傳感云在精準農業上的應用與展望

崔 瑜,羅靜靜,李懷勝,田 敏

(1.新疆生產建設兵團第九師農業科學研究所(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)

隨著科學技術的不斷發展,無線傳感器網絡開始應用于農業的方方面面[1],如管理農田灌溉[2-4]、檢測溫室大棚氣體[5-6]以及監測農田作物生長情況等[7-8],被用于解決精準農業[9]發展過程中遇到的一些實際問題。無線傳感器網絡在促進當代農業發展的同時,由于自身成本低和體積小等問題,在農業應用中的弊端也不斷突顯出來。近年來,云計算的發展越來越受關注,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絡相結合后,在精準農業上可以作為一個新的研究方向和領域。Brown等[10-11]定義傳感云為將云計算與無線傳感器網絡結合在一起的遠程管理服務平臺,構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業相關信息后,發送至網關節點,虛擬傳感器負責向用戶提供關鍵信息,最后云端處理復雜的任務。該模式不僅提高了農業生產成本的效益,還提高了數據處理的準確率。憑借傳感云框架高成本的效益以及低維護的需求,在農業應用中發揮巨大的優勢。雖然越來越多的研究學者開始關注傳感云,但是關于這方面的農業應用研究還是不多。我國是農業大國,目前很多農業生產活動還主要依靠人力進行,利用傳感云技術,再結合當下廣泛普及的機器學習、物聯網技術、大數據和云計算等技術,對當代農業的發展以及未來精準農業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,結合云計算強大的虛擬化技術,對其在精準農業領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絡結合并構建模型后,在數據存儲和處理能力方面,與傳統的無線傳感網比較,有巨大的優勢;Madria等[13]將其定義為:在傳感網絡頂端上,許多不同的虛擬節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:結合不同的網絡以及傳感應用,與云端相結合,為傳感網絡提供遠程的上網、檢測和監控等服務;此外,文獻還提到,不同的物理節點被傳感云虛擬化為傳感節點,從而自動響應用戶的服務請求[14]。總結來說,傳感云綜合了云計算和無線傳感網的優點,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,同一個基礎設施可以被不同的用戶和組織共享,按需管理使用傳感節點的資源并在云端上實現對傳感節點的操控。

1.2 傳感云體系架構曾建電等[15]提出,傳感云的體系架構如圖1所示,自下而上分別為物理節點層、虛擬節點層和用戶層。物理節點層中的傳感器節點有各自相應的控制和數據收集機制,每個傳感器節點在不同的應用中發揮著不同的功能;虛擬節點和云端組成了虛擬節點層,主要任務用來處理云端的資源以及調度管理物理節點,終端用戶不需要考慮傳感節點的具體位置,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Fig.1 Sensor cloud architecture

2 基于傳感云的精準農業系統架構

同傳感云架構一樣,精準農業傳感云系統框架也為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,不同的用戶根據不同的注冊方式其使用權限也不相同。當用戶以服務使用者的身份進行注冊時,只能使用相關儀器設備和數據服務而不能對設備的相關信息進行更改;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,通過網頁瀏覽器或者手機軟件就能使用戶登錄云平臺系統,最后按需選擇自己要進行的服務平臺。通過農業傳感云平臺,用戶可以實時對田間作物的生長情況進行監測,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數據服務,制定決策后數據會以圖表的形式提供給用戶,用戶就可以直接觀察監控區域的環境變化情況。每個人的賬戶、權限、傳感器和農業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,通過創建虛擬傳感器來共享底層的傳感器服務,結合虛擬化技術,不但為服務提供商保障了利益,同時也降低了農戶的使用成本。相較于一般的傳感云系統,農業傳感云有著極為獨特的地方,即不同的農業傳感器和設備分布于物理層中,相應的設備可以執行用戶所作的決策,而一般的傳感云系統僅為用戶提供傳感器數據信息。在物理層上,中繼節點是網關,每個傳感器節點都將通過ZigBee網絡節點發送至網關,最后數據通過4G或5G網絡發送至云平臺。

圖2 基于傳感云的精準農業系統架構Fig.2 Precision agriculture system architecture based on sensor cloud

3 農業傳感云的應用領域

3.1 基于傳感云的農田灌溉管理由圖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關采集到的濕度數據信息。在基于傳感云的系統框架下,相應的服務商會提供對應的設備,用戶可以在相關網站上按需選擇服務,這樣就可以隨時隨地對農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 基于傳感云的農田灌溉管理Fig.3 Farmland irrigation management based on sensor cloud

