農業物聯網分層結構設計

周鵬 田維平

摘 要： 針對現有農業物聯網系統通用性差、缺乏完整體系結構的問題，提出六層物聯網體系結構模型，對每層的功能及研究方向做了全面的分析。體系結構從上到下分為應用層、數據處理層、網絡層、中間件層、異構網絡適配層、感知層。該模型對外提供標準化的預測預警及方案決策等服務，降低了技術門檻和實現難度。研究結果可應用于物聯網服務構建、生產控制技術、知識處理與決策、數據資源綜合利用、信息服務和大數據處理等方面。

關鍵詞： 物聯網； 智慧農業； SOA； Web服務

中圖分類號：TP391.1 文獻標志碼：A 文章編號：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

農業物聯網在數據采集、傳輸、處理、預警、決策支持等方面發揮著越來越重要的作用。現有的系統架構針對的類型比較單一，研究主要集中在農業資源利用、生態監控、精細化管理、農產品安全溯源等方面，其擁有不同的主體并建立在不同的平臺，缺少信息資源的統一集成。本文在研究農業物聯網的基礎上，提出基于SOA的向農業物聯網系統框架，該框架實現了將農產品從種植、加工、運輸、銷售及儲存等生產過程定義為不同的服務，通過對服務的調用，實現靈活、快速響應需求及全程溯源。

1 農業物聯網概念

早在1999年，由麻省理工學院（MIT）Auto-ID中心的Ashton教授提出物聯網的概念[1]，傳統物聯網系統可以劃分為感知層、網絡層與應用層[2] ，其架構如圖1所示。農業物聯網將大量傳感器應用于農業生產的各個環節，通過網絡設備、服務器及應用軟件組成監控網絡。感知層由各種感知器及節點組成，對土壤水分、苗情長勢等農業對象或動植物行為等過程進行信息獲取；傳輸層將感知層獲取的各類數據信息，通過有線或無線方式傳輸到應用層； 應用層進行信息處理、建模和決策，實現對農業生產過程的管理控制[3]。

2 存在的問題及研究現狀

存在的問題：傳統的物聯網架構缺乏數據的共享性及服務標準的統一性，技術互不兼容，缺乏對全局架構的分析和設計，易造成數據共享困難、系統碎片、垂直化及異構化。

研究現狀：歐盟委員會關于物聯網體系結構的項目有SENSEI[4]和IoT-A[5]；姜洋等人從農產品質量追溯方面來設計質量追溯系統架構，使追溯流程變得有彈性和靈活，能快速響應產品多變的需求[6]；GUBBI等[7]提出基于云計算的物聯網實現架構；楊斌等[8]通過對SOA架構的研究，提出基于面向服務的物聯網企業應用基礎框架；葛文杰等[3]分析了各種類型傳感器的相關參數及農業物聯網的應用技術與標準規范；沈蘇彬等[9]研究了下一代物聯網、網絡物理系統、泛在網絡、機對機通信及無線傳感器網絡；高浩天等[10]提出了智能溫室物聯網的架構方案；鄭紀業等[11]通過接入層對數據采集設備進行統一標準化的描述和統一的資源訪問管理；凌曉東[12] 提出目前缺乏面向農民“一站式”應用系統。

3 SOA架構下農業物聯網體系結構設計

3.1 SOA架構

SOA（Service Oriented Architecture）即“面向服務的體系結構”，SOA可以看作B/S模型、XML/Web Service技術之后的自然延伸。涉及到SOA的業務領域和技術領域[13]，如圖2所示。

SOA結構一般分為服務提供者、服務使用者及服務注冊中心（服務注冊機構）[14]三部分，如圖3所示。

3.2 農業物聯網SOA服務設計的原則[15-16]

