基于Agent的网格型AIoT节点模型

邹一琴，张兵，刘乙琳

(1.江苏大学，江苏 镇江 212013；2.常州工学院电气与光电工程学院，江苏 常州 213032；3.西南交通大学，四川 成都 610031)

当今农业工程领域的大量资源在分布状态上可能属于不同组织和领域，而且通常是异地分布、动态变化的，甚至于跨国家、洲际分布。传统IoT(internet of things，物联网)不能充分表达农业政策或农业环境等农业资源的复杂性[1]，缺少对这些农业资源及其属性的详细定义和表达，会导致这些资源在应用工程中无法被复制、传递和重用。因此，本文应用SOA(service oriented architecture，面向服务的架构)的网格型AIoT(agricultural internet of things，农业物联网)理论，研究和讨论基于Agent的节点模型构建、表示及其管理方法。

1 网格型AIoT系统

AIoT是现代农业应用需求与嵌入式技术和互联网科技的结合[2]。依据物联网三层理论，其基本结构可以分为物理感知层、信息传输层和服务应用层三部分。物理感知层利用光、温、气等传感器监测农业生产和环境信息对象，信息传输层和服务应用层传递、处理和应用这些消息，实现智能检测或者生产应用及信息管理。[3]。

基于SOA的网格型AIoT系统，通过中间件和框架使应用程序、用户服务和底层开发有机结合。首先从环境中的对象和事物那里采集数据，然后分析数据提供服务，借助于智能云端的强大计算能力，对数据进行加工处理和优化，以提高服务质量和改善用户体验。比如，接收来自农业生态环境的数据，生成应对环境变化所需要的农业应用、生产任务、交易等。农业物联网用户根据角色和分工的不同分为四类：第一类是终端生产者，如农民，他们通过AIoT执行农业生产任务；第二类是渠道提供者，如企业，他们通过物联网的应用服务发布、接收或者分配任务；第三类是服务参与者，如农业专家等，他们通过配置、调整和优化系统参数来改善前两类客户的体验；第四类是系统维护者，如系统管理员，他们通过特定接口对AIoT系统的安全性和稳定性进行定期检查和维护。该系统架构不仅涵盖了ITU(international telecommunication union，国际电信联盟)提出的“微观事物”(微观物联)，同时也扩展了“宏观事物”(宏观物联)。它包含了农业生产过程中复杂的政治、人文、社会等环境因素及其属性[4]，可以更好地进行农业建设和管理，有利于农业资源的合理利用和社会的可持续发展。

2 基于SOA的网格型AIoT

SOA是一种新型的基于Web服务和云计算技术的架构方法[5]。在SOA架构下，种类繁多的系统服务可以完全按照通用或兼容的方式进行交互和通信。网格[6]用于集成和共享地理上分布的各种互联网资源(包括硬件资源和软件资源)。AIoT通过网格构建农业服务，使存在于不同地理位置的农业物联网资源成为有机的整体，共同完成各种所需任务。

农业资源包括自然资源和经济资源[7]。自然资源是指自然环境中那些和农业生产直接关联的要素，包括土地、水、气候和生物资源等。经济资源是指影响农业效益方面的资源，它们直接或间接对农业生产发挥作用，如农业人口的数量和质量，另外还包含技术装备、交通运输、通信网络、文教卫生等社会经济因素和农业基础设施，还有国家颁布的农业政策、措施等。这些动态变化的、异地分布的、表现形式多样的资源都对农业生产产生影响。而对应的农业应用也是五花八门，千变万化，如全球气候模拟、精确农业生产、遥感数据获取、生物计算、作物生长模拟、土壤数据分析、水资源管理等。建立基于SOA的农业物联网，首先需要建立统一和通用的资源节点。针对如何定义SOA模式下的农业资源，如何界定农业生产过程中的各种生产要素，本文采用基于语义网格的农业应用架构，并根据时空本体定义元数据，如图1所示。

图1是基于农业资源网格的应用节点模型。这种模型是以服务为导向，以OGSA(open grid services architecture，开放式网格服务架构)的形式表达[8]。它是农业资源网格节点的三级架构。与传统的AIoT结构不同，它封装和隐藏农业数据，农业资源的DRB(data request broker，数据请求代理)服务容器，将资源网格节点的农业资源信息格式和决策支持系统统一起来。它通过资源管理中间件对农业资源和服务进行分类和映射，可实现基于农业资源网格核心业务层的任务调度、资源管理以及信任等级的计算，并根据需要最终向每个网格节点的用户分发信息服务[9]。农业资源网格节点的架构与传统架构相似。全局站点是客户可以看到和访问的外观。交互站点是AIoT的组织和管理部分，是AIoT元素的网格封装层。内部站点是AIoT中实际具体的分布式资源。所有的用户请求最终被收集起来，发送给全局调度层。全局调度层负责对这些请求进行处理，并分发到交互站点层的节点，而内部站点层中的节点按照交互站点层的调度计划完成相关任务。

图1 网格型AIoT应用节点模型

3 基于Agent的AIoT节点管理模型

为实现农业物联网的大规模市场应用，AIoT系统需要重用现有的农业应用系统，充分利用用户已有设备。我们在AIoT中加入一个中间层，也叫Agent(代理层)，以减少对原先三层系统中资源的扰动。这是虚拟组织衍生出来的逻辑层，如图2。现存的分布式系统的物理接口以及内部细节将统一由Agent封装和管理，最终以服务的形式发布到域外。即通过Agent统一接口，把各虚拟组织内部提供的功能集中管理起来，对外映射为相应的服务。AIoT内部逻辑单元是相互隔离的，它们只能通过各自的Agent相互连接，它们对外服务的接口遵循标准格式。内部逻辑单元类似于面向对象概念中的私有属性，它们不再被外部对象直接访问。

