農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周鵬 田維平

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通用性差、缺乏完整體系結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，提出六層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)模型，對(duì)每層的功能及研究方向做了全面的分析。體系結(jié)構(gòu)從上到下分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)處理層、網(wǎng)絡(luò)層、中間件層、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適配層、感知層。該模型對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)測(cè)預(yù)警及方案決策等服務(wù)，降低了技術(shù)門檻和實(shí)現(xiàn)難度。研究結(jié)果可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)構(gòu)建、生產(chǎn)控制技術(shù)、知識(shí)處理與決策、數(shù)據(jù)資源綜合利用、信息服務(wù)和大數(shù)據(jù)處理等方面。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智慧農(nóng)業(yè)； SOA； Web服務(wù)

中圖分類號(hào)：TP391.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）09-17-04

Abstract： Aiming at the poor generality and incomplete structure of the existing agricultural Internet of Things， a six layered structure model is proposed， which includes from top to bottom the layers of application， data processing， network， middleware， heterogeneous network adaptation and perception， with the function and research direction of each layer comprehensively analyzed. The given model provides standardized forecasting and warning， decision making services and others， effectively reduces the technical threshold and the difficulty of realization. The results can be applied to the construction of internet of things service， control technology， knowledge processing， decision making， utilization of data resources， information service and big data processing etc.

Key words： Internet of Things； wisdom agriculture； service oriented architecture； Web service

0 引言

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、預(yù)警、決策支持等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用?，F(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)針對(duì)的類型比較單一，研究主要集中在農(nóng)業(yè)資源利用、生態(tài)監(jiān)控、精細(xì)化管理、農(nóng)產(chǎn)品安全溯源等方面，其擁有不同的主體并建立在不同的平臺(tái)，缺少信息資源的統(tǒng)一集成。本文在研究農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，提出基于SOA的向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架，該框架實(shí)現(xiàn)了將農(nóng)產(chǎn)品從種植、加工、運(yùn)輸、銷售及儲(chǔ)存等生產(chǎn)過(guò)程定義為不同的服務(wù)，通過(guò)對(duì)服務(wù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)靈活、快速響應(yīng)需求及全程溯源。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念

早在1999年，由麻省理工學(xué)院（MIT）Auto-ID中心的Ashton教授提出物聯(lián)網(wǎng)的概念[1]，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層[2] ，其架構(gòu)如圖1所示。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將大量傳感器應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器及應(yīng)用軟件組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。感知層由各種感知器及節(jié)點(diǎn)組成，對(duì)土壤水分、苗情長(zhǎng)勢(shì)等農(nóng)業(yè)對(duì)象或動(dòng)植物行為等過(guò)程進(jìn)行信息獲??；傳輸層將感知層獲取的各類數(shù)據(jù)信息，通過(guò)有線或無(wú)線方式傳輸?shù)綉?yīng)用層； 應(yīng)用層進(jìn)行信息處理、建模和決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的管理控制[3]。

2 存在的問(wèn)題及研究現(xiàn)狀

存在的問(wèn)題：傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)缺乏數(shù)據(jù)的共享性及服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性，技術(shù)互不兼容，缺乏對(duì)全局架構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)，易造成數(shù)據(jù)共享困難、系統(tǒng)碎片、垂直化及異構(gòu)化。

研究現(xiàn)狀：歐盟委員會(huì)關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目有SENSEI[4]和IoT-A[5]；姜洋等人從農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯方面來(lái)設(shè)計(jì)質(zhì)量追溯系統(tǒng)架構(gòu)，使追溯流程變得有彈性和靈活，能快速響應(yīng)產(chǎn)品多變的需求[6]；GUBBI等[7]提出基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)；楊斌等[8]通過(guò)對(duì)SOA架構(gòu)的研究，提出基于面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)框架；葛文杰等[3]分析了各種類型傳感器的相關(guān)參數(shù)及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；沈蘇彬等[9]研究了下一代物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、泛在網(wǎng)絡(luò)、機(jī)對(duì)機(jī)通信及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；高浩天等[10]提出了智能溫室物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)方案；鄭紀(jì)業(yè)等[11]通過(guò)接入層對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的描述和統(tǒng)一的資源訪問(wèn)管理；凌曉東[12] 提出目前缺乏面向農(nóng)民“一站式”應(yīng)用系統(tǒng)。

