鄭紀(jì)業(yè)，阮懷軍，封文杰，許世衛(wèi)

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；2山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，濟(jì)南 250100）

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與應(yīng)用領(lǐng)域研究進(jìn)展

鄭紀(jì)業(yè)1,2，阮懷軍2，封文杰2，許世衛(wèi)1

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081；2山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，濟(jì)南 250100）

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高度集成和具體應(yīng)用，是農(nóng)業(yè)信息化、智能化的必要條件。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，各種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)層出不窮，由于缺乏對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的分析，導(dǎo)致當(dāng)前各農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用呈現(xiàn)出碎片化、垂直化、異構(gòu)化等問(wèn)題。如何從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)各種應(yīng)用需求中統(tǒng)一抽取出系統(tǒng)的組成部件以及它們之間的組織關(guān)系，建立農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法的統(tǒng)一是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。文中從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念發(fā)展、基本特征、體系結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行深入分析后認(rèn)為，當(dāng)前各個(gè)國(guó)家與機(jī)構(gòu)制訂的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和管理計(jì)劃對(duì)科研人員從事物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)起到了很好的引導(dǎo)作用，但是都沒(méi)有指出設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的具體方法，并且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的多樣性和生產(chǎn)流程的復(fù)雜性決定了必須統(tǒng)籌考慮農(nóng)業(yè)各行業(yè)的具體應(yīng)用特點(diǎn)來(lái)建立農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。為此在文章中首先討論了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建原則包括可擴(kuò)展性、可復(fù)用性、安全性和可靠性等，在此基礎(chǔ)上結(jié)合農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的具體需求及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步劃分農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，提出五層農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，該模型由下至上劃分為感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層及應(yīng)用層五層，各層對(duì)應(yīng)不同的通信協(xié)議，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)模型與協(xié)議體系的配套構(gòu)成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的三層、四層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)相比，增加的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)接入層針對(duì)泛在環(huán)境中多數(shù)物體的資源和計(jì)算能力受限問(wèn)題，著重強(qiáng)調(diào)了底層異構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)層的無(wú)縫連接，可以有效屏蔽底層異構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，并提供統(tǒng)一的抽象管理接口，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)硬件感知系統(tǒng)的快速搭建提供便利。增加的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享層，主要針對(duì)當(dāng)前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)存在垂直化、封閉化導(dǎo)致不同系統(tǒng)之間農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源無(wú)法共享，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理、服務(wù)歷史數(shù)據(jù)無(wú)法得到充分利用，形成信息孤島問(wèn)題，通過(guò)面向服務(wù)的數(shù)據(jù)資源共享架構(gòu)，為各農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換與共享提供有效解決方案。五層農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中各層功能更加清晰獨(dú)立，有利于各層服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，降低企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)擔(dān)。隨后提取農(nóng)業(yè)各行業(yè)應(yīng)用的共性問(wèn)題，按照監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，分析了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)、動(dòng)植物生命信息監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)等不同應(yīng)用的研究現(xiàn)狀和涉及的主要技術(shù)。從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)各領(lǐng)域研究與應(yīng)用存在兩方面的問(wèn)題，一方面是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入層硬件網(wǎng)關(guān)研究較多，嵌入式網(wǎng)關(guān)中間件研究應(yīng)用相對(duì)較少的問(wèn)題；另一方面是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享層研究應(yīng)用嚴(yán)重缺失，各應(yīng)用系統(tǒng)通常將感知層獲取的數(shù)據(jù)直接發(fā)送至農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，缺乏對(duì)感知數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析，難以達(dá)到進(jìn)一步指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效果。最后討論了未來(lái)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展的重點(diǎn)方向。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；體系結(jié)構(gòu)；層次模型；應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展方向

0 引言

從工業(yè)4.0概念的提出到中國(guó)的“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，都把未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展指向新的方向，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的深度融合，由此打破傳統(tǒng)的行業(yè)界限，帶來(lái)跨行業(yè)重組融合，并產(chǎn)生技術(shù)模式、管理模式和理念的創(chuàng)新。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為“互聯(lián)網(wǎng)＋”農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向，可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面感知、智能決策分析和預(yù)警，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化種植、可視化管理和智能化決策服務(wù)。目前無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用都還處于初級(jí)階段，不同應(yīng)用領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)研究的起點(diǎn)各異，關(guān)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念特征、系統(tǒng)模型、體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)都還缺乏清晰化的界定[1]。本文從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念、體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域等方面進(jìn)行了深入分析，抽象出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用類型和應(yīng)用場(chǎng)景，探討建立農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，為農(nóng)業(yè)信息化從業(yè)人員設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念及其特征

