傳感云在精準農(nóng)業(yè)上的應用與展望

崔 瑜,羅靜靜,李懷勝,田 敏

(1.新疆生產(chǎn)建設兵團第九師農(nóng)業(yè)科學研究所(畜牧科學研究所),新疆塔城 834601;2.石河子大學機電學院,新疆石河子 832003)

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡開始應用于農(nóng)業(yè)的方方面面[1],如管理農(nóng)田灌溉[2-4]、檢測溫室大棚氣體[5-6]以及監(jiān)測農(nóng)田作物生長情況等[7-8],被用于解決精準農(nóng)業(yè)[9]發(fā)展過程中遇到的一些實際問題。無線傳感器網(wǎng)絡在促進當代農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時,由于自身成本低和體積小等問題,在農(nóng)業(yè)應用中的弊端也不斷突顯出來。近年來,云計算的發(fā)展越來越受關(guān)注,它不僅具有成本低、虛擬化和可擴展的特點,還能為用戶提供大量的計算存儲以及軟件服務等。當把云計算和無線傳感器網(wǎng)絡相結(jié)合后,在精準農(nóng)業(yè)上可以作為一個新的研究方向和領(lǐng)域。Brown等[10-11]定義傳感云為將云計算與無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)合在一起的遠程管理服務平臺,構(gòu)建了一種傳感器即服務的概念。傳感云應用的工作模式主要為:底層物理傳感器收集到農(nóng)業(yè)相關(guān)信息后,發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點,虛擬傳感器負責向用戶提供關(guān)鍵信息,最后云端處理復雜的任務。該模式不僅提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的效益,還提高了數(shù)據(jù)處理的準確率。憑借傳感云框架高成本的效益以及低維護的需求,在農(nóng)業(yè)應用中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢。雖然越來越多的研究學者開始關(guān)注傳感云,但是關(guān)于這方面的農(nóng)業(yè)應用研究還是不多。我國是農(nóng)業(yè)大國,目前很多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動還主要依靠人力進行,利用傳感云技術(shù),再結(jié)合當下廣泛普及的機器學習、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù),對當代農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及未來精準農(nóng)業(yè)的前瞻性研究都有著重大的意義。鑒于此,筆者面向傳感云技術(shù),結(jié)合云計算強大的虛擬化技術(shù),對其在精準農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用進行深入探索與研究。

1 傳感云的基本概念

1.1 傳感云定義關(guān)于傳感云的定義,不同的研究學者給出了不同的看法。Kurschl等[12]將其定義為:將云計算與無線傳感網(wǎng)絡結(jié)合并構(gòu)建模型后,在數(shù)據(jù)存儲和處理能力方面,與傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)比較,有巨大的優(yōu)勢;Madria等[13]將其定義為:在傳感網(wǎng)絡頂端上,許多不同的虛擬節(jié)點組成了傳感云并實時為用戶提供按需服務功能;研究人員定義傳感云為:結(jié)合不同的網(wǎng)絡以及傳感應用,與云端相結(jié)合,為傳感網(wǎng)絡提供遠程的上網(wǎng)、檢測和監(jiān)控等服務;此外,文獻還提到,不同的物理節(jié)點被傳感云虛擬化為傳感節(jié)點,從而自動響應用戶的服務請求[14]?？偨Y(jié)來說,傳感云綜合了云計算和無線傳感網(wǎng)的優(yōu)點,繼承了云計算的運作模式。用戶可以不用考慮自身的位置和一些規(guī)范實時使用傳感器,也不用考慮傳感器之間的兼容性問題,同一個基礎(chǔ)設施可以被不同的用戶和組織共享,按需管理使用傳感節(jié)點的資源并在云端上實現(xiàn)對傳感節(jié)點的操控。

1.2 傳感云體系架構(gòu)曾建電等[15]提出,傳感云的體系架構(gòu)如圖1所示,自下而上分別為物理節(jié)點層、虛擬節(jié)點層和用戶層。物理節(jié)點層中的傳感器節(jié)點有各自相應的控制和數(shù)據(jù)收集機制,每個傳感器節(jié)點在不同的應用中發(fā)揮著不同的功能;虛擬節(jié)點和云端組成了虛擬節(jié)點層,主要任務用來處理云端的資源以及調(diào)度管理物理節(jié)點,終端用戶不需要考慮傳感節(jié)點的具體位置,云端除了為用戶提供存儲服務以外,還能在緊急情況下對用戶做出及時響應。當一些用戶向傳感云提出請求服務時,用戶層就會向用戶提供一些不同網(wǎng)絡、不同終端或不同操作的遠程需求服務操作,用戶就可以直接訪問傳感云上的資源。

