebGIS技術(shù)將目標(biāo)地塊各個(gè)數(shù)據(jù)采集位置的單位面積產(chǎn)量在地圖上進(jìn)行顯示，利用克里金插值算法獲得產(chǎn)量專題圖。

3.3.2 測產(chǎn)試驗(yàn)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)可視化處理

1）測產(chǎn)試驗(yàn)和產(chǎn)量測定模型

測產(chǎn)試驗(yàn)于2014年6月9－12日在山東省桓臺(tái)縣逯家村小麥試驗(yàn)田（東經(jīng)117.9801°～117.9806°，北緯36.9636°～36.9647°）進(jìn)行，使用機(jī)型為中國一拖集團(tuán)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的東方紅4LZ-2.5型自走式谷物聯(lián)合收割機(jī)（功率為67.5 kW，割幅為2.36 m），試驗(yàn)時(shí)收割機(jī)作業(yè)速度1～4 km/h。測產(chǎn)系統(tǒng)由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)自行集成開發(fā)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz，由工控機(jī)上傳至測產(chǎn)服務(wù)器，經(jīng)解析和預(yù)處理后存入數(shù)據(jù)庫。

試驗(yàn)包括標(biāo)定試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)和谷物收獲試驗(yàn)。在標(biāo)定試驗(yàn)中，對標(biāo)定采樣電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并求和得到電壓的累加值Ui，通過人工稱量得到總產(chǎn)量y，再將y 和Ui進(jìn)行相關(guān)性分析后，利用最小二乘法得到總產(chǎn)量標(biāo)定方程如式（1）所示。

式中y為總產(chǎn)量，kg；Ui為電壓累加和，V。

產(chǎn)量標(biāo)定模型如圖10所示。

圖10 產(chǎn)量標(biāo)定模型Fig.10 Calibration modeling of yield data

驗(yàn)證試驗(yàn)使用與標(biāo)定試驗(yàn)同樣的方法，試驗(yàn)進(jìn)行5次，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，產(chǎn)量平均誤差為3.48%，說明產(chǎn)量標(biāo)定模型具有較高的測定精度，達(dá)到了測產(chǎn)實(shí)用水平。

表1 產(chǎn)量預(yù)測數(shù)據(jù)Table 1 Data of yield estimation

在隨后的谷物收獲試驗(yàn)中，根據(jù)計(jì)算得到的產(chǎn)量標(biāo)定模型，使用采集的電壓除以對應(yīng)小區(qū)域面積計(jì)算出單位面積產(chǎn)量（單產(chǎn)量），如式（2）所示。

式中ρ為谷物質(zhì)量與電壓累加和比值標(biāo)定系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果見式（3）；ui為第i小區(qū)電壓值，V；v為收割機(jī)前進(jìn)速度，m/s；Δt為小區(qū)收獲時(shí)間，s；wd為割幅寬度，m。yk為單位面積產(chǎn)量值（濕質(zhì)量），kg/hm2。

式中ρi分別對應(yīng)5個(gè)測試區(qū)域標(biāo)定時(shí)求出的標(biāo)定系數(shù)(標(biāo)定小區(qū)谷物質(zhì)量與該小區(qū)電壓累加和的比值)，標(biāo)定系數(shù)的平均值即為ρ。表2為測產(chǎn)收獲試驗(yàn)時(shí)得到的其中5組預(yù)測單產(chǎn)量。

表2 單產(chǎn)量預(yù)測數(shù)據(jù)Table 2 Yield prediction data per unit

2）產(chǎn)量數(shù)據(jù)可視化處理

測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)基于WebGIS技術(shù)，除了提供測產(chǎn)數(shù)據(jù)的文本查詢顯示外，還提供了測產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化，包括采樣點(diǎn)查詢、多邊形查詢，以及產(chǎn)量專題圖繪制。圖11為基于克里金插值的收獲地塊的產(chǎn)量專題圖。

圖11 產(chǎn)量專題圖Fig.11 Thematic map of yield data

4 測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)