3.2 基于傳感云的農田害蟲監測由圖4可知,在傳感云框架背景下實現對害蟲監測的具體過程為:底層的無線網絡傳感器對農作物進行拍照,用相應的算法對圖像進行處理后,傳感云平臺接收發送過來的圖像和數據并進行處理,通過終端顯示器,用戶可以實時掌握已經處理好的信息,對信息進行整理和分析后,根據作物的生長狀態來判斷是否需要噴灑農藥。這主要是通過部署在相應區域的無人機來執行噴灑農藥的任務,當得到用戶請求后,無人機會自動飛行至指定的區域執行任務,此外無人機還能起到森林防火的作用。

圖4 基于傳感云的農田害蟲監測Fig.4 Pest monitoring in farmland based on sensor cloud

4 農業傳感云的發展優勢

與傳統的基于無線傳感器網絡的精準農業體系相比,傳感云技術發揮著更大的優勢,即具有可擴展性、簡單性、低成本、服務時間長以及資源數據共享等優點,具體分析如圖4。

4.1 可擴展性云計算的架構不但強大而且復雜,在傳感云系統框架下,傳統的傳感器網絡可以擴展為一個巨大的規模。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,農民使用者可以直接通過手機或電腦實時獲取農田信息,降低了系統的復雜程度。另一方面,用戶還可以通過傳感器收集到的各種數據和視頻流,也可以通過人工控制設備來進行大棚的管理。傳感器采集到的數據由采集器收集,通過無線或者有線傳輸的方式,將數據傳輸到后臺,用戶可以看到大棚內的實時數據。該系統匯集了各種農業數據,具有專家的實時指導功能,旨在幫助農民提高生產效率,增加產量,做出正確的生產決策,從而提高農民的收入水平。

4.3 低成本與傳統的無線傳感網相比,農民用戶可以不用承擔基礎設施的部署與維護工作,相應的組織和供應商會提供基礎設施,農戶只需按照自身情況選擇相應的服務訂閱。同時,隨著新網絡技術的廣泛應用,可以方便地將現有網絡升級到新的技術標準,并保持原有技術的兼容性。目前,人力資源成本越來越高,智慧農業已成為現代農業發展的必然趨勢,而利用無線傳感器節點構建的網絡是智慧農業獲取信息的主要途徑。通過信息技術與現代農業的優化,可以為農民提供信息技術的便利,促進農業技術的有效推廣。信息化、因特網和物聯網在現代農業發展中將發揮極其重要的作用,也必將給農業技術服務的推廣模式帶來最大的變革。

4.4 服務周期長傳統的無線傳感網對于農業生產過程中產生的大量數據處理過程需要消耗大量的能量,而在云計算技術的處理下,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,隨著傳統農業向智慧農業的轉型,大數據的應用必將進一步推動我國現代農業的快速發展。信息化、因特網和物聯網在現代農業發展中將發揮極其重要的作用,也必將給農業技術服務的推廣模式帶來最大的變革。

4.5 資源數據共享傳感云平臺上的虛擬傳感器主要是數據提供的承擔者,利用虛擬化技術專注于采集田間環境數據,物理傳感器向虛擬傳感器傳送數據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據。當他人有需求時,可以免費或支付少許費用來獲得這些數據。

5 存在的問題與挑戰

綜合分析傳感云在精準農業領域的應用,主要存在以下問題,即服務系統的通信模塊、服務平臺實時性、系統的交叉容錯以及數據的合理可用等,以下是對這些問題的詳細說明:

5.1 網絡服務系統問題由于存在大量傳感器被部署于復雜的環境并且資源匱乏的問題,網絡容易發生高風險的危機。更為突出嚴重的問題是,與云計算服務結合后,系統的不確定因素增加,當云端接收到錯誤的信息后將會執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據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據訪問,同時一些機密或者私有數據信息很容易泄露,用戶就會無法對數據進行可靠安全的控制。因此,應該對如何有效保護數據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成了傳感器節點,在傳感器網絡中,有限的通信帶寬與云計算結合后會產生大量的數據,當云端接收到這些數據時,會造成云端和傳感網之間的通信瓶頸問題,對傳感器節點和傳感網絡的通信能力都是一個極大的挑戰。