3 SOA架構(gòu)下農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 SOA架構(gòu)

SOA（Service Oriented Architecture）即“面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)”，SOA可以看作B/S模型、XML/Web Service技術(shù)之后的自然延伸。涉及到SOA的業(yè)務(wù)領(lǐng)域和技術(shù)領(lǐng)域[13]，如圖2所示。

SOA結(jié)構(gòu)一般分為服務(wù)提供者、服務(wù)使用者及服務(wù)注冊(cè)中心（服務(wù)注冊(cè)機(jī)構(gòu)）[14]三部分，如圖3所示。

3.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)SOA服務(wù)設(shè)計(jì)的原則[15-16]

⑴ 可發(fā)現(xiàn)及動(dòng)態(tài)綁定。服務(wù)在設(shè)計(jì)及運(yùn)行中都應(yīng)該被發(fā)現(xiàn)，如溫度檢測(cè)服務(wù)可以被任何需要的服務(wù)使用者使用。

⑵ 無(wú)狀態(tài)性。指服務(wù)不記錄狀態(tài)信息，服務(wù)的使用者使用服務(wù)的過(guò)程是實(shí)時(shí)性的，如溫控系統(tǒng)對(duì)溫度的采集服務(wù)。

⑶ 松耦合。指服務(wù)之間的相互依賴程度不高，各模塊間有很強(qiáng)的獨(dú)立性。

⑷ 粗粒度。是指服務(wù)可以提供給第三方用戶使用。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)針傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、技術(shù)手段眾多、業(yè)務(wù)流程多變、數(shù)據(jù)封閉等的情況，為保證系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的變化，保持系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，將分散在不同管理機(jī)構(gòu)及決策單位的數(shù)據(jù)資源信息進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與模型集成，并能在不同開發(fā)平臺(tái)及開發(fā)語(yǔ)言下運(yùn)行。將SOA架構(gòu)引入傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架，根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件的原則及SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合ITU相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)工程經(jīng)驗(yàn)，提出SOA架構(gòu)下基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

3.3.1 感知層

感知層主要包括各類數(shù)據(jù)采集設(shè)備如RFID、條碼、遙感技術(shù)、WIFI、ZigBee及各類傳感器，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，包括溫度、濕度傳感器、生物芯片傳感器[15]、無(wú)線傳感器、超高頻多卡識(shí)別[17]、智能化傳感器等，主要用來(lái)采集環(huán)境監(jiān)控傳感數(shù)據(jù)及生理監(jiān)控傳感參數(shù)，包括土壤溫濕度、環(huán)境溫濕度、心跳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。由于農(nóng)田作業(yè)環(huán)境的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)耗能大等問(wèn)題影響了監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能，可采用太陽(yáng)能為傳感節(jié)點(diǎn)供電，以有效地解決監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功耗問(wèn)題[18]。

3.3.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適配層

不同廠商的設(shè)備采用不同的數(shù)據(jù)格式、硬件接口等，其技術(shù)成熟度也存在一定差異。通過(guò)GPRS，ZigBee、藍(lán)牙、WiFi、CAN總線或者485總線等方式組網(wǎng)，構(gòu)成了龐大的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)人員需要針對(duì)每種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)開發(fā)，因而對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的描述和統(tǒng)一管理顯得尤為重要。采用硬件網(wǎng)關(guān)接口及驅(qū)動(dòng)接口，通過(guò)對(duì)接入標(biāo)準(zhǔn)的初始化，為上層中間件層提供外部設(shè)備的操作接口并實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。

3.3.3 中間件層[19]