4.1 Web Service接口設(shè)計(jì)

為了給異構(gòu)平臺(tái)用戶提供統(tǒng)一的服務(wù)接口，本文使用WSDL文檔完成了標(biāo)準(zhǔn)接口的定義，以標(biāo)準(zhǔn)接口形式將Web服務(wù)暴露給各個(gè)客戶端系統(tǒng)。服務(wù)調(diào)用者可以是運(yùn)行于不同平臺(tái)（如Windows，Linux，Android等），使用不同技術(shù)開發(fā)（如Java，C++等）的應(yīng)用程序。

4.2 Web Service接口的實(shí)現(xiàn)

本文使用WSDL定義實(shí)現(xiàn)了Web Service接口。WSDL文檔中不僅定義了服務(wù)端所提供的各種服務(wù)接口，還定義了Web服務(wù)的信息，包括Web服務(wù)的名字，Web服務(wù)的端口綁定，Web服務(wù)調(diào)用的URL等。文檔通過name屬性來區(qū)分不同的service，通過soap:address元素定義用來調(diào)用Web服務(wù)的URL；port binding描述了在哪里可以找到服務(wù)的詳細(xì)信息，等等。各個(gè)客戶端系統(tǒng)只要將服務(wù)調(diào)用請求根據(jù)WSDL文檔中的接口描述信息，按照SOAP規(guī)范進(jìn)行封裝，就可以成功調(diào)用相關(guān)服務(wù)。

本文以Android智能手機(jī)平臺(tái)作為客戶端進(jìn)行測產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢的實(shí)現(xiàn)界面如圖12所示。首先登錄谷物信息查詢系統(tǒng)，在主頁面輸入查詢條件，點(diǎn)擊查詢按鈕，訪問Web Service接口，服務(wù)端發(fā)送被請求的谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)到客戶端并進(jìn)行可視化顯示（圖12a），并可進(jìn)一步顯示目前數(shù)據(jù)采集目標(biāo)地塊的地塊邊界（藍(lán)色封閉線條）以及正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集位置（圖12b），并可根據(jù)測產(chǎn)數(shù)據(jù)時(shí)間先后順序描畫測產(chǎn)軌跡。

圖12 Android客戶端遠(yuǎn)程查詢Fig.12 Remote query from an Android client

5 結(jié)論

本文提出了一個(gè)實(shí)用的谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)解決方案，在谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)中應(yīng)用Web服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)、移動(dòng)終端和服務(wù)器等異構(gòu)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互和共享?；赟ocket的谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集接口提供了高效數(shù)據(jù)采集服務(wù)，基于SOAP協(xié)議的谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)則為不同的訪問終端提供了統(tǒng)一的服務(wù)界面。研究結(jié)論如下：

1）基于Socket的谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)采集接口能夠高效采集測產(chǎn)數(shù)據(jù)，滿足測產(chǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸要求；

2）通過采集并傳輸現(xiàn)場測產(chǎn)標(biāo)定試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)以及收獲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在服務(wù)器端通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，建立并驗(yàn)證了谷物產(chǎn)量標(biāo)定模型，繼而推算出單位面積產(chǎn)量計(jì)算模型。產(chǎn)量模型測定精度（決定系數(shù)）達(dá)到0.8749，驗(yàn)證平均誤差為3.48%，最大誤差為7.17%，能夠滿足實(shí)際測產(chǎn)要求；

3）基于SOAP協(xié)議能夠很好地提供谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)。AES加密和RSA數(shù)字簽名技術(shù)的集成，保證了SOAP消息的機(jī)密性、完整性、消息源認(rèn)證性和不可否認(rèn)性，有效彌補(bǔ)了SOAP協(xié)議本身安全性差等缺點(diǎn)。GZIP壓縮處理方法改善了SOAP消息的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，有利于大數(shù)據(jù)塊的傳輸。

4）測產(chǎn)工控機(jī)采集并遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)以及Android手機(jī)請求測產(chǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)踐表明，該數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)能夠高效地接收和處理實(shí)時(shí)傳來的數(shù)據(jù)，Web Service接口能夠快速地根據(jù)客戶端請求推送查詢結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)平臺(tái)之間數(shù)據(jù)交互和共享。