圖1 傳感云體系架構(gòu)Fig.1 Sensor cloud architecture

2 基于傳感云的精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)

同傳感云架構(gòu)一樣,精準農(nóng)業(yè)傳感云系統(tǒng)框架也為3層,主要由用戶層、中間層和物理層組成,如圖2所示。農(nóng)民、傳感器所有者或設備所有者組成了用戶層,不同的用戶根據(jù)不同的注冊方式其使用權(quán)限也不相同。當用戶以服務使用者的身份進行注冊時,只能使用相關(guān)儀器設備和數(shù)據(jù)服務而不能對設備的相關(guān)信息進行更改;當用戶以傳感器或設備提供者進行注冊時,可以對底層的一些設備進行維護和管理。通常來講,通過網(wǎng)頁瀏覽器或者手機軟件就能使用戶登錄云平臺系統(tǒng),最后按需選擇自己要進行的服務平臺。通過農(nóng)業(yè)傳感云平臺,用戶可以實時對田間作物的生長情況進行監(jiān)測,基于用戶層提供的不同標準化接口,可以使用戶自由請求相關(guān)數(shù)據(jù)服務,制定決策后數(shù)據(jù)會以圖表的形式提供給用戶,用戶就可以直接觀察監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境變化情況。每個人的賬戶、權(quán)限、傳感器和農(nóng)業(yè)設備等信息都被儲存于中間層中,提供給用戶不同的服務由不同的虛擬傳感器組成,通過創(chuàng)建虛擬傳感器來共享底層的傳感器服務,結(jié)合虛擬化技術(shù),不但為服務提供商保障了利益,同時也降低了農(nóng)戶的使用成本。相較于一般的傳感云系統(tǒng),農(nóng)業(yè)傳感云有著極為獨特的地方,即不同的農(nóng)業(yè)傳感器和設備分布于物理層中,相應的設備可以執(zhí)行用戶所作的決策,而一般的傳感云系統(tǒng)僅為用戶提供傳感器數(shù)據(jù)信息。在物理層上,中繼節(jié)點是網(wǎng)關(guān),每個傳感器節(jié)點都將通過ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送至網(wǎng)關(guān),最后數(shù)據(jù)通過4G或5G網(wǎng)絡發(fā)送至云平臺。

圖2 基于傳感云的精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Precision agriculture system architecture based on sensor cloud

3 農(nóng)業(yè)傳感云的應用領(lǐng)域

3.1 基于傳感云的農(nóng)田灌溉管理由圖3可知,將土壤濕度傳感器放置于土壤中來檢測土壤的濕度信息,傳感云平臺接收通過網(wǎng)關(guān)采集到的濕度數(shù)據(jù)信息。在基于傳感云的系統(tǒng)框架下,相應的服務商會提供對應的設備,用戶可以在相關(guān)網(wǎng)站上按需選擇服務,這樣就可以隨時隨地對農(nóng)田土壤的墑情進行觀察并制定出適合于該天氣的灌溉措施。

圖3 基于傳感云的農(nóng)田灌溉管理Fig.3 Farmland irrigation management based on sensor cloud

3.2 基于傳感云的農(nóng)田害蟲監(jiān)測由圖4可知,在傳感云框架背景下實現(xiàn)對害蟲監(jiān)測的具體過程為:底層的無線網(wǎng)絡傳感器對農(nóng)作物進行拍照,用相應的算法對圖像進行處理后,傳感云平臺接收發(fā)送過來的圖像和數(shù)據(jù)并進行處理,通過終端顯示器,用戶可以實時掌握已經(jīng)處理好的信息,對信息進行整理和分析后,根據(jù)作物的生長狀態(tài)來判斷是否需要噴灑農(nóng)藥。這主要是通過部署在相應區(qū)域的無人機來執(zhí)行噴灑農(nóng)藥的任務,當?shù)玫接脩粽埱蠛?無人機會自動飛行至指定的區(qū)域執(zhí)行任務,此外無人機還能起到森林防火的作用。

圖4 基于傳感云的農(nóng)田害蟲監(jiān)測Fig.4 Pest monitoring in farmland based on sensor cloud

