網格型農業物聯網資源封裝和信息集成方法

鄒一琴　張兵

摘要：對網格型農業物聯網（AIoT，agricultural internet of things）資源封裝和信息集成方法進行討論和研究。基于SOA的網格型AIoT為農業物聯網提供一個新的解決方案，可以有效組織和管理現有農業工程中復雜多元的農業資源，為客戶提供統一和標準的農業服務。首先介紹基于SOA的網格型AIoT生態系統；接著基于語義網格給出農業資源的服務架構；然后基于網格的方法提出一種基于ARHM的農業資源層次模型；最后根據該模型研究基于WSRF的資源管理框架和農業資源封裝方法。面向服務的封裝和資源管理方法是一個以最佳方式基于語義網格映射到具體農業資源的服務需求過程。這樣使無差別業服務與具體農業資源實現無縫連接，使得各種農業資源在標準的XML接口封裝下能被用戶通過Web應用輕松訪問。

關鍵詞：網格型農業物聯網；資源封裝；信息集成；智慧農業；農業資源；Web應用；SOA網格技術

中圖分類號： S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0239-04

收稿日期：2017-06-05

基金項目：中國博士后科學基金（編號：2015M571692）；江蘇省自然科學基金（編號：BK20141165）；江蘇省“333”工程科研項目（編號：BRA2014066）。

作者簡介：鄒一琴（1970—），女，江蘇常州人，博士研究生，副教授，主要從事系統工程和農業自動化研究。E-mail：zouqyiqin12@126.com。 國際電信聯盟（international telecommunication union，ITU）在《ITU互聯網報告2005：物聯網》中提出“物聯網將以感官智慧的方式連接世界對象”。其中，ITU結合各種技術發展描述了物聯網（internet of things，IoT）中物體識別（標記事物）、傳感器和無線傳感器網絡（感知事物）、嵌入式系統（思考事物）和納米技術（微觀事物）4個維度。在物聯網愿景中，“事物”的定義非常廣泛，包括各種物理元素，包括大家攜帶的個人物品如智能手機、平板電腦和數碼相機，還包括大家生活環境（家庭、車輛或工作中）中的元素以及通過網關設備（如智能手機）連接的標簽（RFID、QR或其他）的東西。基于上述“事物”，大量的設備和對象將連接到互聯網，每個都提供數據和信息，有些甚至可以提供一些服務。在農業工程領域，大量資源都是異地分布、動態變化的，同時可能分屬不同組織和不同領域，甚至不同國家。而在傳統IoT中，應用模型由服務應用層、信息傳遞層和物理感知層進行組織管理，它不能表達出農業政策或農業環境等復雜農業資源[1]。由于缺乏這些重要因素，很難衡量物聯網的效率和性能。由于沒有這些特殊資源的詳細定義和描述，也導致這些資源信息在應用工程無法復制、傳遞和重用。因此，本試驗在基于面向服務的架構（service-oriented architecture，SOA）的網格型農業互聯網（agricultural internet of things，AIoT）理論的基礎研究和討論農業資源的表示以及管理方法，將重點研究基于SOA的網格技術對AloT的資源封裝和信息集成的技術和方法。

1 基于SOA的網格型AIoT生態系統

在物聯網中，事物可以被標記，并通過攝像頭掃描識別，還可以上傳相關的位置信息。類似地，具有監測天氣和環境的傳感器可以觀測到更細微的環境要素，并依此編制和更新日常農業任務。而傳感器和執行器網絡也可檢測實時實地環境，將狀態和事件傳達到更高級別的服務。智能事物感知活動和狀態可直接鏈接到IoT。圖1是筆者提出的基于SOA的網格型AIoT生態系統的框架圖[2]。在面向服務的架構中，中間件和框架使應用程序和服務開發相結合，利用從事物接收的數據或分析相關的數據提供服務，云端的應用或服務有智能計算的能力，可以處理和加工數據，從而生成更有效的服務，比如可以通過接收來自農業生態環境的數據生成相關服務（如農業應用、生產任務、交易等）。農業物聯網客戶如農民可以通過AIoT的應用服務執行農業任務，再如企業可以通過物聯網的應用服務發布任務。農業專家可以通過應用服務優化農業過程參數配置。管理員可通過應用服務對AIoT生態系統進行維護、技術支持和安全管理。新的生態系統不僅涵蓋了ITU提出的“微觀事物”（微觀物聯），同時也擴展了“宏觀事物”（宏觀物聯）用以描述農業生產過程中涉及到的政治、人文、社會等環境因素[3]。考慮了農業生產環境和政策人文因素以后，新的框架能夠更好地進行農業生態建設和管理，有利于農業資源的合理利用和社會的可持續發展。

