农业物联网分层结构设计

周鹏 田维平

摘 要： 针对现有农业物联网系统通用性差、缺乏完整体系结构的问题，提出六层物联网体系结构模型，对每层的功能及研究方向做了全面的分析。体系结构从上到下分为应用层、数据处理层、网络层、中间件层、异构网络适配层、感知层。该模型对外提供标准化的预测预警及方案决策等服务，降低了技术门槛和实现难度。研究结果可应用于物联网服务构建、生产控制技术、知识处理与决策、数据资源综合利用、信息服务和大数据处理等方面。

关键词： 物联网； 智慧农业； SOA； Web服务

中图分类号：TP391.1 文献标志码：A 文章编号：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

农业物联网在数据采集、传输、处理、预警、决策支持等方面发挥着越来越重要的作用。现有的系统架构针对的类型比较单一，研究主要集中在农业资源利用、生态监控、精细化管理、农产品安全溯源等方面，其拥有不同的主体并建立在不同的平台，缺少信息资源的统一集成。本文在研究农业物联网的基础上，提出基于SOA的向农业物联网系统框架，该框架实现了将农产品从种植、加工、运输、销售及储存等生产过程定义为不同的服务，通过对服务的调用，实现灵活、快速响应需求及全程溯源。

1 农业物联网概念

早在1999年，由麻省理工学院（MIT）Auto-ID中心的Ashton教授提出物联网的概念[1]，传统物联网系统可以划分为感知层、网络层与应用层[2] ，其架构如图1所示。农业物联网将大量传感器应用于农业生产的各个环节，通过网络设备、服务器及应用软件组成监控网络。感知层由各种感知器及节点组成，对土壤水分、苗情长势等农业对象或动植物行为等过程进行信息获取；传输层将感知层获取的各类数据信息，通过有线或无线方式传输到应用层； 应用层进行信息处理、建模和决策，实现对农业生产过程的管理控制[3]。

2 存在的问题及研究现状

存在的问题：传统的物联网架构缺乏数据的共享性及服务标准的统一性，技术互不兼容，缺乏对全局架构的分析和设计，易造成数据共享困难、系统碎片、垂直化及异构化。

研究现状：欧盟委员会关于物联网体系结构的项目有SENSEI[4]和IoT-A[5]；姜洋等人从农产品质量追溯方面来设计质量追溯系统架构，使追溯流程变得有弹性和灵活，能快速响应产品多变的需求[6]；GUBBI等[7]提出基于云计算的物联网实现架构；杨斌等[8]通过对SOA架构的研究，提出基于面向服务的物联网企业应用基础框架；葛文杰等[3]分析了各种类型传感器的相关参数及农业物联网的应用技术与标准规范；沈苏彬等[9]研究了下一代物联网、网络物理系统、泛在网络、机对机通信及无线传感器网络；高浩天等[10]提出了智能温室物联网的架构方案；郑纪业等[11]通过接入层对数据采集设备进行统一标准化的描述和统一的资源访问管理；凌晓东[12] 提出目前缺乏面向农民“一站式”应用系统。

3 SOA架构下农业物联网体系结构设计

3.1 SOA架构

SOA（Service Oriented Architecture）即“面向服务的体系结构”，SOA可以看作B/S模型、XML/Web Service技术之后的自然延伸。涉及到SOA的业务领域和技术领域[13]，如图2所示。

SOA结构一般分为服务提供者、服务使用者及服务注册中心（服务注册机构）[14]三部分，如图3所示。

3.2 农业物联网SOA服务设计的原则[15-16]

⑴ 可发现及动态绑定。服务在设计及运行中都应该被发现，如温度检测服务可以被任何需要的服务使用者使用。

⑵ 无状态性。指服务不记录状态信息，服务的使用者使用服务的過程是实时性的，如温控系统对温度的采集服务。

⑶ 松耦合。指服务之间的相互依赖程度不高，各模块间有很强的独立性。

⑷ 粗粒度。是指服务可以提供给第三方用户使用。

3.3 系统架构设计

对针传统农业物联网系统中数据标准不统一、技术手段众多、业务流程多变、数据封闭等的情况，为保证系统能够适应不同的变化，保持系统的可扩展性，将分散在不同管理机构及决策单位的数据资源信息进行整合，实现数据共享与模型集成，并能在不同开发平台及开发语言下运行。将SOA架构引入传统物联网系统框架，根据农业物联网体系结构构件的原则及SOA架构设计的要求，结合ITU相关标准及技术工程经验，提出SOA架构下基于物联网的智慧农业系统架构，如图4所示。

3.3.1 感知层

感知层主要包括各类数据采集设备如RFID、条码、遥感技术、WIFI、ZigBee及各类传感器，在农业领域，包括温度、湿度传感器、生物芯片传感器[15]、无线传感器、超高频多卡识别[17]、智能化传感器等，主要用来采集环境监控传感数据及生理监控传感参数，包括土壤温湿度、环境温湿度、心跳监测数据等。由于农田作业环境的限制，传感器节点耗能大等问题影响了监控系统的整体性能，可采用太阳能为传感节点供电，以有效地解决监测系统的功耗问题[18]。

3.3.2 异构网络适配层

不同厂商的设备采用不同的数据格式、硬件接口等，其技术成熟度也存在一定差异。通过GPRS，ZigBee、蓝牙、WiFi、CAN总线或者485总线等方式组网，构成了庞大的农业物联网系统，系统开发人员需要针对每种网络结构进行单独开发，因而对数据采集设备进行标准化的描述和统一管理显得尤为重要。采用硬件网关接口及驱动接口，通过对接入标准的初始化，为上层中间件层提供外部设备的操作接口并实现硬件设备的驱动程序。

