基于SOA的網(wǎng)格型農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

鄒一琴， 張 兵

(1.江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.常州工學(xué)院，江蘇常州 213002)

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各類農(nóng)業(yè)資源在現(xiàn)代大型農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)業(yè)信息服務(wù)和數(shù)字媒體應(yīng)用的科學(xué)研究中迅速增長(zhǎng)。面對(duì)幅員遼闊的農(nóng)業(yè)資源分布和動(dòng)態(tài)變化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的不同要素，大到水質(zhì)、土壤、氣象，小到光照度、溫濕度、灌溉、化肥和農(nóng)藥施用量，用戶必須提取、訪問(wèn)、分析和利用大量分布式和異構(gòu)資源。物聯(lián)網(wǎng)的傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基于3層模式，即包括物理感知層、信息傳遞層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層的3層結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)是基于應(yīng)用的設(shè)計(jì)，它適于解決個(gè)別特定的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制。但如何把不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(如A區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)和B區(qū)的大田作物農(nóng)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng))聯(lián)系起來(lái)，更好地為整個(gè)農(nóng)業(yè)行業(yè)服務(wù)，面對(duì)農(nóng)業(yè)工程實(shí)際用例的復(fù)雜性和多樣性，這樣的3層結(jié)構(gòu)難以對(duì)農(nóng)業(yè)資源對(duì)象進(jìn)行分類、組織、管理。本研究提出了一種基于SOA(service-oriented architecture，面向服務(wù)的架構(gòu))的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，依托農(nóng)業(yè)網(wǎng)格的方式把整個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用通過(guò)服務(wù)封裝的形式組織起來(lái)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)服務(wù)無(wú)差別地注冊(cè)登記、調(diào)度管理以及服務(wù)交易。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

AIoT(agricultural internet of things，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng))是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)加應(yīng)用。如圖1所示，在感知層利用光、溫、氣等傳感器傳感和監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境信息對(duì)象，在網(wǎng)絡(luò)層有效傳遞這些信息，在應(yīng)用層處理這些消息，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)或生產(chǎn)應(yīng)用及信息管理。依據(jù)傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)3層理論，其基本結(jié)構(gòu)可以分為物理感知層、信息傳輸層、服務(wù)應(yīng)用層三部分。物理感知層即農(nóng)業(yè)信息感知和監(jiān)測(cè)層，信息傳輸層即信息傳輸和智能處理層，服務(wù)應(yīng)用層別稱農(nóng)業(yè)信息服務(wù)應(yīng)用層。

2 基于SOA的網(wǎng)格型AIoT

SOA是一種新型的基于Web服務(wù)和云計(jì)算技術(shù)的架構(gòu)方法。它使用服務(wù)來(lái)幫助組織應(yīng)用或?qū)嵗ㄟ^(guò)使用面向服務(wù)的架構(gòu)和產(chǎn)品列表來(lái)決定與每個(gè)技術(shù)的供應(yīng)商站點(diǎn)的連接方式。它應(yīng)用程序的不同功能單元(稱為服務(wù))，通過(guò)這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來(lái)。接口采用中立的方式進(jìn)行定義，這樣能獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言，使構(gòu)建在各種系統(tǒng)中的服務(wù)以一種統(tǒng)一、通用的方式進(jìn)行交互。網(wǎng)格是一種用于集成或共享地理上分布的各種資源[1]，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、文件、數(shù)據(jù)庫(kù)、程序等。本研究基于農(nóng)業(yè)網(wǎng)格的AIoT，通過(guò)網(wǎng)格構(gòu)建農(nóng)業(yè)服務(wù)，使存在于不同地理位置的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)資源成為有機(jī)整體，共同完成任務(wù)。

2.1 網(wǎng)格型AIoT應(yīng)用節(jié)點(diǎn)

農(nóng)業(yè)資源包括自然資源和經(jīng)濟(jì)資源[2]。自然資源包含農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以利用的自然環(huán)境要素，如土地資源、水資源、氣候資源和生物資源等。經(jīng)濟(jì)資源包含對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接或間接發(fā)揮作用的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和社會(huì)生產(chǎn)成果， 如農(nóng)業(yè)人口和勞動(dòng)力的數(shù)量和質(zhì)量、農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備以及交通運(yùn)輸、通信等農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等。這些動(dòng)態(tài)變化、異地分布、表現(xiàn)形式多樣的資源都對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生影響。而對(duì)應(yīng)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用也是五花八門的，其中涉及的數(shù)據(jù)大小也不同，小到有幾個(gè)字節(jié)的狀態(tài)顯示，大到有百萬(wàn)億字節(jié)級(jí)別的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)更新。而且這些數(shù)據(jù)大部分是分布式、異構(gòu)、不斷變化的。為了避免用戶直接面對(duì)如此復(fù)雜的數(shù)據(jù)，需要把這些數(shù)據(jù)封裝起來(lái)，只向用戶展示最終的業(yè)務(wù)服務(wù)[3]。建立基于SOA的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，首先須要建立統(tǒng)一、通用的資源節(jié)點(diǎn)。針對(duì)如何定義SOA模式下的農(nóng)業(yè)資源，如何界定在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的各種生產(chǎn)要素，本研究提出基于語(yǔ)義網(wǎng)格的農(nóng)業(yè)應(yīng)用架構(gòu)，并根據(jù)時(shí)空本體定義元數(shù)據(jù)。