3.1 基于单元组织的域Agent

为实现不同虚拟组织共享资源，需要使其域代理之间的通信协议和服务交互接口标准化。WSDL(web services description language，网络服务描述语言)作为一种通信协议的标准接口，被我们用来定义域代理之间交互的绑定协议。如图2，AGIS(农业网格信息服务器)是全局性的服务组件。如果只在AIoT中设置一个AGIS，则由于巨大的信息交互，该点很容易造成拥堵，使AIoT的性能大大降低，同时对AIoT的流量和负载能力造成不利影响。因此在建设大型的AIoT系统时应避免采用集中式的体系结构，而需要采用分布式的管理方式，如平板、层次或单元结构的管理方式。平板管理方式平等地对待各个资源，相互间可以直接通信，常见的例子如对等网络。层次方式中不同资源被划分为不同层次，每个资源只能与所在层和相邻层的资源进行交互。单元方式中整个大资源环境被划分为多个小的局部单元，各局部单元都拥有该局部区域的资源代理、消费者代理和资源信息服务代理。某个局部单元的内部结构对其他单元是隐藏的。每个局部单元又可以有各自不同的管理方式。各单元通过边界元素相互连接，整体中的个体具有自相似性[10]。

相比之下，为了方便管理虚拟组织，AIoT采用了单元组织模型，如图3。在基于单元组织的Agent模型中，整个网格系统的构架可以理解为两个层次。第一层是由若干虚拟组织组成的逻辑单元。在该层次中，每个单元组织都是一个自治系统。其中AGIS(农业网格信息服务器)和SA(资源信息服务代理)负责域内资源的自组织和管理。第二层是内部逻辑单元相互连接成有组织的AIoT服务系统。多个逻辑单元/虚拟组织通过通信和协作提供服务，在整个环境中通过CA(消费者代理)可访问系统的全局资源。最终用户不需要了解单元组织的内部结构，只需通过代理访问服务接口即可。

图2 基于单元组织的AIoT域Agent模型图

3.2 基于Agent的AIoT资源管理经济体系

网格型AIoT是基于网格技术构造的农业工程应用平台，它是一种为解决复杂的农业工程问题而建立的农业资源共享、管理和提供农业资源服务的集成平台。其目的是能让农业用户通过AG(农业网格)平台，租借或出售本组织的闲置资源或购买本组织需要的资源，达到农业资源的优化共享，最终实现农业生产利益最大化。代理(Agent)技术强调各个域代理的分布性、自治性和智能性，通常使用分布式软件系统来构建大规模的域内资源。域Agent是模型化的应用系统的高级抽象，是智慧农业的一种计算机实现和智能系统发展方向。它必须具有高度的自组织能力，用于匹配内部农业资源的多样性、异构性、动态性、自治性的特征。

图3是基于Agent的网格型AIoT资源经济管理体系。它是基于单元组织来管理的。单元内资源属性等信息都发布到域内资源管理系统，所有服务通过域Agent交互实现。其中域内资源管理系统类似于基于单元组织的AIoT系统中的逻辑单元，每个系统中加入了AGTA(农业网格贸易代理)用以处理农业贸易应用。农业贸易服务通过标准接口和AIoT网格银行服务连接，用于实现相应农业工程中租售所涉及的议价、投标、拍卖、支付等贸易行为。

每个逻辑单元内部都设置了一个AGPA(agricultural grid producer agent，农业网格生产者代理)和AGCA(agricultural grid consumer agent，农业网格消费者代理)，通过AGPA和AGCA可以交互访问不同域内部的资源管理系统。图3示例中列出了交互的两个域，实际AIoT系统中包含无数个这样的交互，AGPA用于管理生产者的资源发布，AGCA用于处理该域内用户对资源的请求。每个服务处理过程中，用户填写服务类型、QoS、预算等参数，由AGCA提交请求，然后AGCA与AGPA产生交互，通过比较和计算进行决策，在众多AGPA中选出最合适的代理来为自己提供服务。

图3 基于Agent的网格型AIoT资源经济管理体系

4 结论与展望

ITU在物联网报告中提出“物联网将以感官智慧的方式连接世界对象”。ITU结合各种技术发展描述了IoT中的四个维度：一是“标记事物”维度，即实现物体识别；二是“感知事物”维度，即通过传感器感知世界；三是“思考事物”维度，即通过嵌入式系统实现运算和处理；四是“微观维度”，即通过纳米技术探索微观世界。在实际的农业物联网愿景中，“事物”的定义不断扩展，融入了各种农业标的物理元素。它不但包括我们所接触到的农业产品元素，如蔬菜、水果、肉类等等，而且还包括农业生产元素，如农业收割机、播种机、拖拉机等。另外，还包含用户物联网接口，如智能手机、平板电脑和数码相机，以及互联网的网关设备，如标签(RFID、QR)等。再加上“微观事物”，如阳光、空气、水和细菌生长情况等，以及集成“宏观事物”，如和农业相关的政治、人文、社会学元素。这些“事物”都是基于Agent的网格型AIoT节点模型的对象，都可以通过这种节点模型连接到AIoT中来，形成最终的智慧农业物联网平台，为用户提供高质量的农业应用服务。

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