2 農業資源語義網格服務實現架構

在網格中，所有任務都按照服務格式進行組織和執行，所有應用都是面向服務的，為了實現農業資源網格中描述的服務，本研究采用基于語義網格農業資源的服務實現架構，結果如圖2所示。

該架構包含數據封裝層、信息知識層和接口層3層[4]。其中， 數據封裝層會把原始農業數據通過外部庫的匹配通過封裝或命令依據輕量目錄訪問協議（lightweight directory access protocol，LDAP）組織起來，統一存儲到關系數據庫內，通過數據庫接口DBI和信息知識層交互。信息知識層是農

業資源所有應用和服務的無差別結構化的過程體現，通過基于各種介質（文件、元數據、目錄、本體、知識等）形成的包通過JAVA智能網絡設備（java intelligent network infrastructure，JINI）或簡單對象網絡協議（simple object access protocol，SOAP）/可擴展標記語言（extensible markup language，XML）技術實現統一的表示和描述，再通過代理、授權、安全、復制、調度等動作通過統一的用戶接口提供服務給接口層。接口層是最終面向用戶的，它包括web服務和應用以及用戶自定義應用，可通過圖形化接口GUI或命令行接口CLI實現農業網格的入口服務。整個架構AIoT中所有事物的表示方法是統一的，這意味著所有農業實體在完全開放的標準框架中提供其服務。當然，依據安全和授權的不同，訪問權限會有所不同，有的環境下某些應用可能被關閉，有的入口也可能受到控制[5]。因此，如何將具體農業資源抽象為農業語義網格的要素對于在最終在AIoT中實現這些服務至關重要。endprint

3 農業資源建模

3.1 農業資源分類

要在農業網格中有效、高效地利用和管理農業信息，不僅要考慮信息內容，還要分析所有農業資源及其特點。如圖3所示，農業資源是農業自然資源和農業經濟資源的總稱[6]。其中，農業自然資源包括農業生產中可以利用土地、水、氣候、資源和生物資源等自然環境因素。農業經濟資源是直接或間接在農業生產中發揮作用的社會經濟因素或社會成果如農業人口和勞動力的數量和質量、農業技術和設備，包括交通運輸、文化交流、教育、健康、農業基礎設施。圖3還給出了農業生產過程中的的設備資源的一些細分示例。

3.2 農業資源建模

在AIoT中，共享資源的核心是資源被封裝為具有網格標準規范的網格節點，并以透明的方式為用戶提供方便的網格服務[7]。如何封裝各種農業資源是資源建模的一項關鍵技術。因此，本研究提出了適合各種農業資源的高級抽象模型，并基于web服務技術來討論其實現。在農業上，有諸多復雜的設備、農具、大型應用軟件、生產資源存儲等各個不同領域的資源，不同類型的資源具有不同的信息和共享方式，所以很難以統一的方式來表達。但從抽象的角度來看，它們有共同的模式可表達其中的信息和數據[8]。基于這個目標，筆者提出了一種基于農業資源層次模型（agricultural resource hierarchy model，ARHM）的高級模型，適用于各種農業資源的建模，結果如圖4所示。

