GPON網絡在設施農業上的應用
——以福建省農業科學院漁溪現代循環農業科技示范園為例

鄭海新

(福建省農業科學院數字農業研究所，福建 福州 350003)

農業現代化的發展越來越依靠信息技術、自動控制技術，當今通訊網絡的普及使這些技術也越來越多地應用在各種農業生產中。現代智能化生產方式的發展將影響并帶動傳統農業生產方式產生變革，具有重大的推廣意義[1]，現階段通訊網絡是實現智能化主要途徑之一。在漁溪示范園設施農業建設過程中，發現園區設施達到一定規模后，傳統的基于以太網的局域網不能很好的滿足園區的發展和應用，GPON網絡則是更適合園區設施農業應用和推廣的網絡。

1 GPON網絡應用現狀

PON(Passive Optical Network)是無源光網絡廣泛應用于運營商光纖到戶等業務，PON由局端的OLT(光線路終端)、用戶側的ONU(光網絡單元)以及ODN(光分配網絡)組成。

GPON(Gigabit-Capable PON)技術是基于ITU-TG.984.x標準的最新一代寬帶無源光綜合接入標準[2]，2002年提出，至2004年完成了G.984.3的標準化。2006年起開始試商用，GPON技術發展迅速，現今其最高速率已從2.488 G發展到10 G，出現匯聚型的OLT設備，集合了交換、路由功能。

GPON支持的豐富業務類型包括數據業務(Ethernet 業務，包括IP業務和MPEG視頻流)、PSTN業務、專用線和數字視頻業務。對各種業務類型都能提供相應的QoS保證。我國從2010年三網融合實施起，PON開始廣泛應用，但主要用戶還是運營商，在局域網的應用并不多。

2 GPON技術在設施農業中的應用

一個現代化的農業示范園的建設離不開先進的信息技術、自動控制技術，為使示范園區設施農業的信息化、自動化、產業化能順利實施，建設適合智能化設施農業生產、應用、推廣的網絡系統尤為重要。

2.1 園區簡介

漁溪現代循環農業科技示范園是福建省農業科學院與部隊、企業警民共建的項目，是福建省設施農業樣板工程示范基地，規劃20個示范區域9個設施農業示范項目，園區致力實現生產智能化、管理自動化、收獲機械化、產品標準化。

2.2 園區設施農業項目的網絡需求分析

漁溪現代化的設施農業生產基地，規模化是其主要特點，如設施種苗繁育及蔬菜栽培生產基地一個大棚就占地1 hm2。在這樣大或更大的一個生產基地中需要分布眾多的環境監控采集的傳感器、監控設備，生產控制等系統的設備、物聯網設備等。

在現代化的設施農業中實現精準農業，要求網絡延時低，使環境控制系統能及時調整，如水肥自動灌溉系統、飼料投放系統等在與總控中心系統、人工專家系統交互時需要網絡連接可靠，以便能根據接收信息決策如何運行或接收外部的指令運行，生產監控系統則要求網絡帶寬大，視頻能流暢的傳輸等。監控探頭、采集傳感器等設備部署具有動態性，節點可能需要根據生產的實際情況移動或增加。

2.3 存在問題

在使用傳統100 M以太網作為示范園區網絡部署時，園區占地范圍廣，項目規模擴大后，很難確定一個中心的位置部署交換機，傳感器、監控設備分布分散、距離遠，而且在農業生產環境中很多位置因溫度、供電等等因素也不適宜安裝交換機，網線的連接受傳輸距離限制，在網線不能到達的節點還需要使用光纖來連接，需要在交換機和節點間配置光收發設備，增加了設備的維護量，使用時眾多的視頻監控數據不均衡的分布在網絡中，交換機性能嚴重受影響。采用無線連接，無線覆蓋范圍有限，時延也大，無線網絡信號受周圍環境影響干擾、帶寬不穩定，視頻傳輸效果不好。

2.4 GPON解決方案

采用GPON技術來構建示范園區網絡，可以很好解決上述在設施農業應用網絡建設中網點分布廣、接入設備安裝選址難，帶寬需求高，安裝環境受限及維護管理困難的問題。

2.4.1 整體方案概述 方案確定在示范園區的管控中心安裝匯聚型OLT設備，安裝GPON業務板，通過光纖連接到各設施農業示范區域的光纖交接箱，交接箱中通過光分路器將主干光纖分光再用光纖接到各節點，部分節點分布更分散的區域采用二級分光，單個節點的用戶端使用ONT設備，在節點分布密集且適合使用雙絞線的區域采用MDU設備，各節點用雙絞線連接到MDU設備。所有用戶端設備由OLT管理，用戶上網通過寬帶遠程接入服務器管理。