圖2是基于農(nóng)業(yè)資源網(wǎng)格的應(yīng)用節(jié)點(diǎn)模型。這種模型是以服務(wù)為導(dǎo)向，以O(shè)GSA(open grid services architecture，開(kāi)放式網(wǎng)格服務(wù)架構(gòu))的形式表達(dá)[4]，它是農(nóng)業(yè)資源網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的三級(jí)架構(gòu)。與傳統(tǒng)的AIoT結(jié)構(gòu)相比，它封裝和隱藏農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，將資源網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的農(nóng)業(yè)信息資源格式和決策支持系統(tǒng)統(tǒng)一起來(lái)，通過(guò)資源管理中間件對(duì)農(nóng)業(yè)資源和服務(wù)進(jìn)行分類和映射。根據(jù)需要可實(shí)現(xiàn)基于農(nóng)業(yè)資源網(wǎng)格核心業(yè)務(wù)層的任務(wù)調(diào)度、資源管理以及信任等級(jí)的計(jì)算，并根據(jù)需要最終向每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的用戶分發(fā)信息服務(wù)。農(nóng)業(yè)資源網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的部署架構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，全局站點(diǎn)級(jí)別是客戶可以看到和訪問(wèn)的外觀，交互站點(diǎn)級(jí)別是AIoT的組織和管理部分，它是AIoT元素的網(wǎng)格封裝層，內(nèi)部站點(diǎn)級(jí)別是AIoT中實(shí)際具體的分布式資源。所有用戶請(qǐng)求都必須發(fā)送到處于最上層的全局調(diào)度層的節(jié)點(diǎn)，由全局調(diào)度層對(duì)交互站點(diǎn)層的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中式管理，而內(nèi)部站點(diǎn)層中的節(jié)點(diǎn)按照交互站點(diǎn)層的調(diào)度計(jì)劃完成相關(guān)任務(wù)[5]。盡管內(nèi)部站點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)可能是分布的農(nóng)業(yè)資源，屬于不同所有者，其管理策略是非協(xié)作的；但是為了實(shí)現(xiàn)協(xié)同的農(nóng)業(yè)服務(wù)，交互站點(diǎn)層的管理策略通過(guò)統(tǒng)一、協(xié)作的調(diào)度方法使其完成合作。

2.2 農(nóng)業(yè)資源元數(shù)據(jù)建模

農(nóng)業(yè)資源具有時(shí)間性、空間性，同一農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)在不同時(shí)期或地理區(qū)域有不同的應(yīng)用。因此，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)應(yīng)考慮到時(shí)間性和空間性。基于時(shí)空本體的農(nóng)業(yè)元數(shù)據(jù)建模采用Web本體語(yǔ)言和語(yǔ)義Web規(guī)則語(yǔ)言(semantic web rule language，SWRL)來(lái)描述基于時(shí)空動(dòng)態(tài)分布的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的時(shí)間原始動(dòng)作和空間原始動(dòng)作。根據(jù)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源的內(nèi)涵(如規(guī)則集、多媒體集、語(yǔ)義片段集、線性規(guī)劃模型等)確定數(shù)據(jù)資源的層次和結(jié)構(gòu)[6]，并通過(guò)采用多維結(jié)構(gòu)描述數(shù)據(jù)本體及其屬性(如數(shù)據(jù)的基本內(nèi)容、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)所有領(lǐng)域等)。

圖3描述了基于時(shí)空本體建立的農(nóng)業(yè)元數(shù)據(jù)模型的過(guò)程。該模型使用字典來(lái)描述和分析農(nóng)業(yè)資源的內(nèi)涵，確定應(yīng)用范圍，并定義所需的數(shù)據(jù)管理。使用自上而下的順序來(lái)確定農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)，可以分為概念層面、公理層面、規(guī)則層面、方法層面。通過(guò)確定其內(nèi)容、類型、表示形式、數(shù)據(jù)字段、位置坐標(biāo)，以設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)。利用時(shí)空本體單元，形成統(tǒng)一的農(nóng)業(yè)元數(shù)據(jù)高維模型，將數(shù)據(jù)源空間與公共時(shí)間軸連接起來(lái)，確定數(shù)據(jù)源和農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。它使用基于XML標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展格式來(lái)表示數(shù)據(jù)的中間格式。基于WSRF(web services resource framework，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源框架)的資源結(jié)構(gòu)定義各種農(nóng)業(yè)資源，不僅包括信息的靜態(tài)不變屬性，還包括變化和動(dòng)態(tài)特性[7]。

