GPON网络在设施农业上的应用——以福建省农业科学院渔溪现代循环农业科技示范园为例

郑海新

(福建省农业科学院数字农业研究所，福建 福州 350003)

农业现代化的发展越来越依靠信息技术、自动控制技术，当今通讯网络的普及使这些技术也越来越多地应用在各种农业生产中。现代智能化生产方式的发展将影响并带动传统农业生产方式产生变革，具有重大的推广意义[1]，现阶段通讯网络是实现智能化主要途径之一。在渔溪示范园设施农业建设过程中，发现园区设施达到一定规模后，传统的基于以太网的局域网不能很好的满足园区的发展和应用，GPON网络则是更适合园区设施农业应用和推广的网络。

1 GPON网络应用现状

PON(Passive Optical Network)是无源光网络广泛应用于运营商光纤到户等业务，PON由局端的OLT(光线路终端)、用户侧的ONU(光网络单元)以及ODN(光分配网络)组成。

GPON(Gigabit-Capable PON)技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准[2]，2002年提出，至2004年完成了G.984.3的标准化。2006年起开始试商用，GPON技术发展迅速，现今其最高速率已从2.488 G发展到10 G，出现汇聚型的OLT设备，集合了交换、路由功能。

GPON支持的丰富业务类型包括数据业务(Ethernet 业务，包括IP业务和MPEG视频流)、PSTN业务、专用线和数字视频业务。对各种业务类型都能提供相应的QoS保证。我国从2010年三网融合实施起，PON开始广泛应用，但主要用户还是运营商，在局域网的应用并不多。

2 GPON技术在设施农业中的应用

一个现代化的农业示范园的建设离不开先进的信息技术、自动控制技术，为使示范园区设施农业的信息化、自动化、产业化能顺利实施，建设适合智能化设施农业生产、应用、推广的网络系统尤为重要。

2.1 园区简介

渔溪现代循环农业科技示范园是福建省农业科学院与部队、企业警民共建的项目，是福建省设施农业样板工程示范基地，规划20个示范区域9个设施农业示范项目，园区致力实现生产智能化、管理自动化、收获机械化、产品标准化。

2.2 园区设施农业项目的网络需求分析

渔溪现代化的设施农业生产基地，规模化是其主要特点，如设施种苗繁育及蔬菜栽培生产基地一个大棚就占地1 hm2。在这样大或更大的一个生产基地中需要分布众多的环境监控采集的传感器、监控设备，生产控制等系统的设备、物联网设备等。

在现代化的设施农业中实现精准农业，要求网络延时低，使环境控制系统能及时调整，如水肥自动灌溉系统、饲料投放系统等在与总控中心系统、人工专家系统交互时需要网络连接可靠，以便能根据接收信息决策如何运行或接收外部的指令运行，生产监控系统则要求网络带宽大，视频能流畅的传输等。监控探头、采集传感器等设备部署具有动态性，节点可能需要根据生产的实际情况移动或增加。

2.3 存在问题

在使用传统100 M以太网作为示范园区网络部署时，园区占地范围广，项目规模扩大后，很难确定一个中心的位置部署交换机，传感器、监控设备分布分散、距离远，而且在农业生产环境中很多位置因温度、供电等等因素也不适宜安装交换机，网线的连接受传输距离限制，在网线不能到达的节点还需要使用光纤来连接，需要在交换机和节点间配置光收发设备，增加了设备的维护量，使用时众多的视频监控数据不均衡的分布在网络中，交换机性能严重受影响。采用无线连接，无线覆盖范围有限，时延也大，无线网络信号受周围环境影响干扰、带宽不稳定，视频传输效果不好。

2.4 GPON解决方案

采用GPON技术来构建示范园区网络，可以很好解决上述在设施农业应用网络建设中网点分布广、接入设备安装选址难，带宽需求高，安装环境受限及维护管理困难的问题。

2.4.1 整体方案概述 方案确定在示范园区的管控中心安装汇聚型OLT设备，安装GPON业务板，通过光纤连接到各设施农业示范区域的光纤交接箱，交接箱中通过光分路器将主干光纤分光再用光纤接到各节点，部分节点分布更分散的区域采用二级分光，单个节点的用户端使用ONT设备，在节点分布密集且适合使用双绞线的区域采用MDU设备，各节点用双绞线连接到MDU设备。所有用户端设备由OLT管理，用户上网通过宽带远程接入服务器管理。