4 農(nóng)業(yè)傳感云的發(fā)展優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的基于無線傳感器網(wǎng)絡的精準農(nóng)業(yè)體系相比,傳感云技術(shù)發(fā)揮著更大的優(yōu)勢,即具有可擴展性、簡單性、低成本、服務時間長以及資源數(shù)據(jù)共享等優(yōu)點,具體分析如圖4。

4.1 可擴展性云計算的架構(gòu)不但強大而且復雜,在傳感云系統(tǒng)框架下,傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡可以擴展為一個巨大的規(guī)模。服務提供商會隨著用戶對底層資源需求的增加而相應擴展云計算供應商提供的額外服務,這樣用戶就不用為這些額外的硬件資源付出大量的成本。

4.2 簡易性傳感云為用戶終端提供了一系列標準化的接口,農(nóng)民使用者可以直接通過手機或電腦實時獲取農(nóng)田信息,降低了系統(tǒng)的復雜程度。另一方面,用戶還可以通過傳感器收集到的各種數(shù)據(jù)和視頻流,也可以通過人工控制設備來進行大棚的管理。傳感器采集到的數(shù)據(jù)由采集器收集,通過無線或者有線傳輸?shù)姆绞?將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_,用戶可以看到大棚內(nèi)的實時數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)匯集了各種農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù),具有專家的實時指導功能,旨在幫助農(nóng)民提高生產(chǎn)效率,增加產(chǎn)量,做出正確的生產(chǎn)決策,從而提高農(nóng)民的收入水平。

4.3 低成本與傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)相比,農(nóng)民用戶可以不用承擔基礎(chǔ)設施的部署與維護工作,相應的組織和供應商會提供基礎(chǔ)設施,農(nóng)戶只需按照自身情況選擇相應的服務訂閱。同時,隨著新網(wǎng)絡技術(shù)的廣泛應用,可以方便地將現(xiàn)有網(wǎng)絡升級到新的技術(shù)標準,并保持原有技術(shù)的兼容性。目前,人力資源成本越來越高,智慧農(nóng)業(yè)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢,而利用無線傳感器節(jié)點構(gòu)建的網(wǎng)絡是智慧農(nóng)業(yè)獲取信息的主要途徑。通過信息技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的優(yōu)化,可以為農(nóng)民提供信息技術(shù)的便利,促進農(nóng)業(yè)技術(shù)的有效推廣。信息化、因特網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中將發(fā)揮極其重要的作用,也必將給農(nóng)業(yè)技術(shù)服務的推廣模式帶來最大的變革。

4.4 服務周期長傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)處理過程需要消耗大量的能量,而在云計算技術(shù)的處理下,云端不但可以處理復雜的任務,還能大大延長服務維持時間,在一定程度大大降低了成本[16]。未來,隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智慧農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型,大數(shù)據(jù)的應用必將進一步推動我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。信息化、因特網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中將發(fā)揮極其重要的作用,也必將給農(nóng)業(yè)技術(shù)服務的推廣模式帶來最大的變革。

4.5 資源數(shù)據(jù)共享傳感云平臺上的虛擬傳感器主要是數(shù)據(jù)提供的承擔者,利用虛擬化技術(shù)專注于采集田間環(huán)境數(shù)據(jù),物理傳感器向虛擬傳感器傳送數(shù)據(jù)并最終提供給終端用戶,用戶可以直接通過登錄云平臺獲取虛擬傳感器的相關(guān)信息,不用直接訪問物理傳感器。傳感云平臺同時也是開放共享的平臺,個人用戶可以注冊自己的傳感器或其他設備并分享自己的數(shù)據(jù)。當他人有需求時,可以免費或支付少許費用來獲得這些數(shù)據(jù)。

5 存在的問題與挑戰(zhàn)

綜合分析傳感云在精準農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用,主要存在以下問題,即服務系統(tǒng)的通信模塊、服務平臺實時性、系統(tǒng)的交叉容錯以及數(shù)據(jù)的合理可用等,以下是對這些問題的詳細說明:

5.1 網(wǎng)絡服務系統(tǒng)問題由于存在大量傳感器被部署于復雜的環(huán)境并且資源匱乏的問題,網(wǎng)絡容易發(fā)生高風險的危機。更為突出嚴重的問題是,與云計算服務結(jié)合后,系統(tǒng)的不確定因素增加,當云端接收到錯誤的信息后將會執(zhí)行錯誤的指令從而造成更嚴重的后果。