這些農(nóng)業(yè)資源屬性可以劃分為基本屬性、擴(kuò)展屬性和任務(wù)屬性。基本屬性定義農(nóng)業(yè)資源的基本特征或特征，包括名稱、數(shù)量、供應(yīng)商、種類、位置、狀態(tài)等信息。擴(kuò)展屬性定義了在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中輸入的信息，包括生產(chǎn)環(huán)境、時(shí)效信息、使用流程、基本費(fèi)用、空間調(diào)度費(fèi)用信息、政策或法律因素信息等。此屬性中對(duì)時(shí)間、空間或政治屬性進(jìn)行分類。任務(wù)屬性是輸出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的資源信息，包括生產(chǎn)能力、批量信息和完成量等生產(chǎn)信息[8]。

根據(jù)農(nóng)業(yè)資源的屬性結(jié)構(gòu)，農(nóng)業(yè)資源可以以三元組的形式表示：組件=。其中ID與資源的標(biāo)記信息對(duì)應(yīng)，主要對(duì)應(yīng)于可以表示為ID的資源標(biāo)簽和資源名稱屬性。DI是資源的決策信息，在物理服務(wù)轉(zhuǎn)換為邏輯服務(wù)時(shí)，用于在選擇決策過(guò)程中執(zhí)行資源封裝。與資源實(shí)際使用密切相關(guān)的重要信息包括處理產(chǎn)出、狀態(tài)信息、用戶費(fèi)用、所需時(shí)間、質(zhì)量評(píng)估信息等。RP是資源信息的其他屬性，包括資源的常用擴(kuò)展信息和其他獨(dú)立決策和識(shí)別，收集和處理屬性的基本屬性。

3 農(nóng)業(yè)資源的獲取和認(rèn)證

農(nóng)業(yè)網(wǎng)格要求代理找到必要的資源時(shí)，需要網(wǎng)格任務(wù)代理人根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)和預(yù)算進(jìn)行農(nóng)業(yè)資源的招標(biāo)，資源和客戶通過(guò)競(jìng)標(biāo)獲得一定比例的使用權(quán)和任務(wù)分配。具體流程是：當(dāng)任務(wù)提交時(shí)，網(wǎng)格任務(wù)代理一直輪詢，表明農(nóng)業(yè)網(wǎng)格資源尚未分配給網(wǎng)格任務(wù)代理。網(wǎng)格任務(wù)代理使用網(wǎng)格任務(wù)代理任務(wù)列表來(lái)存儲(chǔ)和管理要執(zhí)行的任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)表項(xiàng)加以完成。

圖4描述了網(wǎng)格任務(wù)代理任務(wù)列表中的樹(shù)結(jié)構(gòu)。農(nóng)業(yè)網(wǎng)格任務(wù)代理任務(wù)列表由幾個(gè)任務(wù)項(xiàng)組成；農(nóng)業(yè)網(wǎng)格任務(wù)代理給出使用資源的任務(wù)主體名稱。代理商的代理人名稱是全球唯一的，可以通過(guò)信息服務(wù)映射到特定的網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址，包括域名、公司地址、法定代表、聯(lián)系信息和虛擬地址分配。任務(wù)內(nèi)容包括任務(wù)號(hào)、請(qǐng)求描述、任務(wù)完成時(shí)間和任務(wù)價(jià)格；任務(wù)編號(hào)是分配給使用該服務(wù)的農(nóng)業(yè)網(wǎng)格任務(wù)代理的序列號(hào)。在同一合同中，每個(gè)任務(wù)都有唯一的任務(wù)號(hào)。

農(nóng)業(yè)網(wǎng)格任務(wù)代理獲取資源的過(guò)程如圖5所示，箭頭在垂直線方向表示發(fā)生的時(shí)間順序，具體操作可以包括以下步驟：(1)投標(biāo)。在農(nóng)業(yè)網(wǎng)格資源任務(wù)代理所在節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建1個(gè)UDP套接字發(fā)送消息，并創(chuàng)建1個(gè)單播TCP套接字，接收來(lái)自網(wǎng)格任務(wù)代理的消息。農(nóng)業(yè)網(wǎng)格任務(wù)代理創(chuàng)建1個(gè)套接字用于監(jiān)聽(tīng)資源節(jié)點(diǎn)的通告。(2)競(jìng)標(biāo)成功。農(nóng)業(yè)網(wǎng)格資源提供者代理AGRPA(agricultural grid resource provider agent)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)格任務(wù)代理發(fā)出競(jìng)標(biāo)信息，從數(shù)據(jù)包中提取任務(wù)代理競(jìng)標(biāo)項(xiàng)，農(nóng)業(yè)網(wǎng)格資源代理首先檢查能否滿足任務(wù)代理所需資源的條件，若能滿足，再根據(jù)任務(wù)代理所出的標(biāo)價(jià)選擇出價(jià)格最高的任務(wù)代理，若不能滿足則馬上返回信息。當(dāng)競(jìng)標(biāo)結(jié)果產(chǎn)生后，資源節(jié)點(diǎn)將從數(shù)據(jù)包中提取IP地址以建立TCP連接，隨后向網(wǎng)格任務(wù)代理發(fā)出資源中標(biāo)通知消息。