5.4 管理問題由于云端服務器與底層傳感網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點直接進行管理,傳輸錯誤和網絡帶寬等因素都會導致系統延遲。隨著物聯網技術的發展,人們在感知環境的同時能夠對環境做出響應[18-19],而當下的云計算平臺還不足以實現這類服務。

5.5 可用和異構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傳送的數據,然后呈現給用戶,能夠為用戶帶來精準的信息和用戶體驗,保障了數據的可用性;網絡儀器設備隨著時代的發展也在不斷地更新換代,所以在連接傳感云系統時就會出現一系列問題,即傳感云所面臨的挑戰之一就是如何保持不同的網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 已有解決方案從產業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]等都是產業傳感云系統,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構來講,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點的完整性以及保護數據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點的合法性以及各用戶間數據的獨立性;訪問安全、存儲安全和服務安全構成了云服務層,分別實現確保不同用戶身份訪問數據的合法性、感知用戶和數據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,同時也能夠保障數據的安全管理以及認證操作。傳感云平臺關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度較低。由于不同的傳感云系統針對不同的傳感云系統應用領域都會有所差異,所以要實現統一的云服務層仍具有一定的挑戰性。

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業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)隨著現代信息技術的飛速發展及其在農業領域的普遍應用,智慧農業將會為現代農業發展帶來革命性的技術創新。無線傳感網絡不僅可以采集所需的數據信息,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,是當前人們關注的熱點問題之一。基于虛擬化建設的傳感云農業研究,從管理的角度設計出滿足于傳感云系統特性的軟件設備,將能夠更好地保護傳感云系統,滿足管理者對網絡安全和資源管理等安全需求。

(2)在農業物聯網中,需要大量的感知節點和終端將采集到的農業信息傳送到數據中心,供農戶、農業相關專家參考和分析。在此基礎上形成的一種監測網絡,通過各種傳感器設備,幫助農民及時發現問題、解決問題,從而釋放勞動力,提高農業生產效率。基于可信度及評估的傳感云農業研究,傳統的底層傳感網絡在數據的完整性、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,更好地實現對物理環境的有效監測。當今現代農業信息技術發展迅猛,農業物聯網成為未來農業發展的必然趨勢,但是關鍵技術,特別是精密傳感器的制造依然是很大的短板。如何保證農業數據傳輸的實時性和準確性,是未來農業物聯網發展中亟待解決的問題。

(3)基于低耦合的傳感云農業研究,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生時產生的不安全問題。要建立高集成度、高安全性的數據共享和交互平臺,應以物聯網和云計算為基礎。共享智能平臺旨在打破數據孤島,實現數據共享和價值傳遞,在保證數據安全和隱私的前提下,實現數據可用不可見的目標。要按照云平臺的理念,做好設計和規劃,提高平臺組件的可用性,提高平臺的穩定性和效率,打造一個真正可用、好用的平臺。同時,要充分利用基于數據采集和分析技術的資源,實現個性化、智能化的資源服務。

(4)目前,在設施農業中已經涌現出了一大批成熟的農業物聯技術方案,其特點是使用基于藍牙、 ZigBee、 WiFi等傳感網絡技術,這些技術都是在2.4 GHz頻段工作的。基于交叉容錯的農業研究,底層物理的監測錯誤、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點恢復正常通信的問題,也是值得深入研究的問題。

(5)在農業領域,利用基于圖像的自動檢測技術代替傳統的人工檢測技術,及時、客觀地獲取害蟲狀態,降低損失,已越來越受到人們的重視。基于數據存儲的傳感云農業研究,用戶不能直接掌控上傳的數據,在云端環境下,通過有效監測用戶才能夠授權訪問,體現了數據的可用性。在災難來臨時,會有相應的措施進行數據恢復。美國加州 Climate Corporation公司利用農業大數據技術,采集了大量的氣候數據、土壤檢測數據和農作物根部檢測數據,對這些數據進行分析,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 結語

傳統的農業生產方式隨著云計算和物聯網等技術的不斷發展而發生巨大的變化,通過結合云計算和無線傳感器網絡技術,不僅降低了底層無線傳感網的能量損耗,同時也加快了數據和信息的快速獲取以及處理能力,受到業界越來越多研究學者的廣泛關注。在未來精準農業的發展過程中,結合傳感云和5G等通信技術,將能夠大大緩解云服務中心與底層基礎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。雖然目前關于傳感云和傳感云農業的研究探索仍然比較少,但綜合傳感云系統存在的巨大優勢,在未來農業的發展歷程中值得我們進行更多的研究與探索。