5.2 隱私安全問題傳感云的存在一般情況下很容易受到用戶數(shù)據(jù)泄露和惡意攻擊等問題[17],其強大的存儲空間方便了用戶對存儲在云端的數(shù)據(jù)訪問,同時一些機密或者私有數(shù)據(jù)信息很容易泄露,用戶就會無法對數(shù)據(jù)進行可靠安全的控制。因此,應該對如何有效保護數(shù)據(jù)以及管理傳感云的安全問題做出合理決策。

5.3 通信問題低價的電子設備構(gòu)成了傳感器節(jié)點,在傳感器網(wǎng)絡中,有限的通信帶寬與云計算結(jié)合后會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),當云端接收到這些數(shù)據(jù)時,會造成云端和傳感網(wǎng)之間的通信瓶頸問題,對傳感器節(jié)點和傳感網(wǎng)絡的通信能力都是一個極大的挑戰(zhàn)。

5.4 管理問題由于云端服務器與底層傳感網(wǎng)絡距離較遠且實時性差,云計算模式不能對底層終端的傳感器節(jié)點直接進行管理,傳輸錯誤和網(wǎng)絡帶寬等因素都會導致系統(tǒng)延遲。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,人們在感知環(huán)境的同時能夠?qū)Νh(huán)境做出響應[18-19],而當下的云計算平臺還不足以實現(xiàn)這類服務。

5.5 可用和異構(gòu)性問題用戶在不同的時間地點所需的服務需求也不盡相同,云端接收來自無線傳感網(wǎng)傳送的數(shù)據(jù),然后呈現(xiàn)給用戶,能夠為用戶帶來精準的信息和用戶體驗,保障了數(shù)據(jù)的可用性;網(wǎng)絡儀器設備隨著時代的發(fā)展也在不斷地更新?lián)Q代,所以在連接傳感云系統(tǒng)時就會出現(xiàn)一系列問題,即傳感云所面臨的挑戰(zhàn)之一就是如何保持不同的網(wǎng)絡接入不同的終端設備的兼容性。

6 已有解決方案及未來研究動向

6.1 已有解決方案從產(chǎn)業(yè)傳感云和研究傳感云來看,當下已有的安全解決方案有Xively、SensorCloud、SensaTrack、NimBits和ThingSpeak[20]等都是產(chǎn)業(yè)傳感云系統(tǒng),研究傳感云多集中于解決安全問題的研究文獻中。通過設定不同的指標對這些平臺進行分析,具體不同類型的傳感云平臺服務比較如表1所示。安全指標主要由3部分組成,從傳感云不同的分層體系結(jié)構(gòu)來講,物理安全和通信安全組成了物理層的安全指標,其功能分別是保障物理節(jié)點的完整性以及保護數(shù)據(jù)在傳輸過程中的通信安全問題;可信安全和共享安全組成了虛擬傳感層的安全指標,其功能是分別是確保各節(jié)點的合法性以及各用戶間數(shù)據(jù)的獨立性;訪問安全、存儲安全和服務安全構(gòu)成了云服務層,分別實現(xiàn)確保不同用戶身份訪問數(shù)據(jù)的合法性、感知用戶和數(shù)據(jù)安全以及服務的可靠性功能。從表1可以看出,所有的云平臺服務都能提供存儲服務,同時也能夠保障數(shù)據(jù)的安全管理以及認證操作。傳感云平臺關(guān)注的重點主要為物理安全、通信安全以及共享安全,對訪問和服務安全實現(xiàn)度較低。由于不同的傳感云系統(tǒng)針對不同的傳感云系統(tǒng)應用領(lǐng)域都會有所差異,所以要實現(xiàn)統(tǒng)一的云服務層仍具有一定的挑戰(zhàn)性。

表1 各類型傳感云服務平臺比較

6.2 未來研究動向當前已有的解決方案仍不能完全滿足傳感云的一些需求,對于系統(tǒng)的整體性而言還有許多要解決的問題。所以對傳感云在精準農(nóng)業(yè)中的未來研究方向主要從尚未被廣泛討論和研究的問題來分析,主要有以下幾點:

(1)隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的普遍應用,智慧農(nóng)業(yè)將會為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來革命性的技術(shù)創(chuàng)新。無線傳感網(wǎng)絡不僅可以采集所需的數(shù)據(jù)信息,還可以對信息進行處理,最后將準確的信息傳送到管理客戶端,是當前人們關(guān)注的熱點問題之一?；谔摂M化建設的傳感云農(nóng)業(yè)研究,從管理的角度設計出滿足于傳感云系統(tǒng)特性的軟件設備,將能夠更好地保護傳感云系統(tǒng),滿足管理者對網(wǎng)絡安全和資源管理等安全需求。