4 面向協(xié)作的農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)(AG)資源調(diào)度器方法

假設(shè)農(nóng)業(yè)網(wǎng)格資源調(diào)度者具有m個(gè)資源(m≥1)R1，R2，…，Rm，用實(shí)數(shù)隊(duì)列Si(i=1，2，…，m)表示每個(gè)資源的業(yè)務(wù)能力(包括生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、平均生產(chǎn)周期等)，則建立農(nóng)業(yè)網(wǎng)格的調(diào)度模型如圖6所示，主要組成部分包括應(yīng)用接口、資源發(fā)現(xiàn)和事務(wù)處理模塊、支持啟發(fā)式調(diào)度算法管理模塊、網(wǎng)格通道列表、網(wǎng)格通道分配模塊。

調(diào)度程序的工作模式包括以下幾步：一是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用戶首先建立任務(wù)或作業(yè)(job)，作業(yè)包括對(duì)用戶需求的具體描述，如須要培育5萬(wàn)只大閘蟹和具體提交標(biāo)的時(shí)限，其任務(wù)會(huì)被翻譯成一系列標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格通道列表，然后通過(guò)應(yīng)用程序接口傳遞給AG資源調(diào)度器。二是資源搜索和發(fā)現(xiàn)模塊會(huì)匹配相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)能力，通過(guò)交易模塊與網(wǎng)格信息服務(wù)模塊相互作用確定資源的信息，如評(píng)判相應(yīng)的大閘蟹培育基地，然后與資源相互作用建立農(nóng)業(yè)資源的配置和調(diào)用花費(fèi)。通過(guò)投標(biāo)和競(jìng)標(biāo)達(dá)成協(xié)作的電子合同。三是系統(tǒng)根據(jù)代理者資源列表，分配網(wǎng)格通道列表中的作業(yè)在資源中協(xié)同執(zhí)行，如前述的大閘蟹培育需求因?yàn)樾枨罅烤薮螅氁峙涞讲煌拇箝l蟹生產(chǎn)基地協(xié)同執(zhí)行，通過(guò)測(cè)試和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，農(nóng)業(yè)資源的生產(chǎn)能力數(shù)據(jù)被作為預(yù)測(cè)依據(jù)。四是調(diào)度管理模塊基于資源調(diào)度算法和農(nóng)業(yè)資源的生產(chǎn)能力，根據(jù)用戶需求，考慮最終期限和預(yù)算限制，最優(yōu)化策略-代價(jià)、代價(jià)-時(shí)間、時(shí)間或時(shí)間變量等要素為網(wǎng)格通道選擇合適的農(nóng)業(yè)資源。五是對(duì)每個(gè)農(nóng)業(yè)資源，網(wǎng)格通道分配模塊根據(jù)使用策略選擇網(wǎng)格通道的數(shù)量來(lái)執(zhí)行，以避免對(duì)于單一服務(wù)供應(yīng)商的農(nóng)業(yè)作業(yè)或農(nóng)業(yè)資源的空載或負(fù)載過(guò)重。

5 結(jié)論

本研究提出一種基于SOA的網(wǎng)格型農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，用來(lái)組織和管理農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用領(lǐng)域的所有農(nóng)業(yè)要素和資源。它使用面向服務(wù)的架構(gòu)封裝和管理傳統(tǒng)3層物聯(lián)網(wǎng)模型的應(yīng)用模型，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的多樣應(yīng)用的需求提供無(wú)差別的連接和管理。把多樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用協(xié)同和聯(lián)系起來(lái)，使農(nóng)業(yè)資源更加合理高效地為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。由于篇幅原因，僅討論了基于SOA的網(wǎng)格型農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)模型、農(nóng)業(yè)資源元數(shù)據(jù)建模以及農(nóng)業(yè)資源的獲取、認(rèn)證和面向協(xié)作的AG資源調(diào)度方法。基于SOA的網(wǎng)格型物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)學(xué)工程，須要不斷完善和發(fā)展，并不斷地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中去。

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