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早在1999年由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）自動(dòng)識(shí)別中心（Auto-ID Labs）提出的網(wǎng)絡(luò)無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)演變而來(lái)，目的是利用射頻識(shí)別等信息感知技術(shù)把所有物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。早期農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究主要以農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)和物流監(jiān)控為主要應(yīng)用方向，通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)的智能化管理。隨著新的信息技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵及外延發(fā)生了較大變化。2005年在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)（WSIS）上國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU Internet reports 2005—the Internet of things》，給出了物聯(lián)網(wǎng)的具體定義，并進(jìn)一步介紹了物聯(lián)網(wǎng)的特征、相關(guān)的技術(shù)、面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的市場(chǎng)機(jī)遇。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理和服務(wù)全產(chǎn)業(yè)鏈中的具體應(yīng)用，對(duì)改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展具有重要意義[2]。目前，不同領(lǐng)域的研究者對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)從不同側(cè)重點(diǎn)出發(fā)提出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的定義。余欣榮[3]從狹義和廣義兩方面給出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的定義，李瑾等[4]從技術(shù)角度和管理角度分別給出了定義，認(rèn)為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)農(nóng)業(yè)信息感知設(shè)備，采集農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中動(dòng)植物生命體、環(huán)境要素、生產(chǎn)工具等物理部件和各種虛擬“物件”的相關(guān)信息，按照約定的協(xié)議進(jìn)行信息交換和通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)象和過(guò)程的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。李道亮[5]從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知、傳輸、處理的層次結(jié)構(gòu)方面給出了詳細(xì)的定義，認(rèn)為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指綜合運(yùn)用各類傳感器、RFID、視覺(jué)采集終端等感知和識(shí)別設(shè)備，廣泛采集畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、大田種植、設(shè)施園藝、農(nóng)產(chǎn)品物流等不同行業(yè)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息；按照約定數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換方法，集成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)多尺度農(nóng)業(yè)信息的可靠傳輸；最后將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行融合、處理，并通過(guò)智能化操作終端實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理、電子化交易，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)。

盡管不同研究者視角各異，也沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的統(tǒng)一的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)定義，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵與外延也在不斷發(fā)展完善，但從農(nóng)業(yè)全生育期、全產(chǎn)業(yè)鏈、全關(guān)聯(lián)因素方面考慮，運(yùn)用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)“全要素、全過(guò)程、全系統(tǒng)”的全面感知、可靠傳輸、智能處理和自動(dòng)反饋控制是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具備的基本特征[2]。

2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

由于缺乏對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的分析，導(dǎo)致當(dāng)前各農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用呈現(xiàn)出碎片化、垂直化、異構(gòu)化等問(wèn)題。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)可用精確地定義系統(tǒng)的各組成部分及各部分之間的連接關(guān)系，引導(dǎo)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員遵循這些原則來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，使得最終建立的系統(tǒng)符合預(yù)期的需求。因此，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的首要基礎(chǔ)。為此，國(guó)內(nèi)外的研究人員也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了廣泛深入的研究，提出了多種具有不同樣式的體系結(jié)構(gòu)。

歐盟第七框架計(jì)劃（Framework Program 7，簡(jiǎn)稱FP 7）專門(mén)設(shè)立了兩個(gè)關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目，一個(gè)是SENSEI[6]，將互聯(lián)網(wǎng)看作是連接物理世界與數(shù)字世界的包羅萬(wàn)象的基礎(chǔ)設(shè)施，其目標(biāo)是整合無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、無(wú)線傳感與執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)（WSANs）及網(wǎng)絡(luò)嵌入式設(shè)備等技術(shù)，建立開(kāi)放的基于業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的真實(shí)世界互聯(lián)網(wǎng)（real world internet，RWI）結(jié)構(gòu)，通過(guò)統(tǒng)一的接口來(lái)提供服務(wù)和應(yīng)用；另一個(gè)是IoT-A[7]，主要制定了物聯(lián)網(wǎng)參考模型（IoT reference model）和物聯(lián)網(wǎng)參考結(jié)構(gòu)（IoT reference architecture），其目標(biāo)是建立物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)參考模型和定義物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵組成模塊，該參考結(jié)構(gòu)模型是物聯(lián)網(wǎng)機(jī)理的抽象集而不是某個(gè)具體應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，從而為不同應(yīng)用領(lǐng)域的研究人員開(kāi)發(fā)更好兼容性的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了最佳范例。此外，美國(guó)麻省理工學(xué)院和英國(guó)劍橋大學(xué)[8]、日本東京大學(xué)[9]、韓國(guó)電子與通信技術(shù)研究所（ETRI）[10]、美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織（ETSI）、法國(guó)巴黎第六大學(xué)[11]以及北京航空航天大學(xué)和蘇州大學(xué)[12]都從不同角度對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討和設(shè)計(jì)。DUQUENNOY等[13]和紀(jì)陽(yáng)等[14]提出了一種物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合Web技術(shù)演化而成的WoT（web of things）開(kāi)放結(jié)構(gòu)。沈蘇彬等[15]比較了物聯(lián)網(wǎng)與下一代網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）、泛在網(wǎng)絡(luò)（ubiquitous networking）、機(jī)對(duì)機(jī)通信（M2M）及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別與聯(lián)系，并從已經(jīng)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)和應(yīng)用實(shí)例出發(fā)，研究了物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。錢(qián)志鴻等[16]認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端平臺(tái)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。于君等[17]總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐的案例，分析了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)，并指出電信運(yùn)營(yíng)商在物聯(lián)網(wǎng)體系中的作用與價(jià)值。GUBBI等[18]提出一種以用戶為中心基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，不僅可以降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本，而且具有很強(qiáng)的可伸縮性。通過(guò)云計(jì)算提供基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、軟件等形式的服務(wù)，充分挖掘用戶的創(chuàng)造力。AL-FUQAHA等[19]著重研究了物聯(lián)網(wǎng)的使能技術(shù)、協(xié)議和應(yīng)用問(wèn)題，給出了物聯(lián)網(wǎng)研究的總體概況，分析了物聯(lián)網(wǎng)存在的主要挑戰(zhàn)，探索了物聯(lián)網(wǎng)和其他新興技術(shù)包括大數(shù)據(jù)分析、計(jì)算云及霧計(jì)算之間的關(guān)系。SICARI等[20]從物聯(lián)網(wǎng)安全性、隱私性和信任機(jī)制方面出發(fā)，闡述了當(dāng)前研究存在的挑戰(zhàn)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)存在的解決方案，并給出了物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)研究方向。