2.4.2 GPON应用分析 首先，在OLT设备性能和管理上，华为SmartAX MA5680T模块化设计集合了光接入、数据交换和路由功能，具有3.2 T背板容量，交换容量达到960 G，网络部署时不再需要其他交换机。所有设备的配置全由局端下发，不需现场调整，所有连接线路中间无有源设备，便于维护。GPON上行2.488 Gbit/s，上行1.244 Gbit/s的速率保证了局域网的连接带宽，足够的大的背板和交换容量确保了网络性能。

其次，GPON网络是点到多点的树形拓扑结构，ONU接口多样性让网络部署更为灵活。在节点密集的地方采用FTTB方式使用MDU设备连接，华为MA5626可以提供多达24个以太网接口；在单一节点或少量节点聚集的地方采用FTTH的方式通过光猫华为HG8020连接，最多能提供4个网络接口。再次，GPON网络采用的光纤是普通符合ITU-T G.652要求的单模光纤，在示范园网络改为GPON网络时可以和现有的光纤线路对接。GPON理论上支持60km的传输距离，分光比最大支持1∶128，10 km以内分光比至少能达到1∶32，距离20 km以内时分光比至少能达到1∶16，能充分利用光纤资源。1台MA5680T设备理论上最多支持16384个ONT设备，实际应用通常达到5000个是没有问题的，现有园区规划远未达到这规模，实际设计中采用1∶32的分光比，二级分光时使用1∶4和1∶8分光比，园区从总控中心到各节点距离小于10 km，ODN光链路衰减值=光纤富余度2 dB+光分路器插衰18 dB+光纤衰减2 dB+连接器插入衰减总和3 dB=25 dB，Class B+的模块接收灵敏度-28 dB，使用Class B+模块即可实现覆盖园区整个区域。GPON是无源的光网络，在网络中间部分不需要有源设备，不需考虑设备的供电，各处设施农业的网络接入节点部署简单，从光纤分接箱接出光纤即可，可以方便的部署到任何地方，减少了建设的复杂度。

最后，在造价上，现在随着光纤及光器件生产技术的成熟，相关设备材料的越来越低，为打造光网络提供了很好的基础；模块化设计的OLT设备可以按需配置板卡，节省投资，且网络中不需要再配备众多的接入交换机，可以节约运维成本。现有的网络资源可能很好的被利用，节省了投资。在对旧网络扩建时，对采用GPON网络等几种可能的方案其所需设备预算，并根据规模和造价进行对比如图1，可以看到在网络节点扩展到一定规模后GPON方案的价格越来越有优势。

图1 接入网络主要设备规模造价对比

2.5 实现目标

该方案建成后实现千兆的连接速率，将能极大的保证设施农业各系统与总控生产中心的连接，提供稳定的连接，使各生产系统设备的部署既可靠又灵活。视频监控系统，能够保证有1 G的速率连接到总控网络，对于目前4 M的高清码率，能够保证足够多路的视频通讯畅通，使总控中心能更好的观察生产情况。足够的背板带宽足以满足日后可能的扩展，OLT的多业务能力，使其还有能力充分利用光纤进行异步的数据传输。生产控制系统，通过网络连接到总控系统，总控系统负责各传感器采集数据的分析，通过GPON网络可以将串行的采集控制线路转换为直接的网络连接，避免了轮询方式的延时，提高了系统的灵敏性。

3 结语

总体来说，GPON网络构建简单适合在园区现代化的设施农业中应用，无源的网络连接设备方便在农业生产环境中部署，不易受到自然环境等因素的影响，减少维护难度和维护量，以光纤作为传输介质，解决了传输距离远的问题，GPON复用光纤的技术使每个节点都能具有很高的带宽，这些特点很好的解决了设施农业上网络应用中遇到的问题，使设施农业上管理、生产等系统的充分发挥应有效用。

在信息化的时代，农业新技术的应用发展及规模化生产提高效益将会使一些具有规模的农场、农企、合作社乃至个人加入到设施农业的使用队伍中，GPON网络为其应用找到一个良好的使用平台，性能高、易使用维护、造价低。本方案作为GPON网络在设施农业的应用案例，适合在设施农业建设中推广应用，GPON网络这些特点同样使其适合在农业的应用领域部署，对解决了困扰我们的农村信息化“最后一公里接入”问题和农业数据采集问题具有很好的应用前景。

参考文献：

[1]段园园，杨军. 现代循环农业生态园区的规划与设计——以福清市渔溪镇某基地为例[J] . 福建农业科技，2010(5)：88-90.

[2] 王霖，唐浬. GPON关键技术研究[J]. 通信与信息技术，2013(6)：64-66.