傳統的物聯網3層模型包括業務應用層、信息傳遞層和身體感知層。與面向應用的模式相比， ARHM是面向服務的

模型[9]，它將各種不同的農業資源與統一的接口層相結合，可以隱藏不同應用程序的差異，使所有的應用程序都可以在不區分資源類型和模式的情況下實現。在基于網格的ARHM中，用戶也不必關心是誰通過何種方式提供這些服務，只需要通過統一的接口使用這些服務即可。傳統互聯網實現了計算機硬件的連接，web實現了信息網頁的連接，網格的目標是實現互聯網上所有資源的全面互聯。面向服務的網格將整個互聯網整合到一個巨大的超級計算機中，實現計算資源、存儲資源、數據資源、信息資源、知識資源和專家資源的全面共享和協調[10]。

3.3 基于OGSA的抽象模型表示

為了服務提供者在網格環境中有效獲取所需組件，建立廠商與企業或企業與企業之間的橋梁，必須封裝農業資源，形成網格服務，使資源更容易被訪問、調用和處理。因為需要建立一個開放的、易維護的、兼容各種異構設備系統的、廣泛的應用集成環境[11]。本研究采用了基于開放網格服務體系結構（open grid services architecture，OGSA）來表示ARHM模型。OGSA是一種開放式接口，也是一種web服務，它提供一組定義明確的接口，并遵循特定的約定提供網格服務。在基于開放網格服務體系結構中，ARHM可被表示為：

AGResModel = {ResType，RefAddress，PropInfo，Interface}。

式中：ResType表示物理資源層中的分布式和異構的特定農業資源。它們的類型、屬性是不同的，但對用戶而言，其接口是統一而透明的。RefAddress表示可以訪問資源或網格服務的引用地址，它是全局空間中的通用資源標識符（URI），資源的URI在特定的命名空間中聲明。PropInfo表示從物理資源層抽象的信息，它包括通用的屬性、能力和狀態信息等。PropInfo可以擴展表示為：{PropInfo | （SumInfo，AttrInfo，CapabInfo，StatusInfo…）}。Interface是資源的接口類型。

4 基于WSRF的服務資源管理

在網格型AIoT中，筆者采用了基于web服務資源框架（web services resource framework，WRSF）的服務資源管理方法。WSRF是網格技術的開放標準，它定義了網格軟件和硬件資源的共享機制和管理機制[10]。

4.1 資源管理框架

通過將農業資源封裝到Web服務資源結構AG-Resource中，可以在異構的、分布的農業資源之間實現有效的共享和協作[11-12]。在這樣的結構中，消費者（資源用戶）可以通過標準接口使用農業網格（agricultural grid，AG）資源，不須要關心資源的實際位置和結構。AGRMS框架如圖5所示，它基于WSRF框架建立，主要由WSRF封裝模塊、AG資源管理系統模塊、服務管理模塊（包含安全管理器、工作流管理器、服務質量管理器）等組成。

4.2 WSRF封裝方法

AG資源是一個基于WSRF封裝的資源，它包括web服務和封裝的農業資源2個主要部分。基于WSRF的AG資源封裝結構（圖6）顯示，web服務可以實現AG資源的web服務功能，通過提供統一和標準的外部調用接口使消費者通過發送標準web服務來調用AG資源。封裝的農業資源用于保存農業資源的屬性信息，通過AGIS向客戶發布信息，發現適合任務的農業資源。

5 結論與展望

本試驗對基于AIoT網格技術的資源封裝和信息集成方法進行了探討和研究，它通過面向服務的網格為AloT提出了一個新的解決方案，以有效組織和管理農業工程中異構復雜和多元化的各類農業資源。農業資源經過信息封裝和集成后，面向服務的封裝和調度將為以最佳方式把服務需求映射為具體農業資源管理和調度的過程。與傳統的面向應用的管理方法相比，面向服務的方法對于不同的資源對象具有統一的接口。它可以輕松實現標準化、模塊化和擴展，同時表達出更多更復雜的農業資源，還可以更準確地衡量物聯網的效率和性能。在增加了這些特殊資源的詳細定義和描述后，在不同的應用工程中，這些資源信息也可以被復制、傳遞和重復利用。

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