中間件層可以有效屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的約束，提供統(tǒng)一的抽象管理接口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)底層透明的目的。在感知層數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的分布面很廣，投資成本也很高，導(dǎo)致了采集層設(shè)備穩(wěn)定性較高，通常情況下，只可能出現(xiàn)新增或逐步替換采集設(shè)備的方案，而不會(huì)整體或大規(guī)模更換設(shè)備，采集層中間件部分的功能相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較穩(wěn)定的。中間件層對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)主要由設(shè)備的驅(qū)動(dòng)服務(wù)、中間件業(yè)務(wù)服務(wù)和上層業(yè)務(wù)服務(wù)構(gòu)成。其中設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)通過(guò)對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)封裝、維護(hù)設(shè)備鏈路狀態(tài)及通信協(xié)議，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)生變更時(shí)，在對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)中心更新相關(guān)的驅(qū)動(dòng)服務(wù)即可。中間件業(yè)務(wù)包括自身運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、過(guò)濾、去重等業(yè)務(wù)，對(duì)上提供包括數(shù)據(jù)壓縮、融合等服務(wù)。

3.3.4 網(wǎng)絡(luò)層

負(fù)責(zé)IP數(shù)據(jù)包分發(fā)路由，通過(guò)采用TCP/UDP等協(xié)議建立相關(guān)連接，并將數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)處理層，同時(shí)將數(shù)據(jù)處理層的相關(guān)控制命令下發(fā)到中間件層，再傳輸?shù)礁兄獙?，使感知層的相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，如攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，溫濕度調(diào)整，光照改變，打開或關(guān)閉設(shè)備等操作?？梢酝ㄟ^(guò)智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)直接將數(shù)據(jù)上傳至云端，由物聯(lián)云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、發(fā)布和共享，以云服務(wù)的方式提供給使用者使用[20]。

3.3.5 數(shù)據(jù)處理層

該層利用Web Service作為通信接口，以XML作為數(shù)據(jù)交換中間載體來(lái)建立共享的數(shù)據(jù)與服務(wù)，從而降低了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成的難度，滿足了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享及快速訪問(wèn)的需求。當(dāng)用戶通過(guò)應(yīng)用層申請(qǐng)數(shù)據(jù)共享時(shí)，先通過(guò)服務(wù)注冊(cè)中心查詢服務(wù)，并向相應(yīng)的服務(wù)提供者發(fā)出請(qǐng)求，在服務(wù)提供者響應(yīng)服務(wù)使用者的請(qǐng)求后，將共享數(shù)據(jù)返回給應(yīng)用層。當(dāng)應(yīng)用層系統(tǒng)需要發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)注冊(cè)中心，服務(wù)的需求方通過(guò)訂閱服務(wù)注冊(cè)中心的服務(wù)，由服務(wù)提供者推送相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

3.3.6 應(yīng)用層

應(yīng)用層采用HTTP，F(xiàn)TP等協(xié)議，以Web方式進(jìn)行訪問(wèn)，為用戶提供統(tǒng)一的資源定位，服務(wù)使用者及服務(wù)提供者通過(guò)應(yīng)用層以Web的方式訪問(wèn)系統(tǒng)提供的服務(wù)及發(fā)布自己的服務(wù)。除此之外，應(yīng)用層還肩負(fù)著物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議及隱私保護(hù)協(xié)議等。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍比較廣泛，如農(nóng)產(chǎn)品溯源、生產(chǎn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能控制物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、動(dòng)植物生長(zhǎng)過(guò)程監(jiān)控等諸多方面。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的分析，對(duì)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出面向農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)模型，采用SOA架構(gòu)，將服務(wù)提供和服務(wù)請(qǐng)求相分離，通過(guò)現(xiàn)有的應(yīng)用組合來(lái)產(chǎn)生新的服務(wù)，提供給企業(yè)更好的靈活性，盡可能地減少系統(tǒng)的耦合，提高了可重用性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)粗粒度松耦合服務(wù)的有效集成，解決了智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中不同應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)交換與共享，為物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供了一定的參考，但還需要進(jìn)一步的完善，尤其是如何對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)一步的過(guò)濾及深度數(shù)據(jù)挖掘和分析、對(duì)服務(wù)的詳細(xì)定義、調(diào)用接口的定義及性能描述等仍需要進(jìn)一步的研究。

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