⑴ 可發現及動態綁定。服務在設計及運行中都應該被發現，如溫度檢測服務可以被任何需要的服務使用者使用。

⑵ 無狀態性。指服務不記錄狀態信息，服務的使用者使用服務的過程是實時性的，如溫控系統對溫度的采集服務。

⑶ 松耦合。指服務之間的相互依賴程度不高，各模塊間有很強的獨立性。

⑷ 粗粒度。是指服務可以提供給第三方用戶使用。

3.3 系統架構設計

對針傳統農業物聯網系統中數據標準不統一、技術手段眾多、業務流程多變、數據封閉等的情況，為保證系統能夠適應不同的變化，保持系統的可擴展性，將分散在不同管理機構及決策單位的數據資源信息進行整合，實現數據共享與模型集成，并能在不同開發平臺及開發語言下運行。將SOA架構引入傳統物聯網系統框架，根據農業物聯網體系結構構件的原則及SOA架構設計的要求，結合ITU相關標準及技術工程經驗，提出SOA架構下基于物聯網的智慧農業系統架構，如圖4所示。

3.3.1 感知層

感知層主要包括各類數據采集設備如RFID、條碼、遙感技術、WIFI、ZigBee及各類傳感器，在農業領域，包括溫度、濕度傳感器、生物芯片傳感器[15]、無線傳感器、超高頻多卡識別[17]、智能化傳感器等，主要用來采集環境監控傳感數據及生理監控傳感參數，包括土壤溫濕度、環境溫濕度、心跳監測數據等。由于農田作業環境的限制，傳感器節點耗能大等問題影響了監控系統的整體性能，可采用太陽能為傳感節點供電，以有效地解決監測系統的功耗問題[18]。

3.3.2 異構網絡適配層

不同廠商的設備采用不同的數據格式、硬件接口等，其技術成熟度也存在一定差異。通過GPRS，ZigBee、藍牙、WiFi、CAN總線或者485總線等方式組網，構成了龐大的農業物聯網系統，系統開發人員需要針對每種網絡結構進行單獨開發，因而對數據采集設備進行標準化的描述和統一管理顯得尤為重要。采用硬件網關接口及驅動接口，通過對接入標準的初始化，為上層中間件層提供外部設備的操作接口并實現硬件設備的驅動程序。

3.3.3 中間件層[19]

中間件層可以有效屏蔽底層網絡復雜性的約束，提供統一的抽象管理接口，實現了對底層透明的目的。在感知層數據采集基礎設施建設方面，數據采集設備的分布面很廣，投資成本也很高，導致了采集層設備穩定性較高，通常情況下，只可能出現新增或逐步替換采集設備的方案，而不會整體或大規模更換設備，采集層中間件部分的功能相對來說是比較穩定的。中間件層對異構網絡層的服務主要由設備的驅動服務、中間件業務服務和上層業務服務構成。其中設備驅動服務通過對異構網絡層提供設備驅動服務、數據融合、數據封裝、維護設備鏈路狀態及通信協議，當物聯網系統中的設備發生變更時，在對應的設備驅動服務中心更新相關的驅動服務即可。中間件業務包括自身運行過程中的數據處理、數據轉換、過濾、去重等業務，對上提供包括數據壓縮、融合等服務。

3.3.4 網絡層

負責IP數據包分發路由，通過采用TCP/UDP等協議建立相關連接，并將數據傳遞到數據處理層，同時將數據處理層的相關控制命令下發到中間件層，再傳輸到感知層，使感知層的相關設備實現相應的動作，如攝像頭轉動，溫濕度調整，光照改變，打開或關閉設備等操作。可以通過智能物聯網網關直接將數據上傳至云端，由物聯云平臺進行存儲、分析、發布和共享，以云服務的方式提供給使用者使用[20]。

3.3.5 數據處理層

該層利用Web Service作為通信接口，以XML作為數據交換中間載體來建立共享的數據與服務，從而降低了農業物聯網系統集成的難度，滿足了系統的數據共享及快速訪問的需求。當用戶通過應用層申請數據共享時，先通過服務注冊中心查詢服務，并向相應的服務提供者發出請求，在服務提供者響應服務使用者的請求后，將共享數據返回給應用層。當應用層系統需要發布數據時，首先通過相應的數據采集接口將數據發送到數據服務注冊中心，服務的需求方通過訂閱服務注冊中心的服務，由服務提供者推送相應的數據信息。