(2)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中,需要大量的感知節(jié)點和終端將采集到的農(nóng)業(yè)信息傳送到數(shù)據(jù)中心,供農(nóng)戶、農(nóng)業(yè)相關(guān)專家參考和分析。在此基礎(chǔ)上形成的一種監(jiān)測網(wǎng)絡,通過各種傳感器設備,幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,從而釋放勞動力,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率?；诳尚哦燃霸u估的傳感云農(nóng)業(yè)研究,傳統(tǒng)的底層傳感網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)的完整性、機密性以及可用性等方面安全性能不夠高,存在極大的隱患,所以應該加強對傳感云可信度及評估的安全研究,更好地實現(xiàn)對物理環(huán)境的有效監(jiān)測。當今現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)發(fā)展迅猛,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢,但是關(guān)鍵技術(shù),特別是精密傳感器的制造依然是很大的短板。如何保證農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準確性,是未來農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中亟待解決的問題。

(3)基于低耦合的傳感云農(nóng)業(yè)研究,在研究傳感云安全隱私和服務安全的同時,忽略了為多用戶提供服務存在的安全問題,因此研究設計一個低耦合的傳感云框架可有效降低耦合發(fā)生時產(chǎn)生的不安全問題。要建立高集成度、高安全性的數(shù)據(jù)共享和交互平臺,應以物聯(lián)網(wǎng)和云計算為基礎(chǔ)。共享智能平臺旨在打破數(shù)據(jù)孤島,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和價值傳遞,在保證數(shù)據(jù)安全和隱私的前提下,實現(xiàn)數(shù)據(jù)可用不可見的目標。要按照云平臺的理念,做好設計和規(guī)劃,提高平臺組件的可用性,提高平臺的穩(wěn)定性和效率,打造一個真正可用、好用的平臺。同時,要充分利用基于數(shù)據(jù)采集和分析技術(shù)的資源,實現(xiàn)個性化、智能化的資源服務。

(4)目前,在設施農(nóng)業(yè)中已經(jīng)涌現(xiàn)出了一大批成熟的農(nóng)業(yè)物聯(lián)技術(shù)方案,其特點是使用基于藍牙、 ZigBee、 WiFi等傳感網(wǎng)絡技術(shù),這些技術(shù)都是在2.4 GHz頻段工作的?；诮徊嫒蒎e的農(nóng)業(yè)研究,底層物理的監(jiān)測錯誤、虛擬傳感層的聚合問題、計算程序錯誤以及用戶服務問題構(gòu)成了傳感云故障和出錯的主要源頭,所以應針對不同的問題找出合理的解決方案。在 WLAN大環(huán)境建設的過程中,存在的安全隱患和信息安全問題都是必須解決的重點問題。此外,如何有效地解決故障節(jié)點恢復正常通信的問題,也是值得深入研究的問題。

(5)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,利用基于圖像的自動檢測技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢測技術(shù),及時、客觀地獲取害蟲狀態(tài),降低損失,已越來越受到人們的重視?；跀?shù)據(jù)存儲的傳感云農(nóng)業(yè)研究,用戶不能直接掌控上傳的數(shù)據(jù),在云端環(huán)境下,通過有效監(jiān)測用戶才能夠授權(quán)訪問,體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可用性。在災難來臨時,會有相應的措施進行數(shù)據(jù)恢復。美國加州 Climate Corporation公司利用農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù),采集了大量的氣候數(shù)據(jù)、土壤檢測數(shù)據(jù)和農(nóng)作物根部檢測數(shù)據(jù),對這些數(shù)據(jù)進行分析,為人們提供對自然災害的有力預測和作物生長的良好建議。

7 結(jié)語

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式隨著云計算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)生巨大的變化,通過結(jié)合云計算和無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù),不僅降低了底層無線傳感網(wǎng)的能量損耗,同時也加快了數(shù)據(jù)和信息的快速獲取以及處理能力,受到業(yè)界越來越多研究學者的廣泛關(guān)注。在未來精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程中,結(jié)合傳感云和5G等通信技術(shù),將能夠大大緩解云服務中心與底層基礎(chǔ)設施之間存在的通信問題,提高設備的通信以及存儲等能力。雖然目前關(guān)于傳感云和傳感云農(nóng)業(yè)的研究探索仍然比較少,但綜合傳感云系統(tǒng)存在的巨大優(yōu)勢,在未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷程中值得我們進行更多的研究與探索。