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Grain yield data collection and service for heterogeneous platforms

Zheng Lihua, Guo Xiang, Li Minzan※, Li Xincheng, Chen Yuan, Xiao Changyi
(Key Laboratory of Modern Precision Agriculture System Integration Research, Ministry of Education, College of Information and Electrical Engineering, China Agriculture University, Beijing 100083, China)

Crop yield information is the precondition for the implementation of precision agriculture, and it is the key to organize farmland production and achieve decision-making for agricultural management. Aiming at collecting yield data by the grain yield measurement and control system in harvest field and transmitting the collected data to the yield server in real time, and meanwhile meeting the demands of data access to all kinds of terminals, a data collection and service platform for monitoring grain yield was developed. It is helpful to achieve data real-time interacting among the on-site yield monitoring system, the mobile terminals and the remote yield server. Socket and SOAP (simple object access protocol) technologies are used to implement data exchanging between the remote server and various heterogeneous platforms. A grain yield data collecting system was developed and embedded in the IPC (industrial personal computer) mounted on the combine harvester to collect yield data in real time, and its modules included device setting, data collecting, data parsing and data uploading. The yield data are composed of the information input by user (farm and plot identification, which are input once for each plot), the global position system (GPS) data (longitude, latitude, altitude and time), the data (harvester speed, harvester cutter width, impulse voltage, grain moisture and grain temperature) from the sensors mounted in the harvester and the CAN (controller area network) bus. The collected yield data are packaged every 1 second and transferred to the yield server through Socket via GPRS (general packet radio service), and then they are parsed according to the yield data exchanging protocol and stored into the yield database established in the server. Then the yield data can be calculated, processed and visualized according to various modules embedded in the yield data collection and service system which is developed using Hadoop and Web GIS (web geographic information system) technologies. And the modules include user management, news management, bulletin management, document management, farm management, plot management, yield data management, harvester tracing and Web GIS service, and the grain yield data collecting system is connected with the remote data access terminals through the data collection module and data service module which are embedded in the yield data management. Yield data service is implemented using Web Service based on SOAP for data sharing for various terminals (such as mobile, tablet PC (personal computer), PDA (personal digital assistant), and desktop) with different operating systems (such as Windows, Macintosh, Linux or Android). A grain yield querying system was established for testing the yield data service XML (extensive makeup language) interface provided by the yield data collection and service system, the information including farm, plot and yield could be accessed smoothly, and the yield data visualization could be achieved accordingly. For improving the yield data transmission efficiency, GZIP (GNUzip) is used to compress SOAP messages and reduce bandwidth consumption. In addition, the digital signatures and encryption technology are used to guarantee the security of data transmission via internet. The system experiments were carried out, and the results showed that the grain yield data collecting system worked well on-site and the yield data could be collected and uploaded every 1 minute; the data collection and service system could receive, calculate, process and visualize the real-time yield data efficiently; and the Web Service interface could push the yield data querying results quickly according to client requests. The study indicates that the yield data interaction and sharing between heterogeneous platforms can be achieved by using the yield data collection and service platform proposed in this paper.

grain; web service; data visualization; yield monitoring; industrial personal computer (IPC); SOAP

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.020

S24; TP399

A

1002-6819(2016)-09-0142-08

鄭立華，郭 享，李民贊，李新成，陳 元，肖昌一. 面向異構(gòu)平臺(tái)的谷物測產(chǎn)數(shù)據(jù)采集及實(shí)現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(9)：142－149.

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.020 http://www.tcsae.org

Zheng Lihua, Guo Xiang, Li Minzan, Li Xincheng, Chen Yuan, Xiao Changyi. Grain yield data collection and service for heterogeneous platforms[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 142－149. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.020 http://www.tcsae.org

2015-04-24

2016-03-02

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303109）；863計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA101901）

鄭立華，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化方面的研究。北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083。Email：zhenglh@cau.edu.cn

※通信作者：李民贊，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事精細(xì)農(nóng)業(yè)方面的研究，北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)“現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083。Email：limz@cau.edu.cn. 中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：鄭立華（E040100148M）