2.4.2 GPON應用分析 首先，在OLT設備性能和管理上，華為SmartAX MA5680T模塊化設計集合了光接入、數據交換和路由功能，具有3.2 T背板容量，交換容量達到960 G，網絡部署時不再需要其他交換機。所有設備的配置全由局端下發，不需現場調整，所有連接線路中間無有源設備，便于維護。GPON上行2.488 Gbit/s，上行1.244 Gbit/s的速率保證了局域網的連接帶寬，足夠的大的背板和交換容量確保了網絡性能。

其次，GPON網絡是點到多點的樹形拓撲結構，ONU接口多樣性讓網絡部署更為靈活。在節點密集的地方采用FTTB方式使用MDU設備連接，華為MA5626可以提供多達24個以太網接口；在單一節點或少量節點聚集的地方采用FTTH的方式通過光貓華為HG8020連接，最多能提供4個網絡接口。再次，GPON網絡采用的光纖是普通符合ITU-T G.652要求的單模光纖，在示范園網絡改為GPON網絡時可以和現有的光纖線路對接。GPON理論上支持60km的傳輸距離，分光比最大支持1∶128，10 km以內分光比至少能達到1∶32，距離20 km以內時分光比至少能達到1∶16，能充分利用光纖資源。1臺MA5680T設備理論上最多支持16384個ONT設備，實際應用通常達到5000個是沒有問題的，現有園區規劃遠未達到這規模，實際設計中采用1∶32的分光比，二級分光時使用1∶4和1∶8分光比，園區從總控中心到各節點距離小于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+模塊即可實現覆蓋園區整個區域。GPON是無源的光網絡，在網絡中間部分不需要有源設備，不需考慮設備的供電，各處設施農業的網絡接入節點部署簡單，從光纖分接箱接出光纖即可，可以方便的部署到任何地方，減少了建設的復雜度。

最后，在造價上，現在隨著光纖及光器件生產技術的成熟，相關設備材料的越來越低，為打造光網絡提供了很好的基礎；模塊化設計的OLT設備可以按需配置板卡，節省投資，且網絡中不需要再配備眾多的接入交換機，可以節約運維成本。現有的網絡資源可能很好的被利用，節省了投資。在對舊網絡擴建時，對采用GPON網絡等幾種可能的方案其所需設備預算，并根據規模和造價進行對比如圖1，可以看到在網絡節點擴展到一定規模后GPON方案的價格越來越有優勢。

圖1 接入網絡主要設備規模造價對比

2.5 實現目標

該方案建成后實現千兆的連接速率，將能極大的保證設施農業各系統與總控生產中心的連接，提供穩定的連接，使各生產系統設備的部署既可靠又靈活。視頻監控系統，能夠保證有1 G的速率連接到總控網絡，對于目前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察生產情況。足夠的背板帶寬足以滿足日后可能的擴展，OLT的多業務能力，使其還有能力充分利用光纖進行異步的數據傳輸。生產控制系統，通過網絡連接到總控系統，總控系統負責各傳感器采集數據的分析，通過GPON網絡可以將串行的采集控制線路轉換為直接的網絡連接，避免了輪詢方式的延時，提高了系統的靈敏性。

3 結語

總體來說，GPON網絡構建簡單適合在園區現代化的設施農業中應用，無源的網絡連接設備方便在農業生產環境中部署，不易受到自然環境等因素的影響，減少維護難度和維護量，以光纖作為傳輸介質，解決了傳輸距離遠的問題，GPON復用光纖的技術使每個節點都能具有很高的帶寬，這些特點很好的解決了設施農業上網絡應用中遇到的問題，使設施農業上管理、生產等系統的充分發揮應有效用。

在信息化的時代，農業新技術的應用發展及規模化生產提高效益將會使一些具有規模的農場、農企、合作社乃至個人加入到設施農業的使用隊伍中，GPON網絡為其應用找到一個良好的使用平臺，性能高、易使用維護、造價低。本方案作為GPON網絡在設施農業的應用案例，適合在設施農業建設中推廣應用，GPON網絡這些特點同樣使其適合在農業的應用領域部署，對解決了困擾我們的農村信息化“最后一公里接入”問題和農業數據采集問題具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1]段園園，楊軍. 現代循環農業生態園區的規劃與設計——以福清市漁溪鎮某基地為例[J] . 福建農業科技，2010(5)：88-90.

[2] 王霖，唐浬. GPON關鍵技術研究[J]. 通信與信息技術，2013(6)：64-66.