3.3.6 應用層

應用層采用HTTP，FTP等協議，以Web方式進行訪問，為用戶提供統一的資源定位，服務使用者及服務提供者通過應用層以Web的方式訪問系統提供的服務及發布自己的服務。除此之外，應用層還肩負著物聯網安全協議及隱私保護協議等。智慧農業系統結構中的應用范圍比較廣泛，如農產品溯源、生產環境實時監控、智能控制物聯網系統、動植物生長過程監控等諸多方面。

4 結束語

本文通過對傳統物聯網的分析，對現有的農業物聯網系統結構進行改進，提出面向農業的物聯網系統架構模型，采用SOA架構，將服務提供和服務請求相分離，通過現有的應用組合來產生新的服務，提供給企業更好的靈活性，盡可能地減少系統的耦合，提高了可重用性，實現了對粗粒度松耦合服務的有效集成，解決了智慧農業系統中不同應用需求的數據交換與共享，為物聯網在農業領域的應用及系統的設計實現提供了一定的參考，但還需要進一步的完善，尤其是如何對獲取的數據進一步的過濾及深度數據挖掘和分析、對服務的詳細定義、調用接口的定義及性能描述等仍需要進一步的研究。

參考文獻（References）：

[1] Biggs P，Srivastava L.ITU Internet reports 2005： the internet of things[M].Geverna： International Telecommunication Union，2005.

[2] 李道亮.農業物聯網導論[M].科學出版社，2012.

[3] 葛文杰，趙春江.農業物聯網研究與應用現狀及發展對策研究[J].農業機械學報，2014.45（7）：222-230

[4] PRESSER M， BARNAGHI P M， EURICH M. The sensei project： Integrating the physical world with the digital world of the network of the future. Ieee Communications Magazine，2009.47（4）：1-4

[5] JOACHIM W W. Initial architectural reference model for IoT. EU FD 7 Project， Deliverable Report： D1.2，2011.

[6] 姜洋，王雷.基于SOA思想的農產品質量追溯系統框架[J].湖北農業科學，2012.51（19）：4369-4373

[7] GUBBI J， BUYYA R， MARUSIC S， PALANISWAMI M. Internet of things （iot）： A vision， architectural elements， and future directions. Future Generation Computer Systems， 2013.29（7）：1645-1660

[8] 楊斌，張衛冬，張利欣，章立軍，時鵬.基于SOA的物聯網應用基礎框架[J].計算機工程，2010.36（17）：95-97

[9] 沈蘇彬，范曲立，宗平，毛燕琴，黃維.物聯網的體系結構與相關技術研究.南京郵電大學學報（自然科學版）， 2009.29（6）：1-11

[10] 高浩天，朱森林，常歌，符凌峰，黃震宇.基于農業物聯網的智能溫室系統架構與實現[J].農機化研究，2018.1：183-188

[11] 鄭紀業，阮懷軍等.農業物聯網體系結構與應用領域研究進展[J].中國農業科學，2017.50（4）：657-668

[12] 凌曉東.SOA綜述[J].計算機應用與軟件，2007.24（10）：122-124

[13] 朱振杰.SOA的關鍵技術的研究與應用實現[D].電子科技大學，2006.

[14] 傅兵.基于SOA的數字農務系統關鍵技術研究[D].南京農業大學，2012.

[15] 葉鈺，應時，李偉齋，張韜，面向服務臺體系結構及其系統構建研究[J].計算機應用研究，2005.

[16] 唐珂.國外農業物聯網技術發展及對我國的啟示[J].農業物聯網，2013.28（6）：700-707

[17] 劉穎. 物聯網環境下超高頻射頻識別系統中多卡識別的實現[J].微電子學與計算機，2017.34（11）：104-107

[18] 楊玉霞，湯金金.太陽能農機發動機監測系統設計[J].農機化研究，2018.5：259-263

[19] 梅宏.軟件中間件技術現狀及發展[M].清華大學出版社，2004.

[20] 程宏杰，朱震宇，陳澤.農業物聯云的設計與實現[J].江蘇農業科學，2017.45（3）：179-183