3.3.3 中间件层[19]

中间件层可以有效屏蔽底层网络复杂性的约束，提供统一的抽象管理接口，实现了对底层透明的目的。在感知层数据采集基础设施建设方面，数据采集设备的分布面很广，投资成本也很高，导致了采集层设备稳定性较高，通常情况下，只可能出现新增或逐步替换采集设备的方案，而不会整体或大规模更换设备，采集层中间件部分的功能相对来说是比较稳定的。中间件层对异构网络层的服务主要由设备的驱动服务、中间件业务服务和上层业务服务构成。其中设备驱动服务通过对异构网络层提供设备驱动服务、数据融合、数据封装、维护设备链路状态及通信协议，当物联网系统中的设备发生变更时，在对应的设备驱动服务中心更新相关的驱动服务即可。中间件业务包括自身运行过程中的数据处理、数据转换、过滤、去重等业务，对上提供包括数据压缩、融合等服务。

3.3.4 网络层

负责IP数据包分发路由，通过采用TCP/UDP等协议建立相关连接，并将数据传递到数据处理层，同时将数据处理层的相关控制命令下发到中间件层，再传输到感知层，使感知层的相关设备实现相应的动作，如摄像头转动，温湿度调整，光照改变，打开或关闭设备等操作。可以通过智能物联网网关直接将数据上传至云端，由物联云平台进行存储、分析、发布和共享，以云服务的方式提供给使用者使用[20]。

3.3.5 数据处理层

该层利用Web Service作为通信接口，以XML作为数据交换中间载体来建立共享的数据与服务，从而降低了农业物联网系统集成的难度，满足了系统的数据共享及快速访问的需求。当用户通过应用层申请数据共享时，先通过服务注册中心查询服务，并向相应的服务提供者发出请求，在服务提供者响应服务使用者的请求后，将共享数据返回给应用层。当应用层系统需要发布数据时，首先通过相应的数据采集接口将数据发送到数据服务注册中心，服务的需求方通过订阅服务注册中心的服务，由服务提供者推送相应的数据信息。

3.3.6 应用层

应用层采用HTTP，FTP等协议，以Web方式进行访问，为用户提供统一的资源定位，服务使用者及服务提供者通过应用层以Web的方式访问系统提供的服务及发布自己的服务。除此之外，应用层还肩负着物联网安全协议及隐私保护协议等。智慧农业系统结构中的应用范围比较广泛，如农产品溯源、生产环境实时监控、智能控制物联网系统、动植物生长过程监控等诸多方面。

4 结束语

本文通过对传统物联网的分析，对现有的农业物联网系统结构进行改进，提出面向农业的物联网系统架构模型，采用SOA架构，将服务提供和服务请求相分离，通过现有的应用组合来产生新的服务，提供给企业更好的灵活性，尽可能地减少系统的耦合，提高了可重用性，实现了对粗粒度松耦合服务的有效集成，解决了智慧农业系统中不同应用需求的数据交换与共享，为物联网在农业领域的应用及系统的设计实现提供了一定的参考，但还需要进一步的完善，尤其是如何对获取的数据进一步的过滤及深度数据挖掘和分析、对服务的详细定义、调用接口的定义及性能描述等仍需要进一步的研究。

参考文献（References）：

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

[2] 李道亮.農业物联网导论[M].科学出版社，2012.

[3] 葛文杰，赵春江.农业物联网研究与应用现状及发展对策研究[J].农业机械学报，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思想的农产品质量追溯系统框架[J].湖北农业科学，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] 杨斌，张卫冬，张利欣，章立军，时鹏.基于SOA的物联网应用基础框架[J].计算机工程，2010.36（17）：95-97

[9] 沈苏彬，范曲立，宗平，毛燕琴，黄维.物联网的体系结构与相关技术研究.南京邮电大学学报（自然科学版）， 2009.29（6）：1-11

[10] 高浩天，朱森林，常歌，符凌峰，黄震宇.基于农业物联网的智能温室系统架构与实现[J].农机化研究，2018.1：183-188

[11] 郑纪业，阮怀军等.农业物联网体系结构与应用领域研究进展[J].中国农业科学，2017.50（4）：657-668

[12] 凌晓东.SOA综述[J].计算机应用与软件，2007.24（10）：122-124

[13] 朱振杰.SOA的关键技术的研究与应用实现[D].电子科技大学，2006.

[14] 傅兵.基于SOA的数字农务系统关键技术研究[D].南京农业大学，2012.

[15] 叶钰，应时，李伟斋，张韬，面向服务台体系结构及其系统构建研究[J].计算机应用研究，2005.

[16] 唐珂.国外农业物联网技术发展及对我国的启示[J].农业物联网，2013.28（6）：700-707

[17] 刘颖. 物联网环境下超高频射频识别系统中多卡识别的實现[J].微电子学与计算机，2017.34（11）：104-107

[18] 杨玉霞，汤金金.太阳能农机发动机监测系统设计[J].农机化研究，2018.5：259-263

[19] 梅宏.软件中间件技术现状及发展[M].清华大学出版社，2004.

[20] 程宏杰，朱震宇，陈泽.农业物联云的设计与实现[J].江苏农业科学，2017.45（3）：179-183