當(dāng)前，各個(gè)國(guó)家與機(jī)構(gòu)制訂的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和管理計(jì)劃對(duì)科研人員從事物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)起到了很好的引導(dǎo)作用[21]，但是都沒(méi)有指出設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的具體方法。并且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的多樣性和生產(chǎn)流程的復(fù)雜性決定了其必須針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景（大田、設(shè)施、畜禽、水產(chǎn)等）考慮不同的網(wǎng)絡(luò)通信和控制方式，因而對(duì)不同應(yīng)用的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也不盡相同。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)行農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要集中于單體的應(yīng)用，其特點(diǎn)是閉環(huán)于一個(gè)具體的應(yīng)用，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可伸縮性、可擴(kuò)展性、模塊化和互操作性不能滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)日益發(fā)展的需求。如何從各種應(yīng)用需求中統(tǒng)一抽取出系統(tǒng)的各組成部件以及它們之間的組織關(guān)系，進(jìn)而指導(dǎo)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的建立與實(shí)現(xiàn)是目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題之一。

對(duì)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)遵循ITU采用的相關(guān)研究方法，首先抽象農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用類型和應(yīng)用場(chǎng)景，作為設(shè)計(jì)和驗(yàn)證農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)[15]；然后提出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的通用原則和總體需求；之后進(jìn)一步劃分農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，確定通用框架和功能結(jié)構(gòu)模型[1]。

3.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建原則

3.1.1 可擴(kuò)展性 擴(kuò)展性是指農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠擴(kuò)展自身并未包含的功能。隨著各種異構(gòu)智能終端設(shè)備接入、退出系統(tǒng)，或在物聯(lián)網(wǎng)中的位置移動(dòng)，都可能引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這就要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境配置，對(duì)系統(tǒng)中新增加的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，在不會(huì)導(dǎo)致其他節(jié)點(diǎn)或者服務(wù)端的應(yīng)用改變的情況下能夠快速的建立數(shù)據(jù)采集程序而不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，這就要求依據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)建立的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。

3.1.2 可復(fù)用性 復(fù)用性是指采集層提供的各種數(shù)據(jù)資源能夠重復(fù)應(yīng)用在多個(gè)工程當(dāng)中。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不同的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，使用的智能設(shè)備不盡相同，不同智能設(shè)備需要的采集程序也不一樣，因此需要對(duì)采集層獲取的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換等操作，實(shí)現(xiàn)資源的高度聚合與共享，這樣能夠大大縮短工程的開(kāi)發(fā)周期和減少開(kāi)發(fā)成本。

3.1.3 安全性和可靠性 安全和可靠是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，也是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所追求的主要目標(biāo)之一。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多變，特別是信息感知和傳輸環(huán)節(jié)，要充分考慮系統(tǒng)的可靠性，一方面要選用穩(wěn)定、可靠、集成度高的感知和傳輸設(shè)備，另一方面應(yīng)從體系結(jié)構(gòu)上增加事件管理、任務(wù)調(diào)度、權(quán)限管理等方式進(jìn)一步保障系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.2 五層農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建原則及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的具體需求，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)模型，該模型由下至上劃分為感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層及應(yīng)用層五層，各層對(duì)應(yīng)不同的通信協(xié)議。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)模型與協(xié)議體系的配套構(gòu)成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

感知層主要由RFID、條形碼、遙感技術(shù)及各類傳感器終端構(gòu)成，通過(guò)GPRS、WIFI、ZigBee等協(xié)議將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至接入層；接入層主要由硬件網(wǎng)關(guān)及內(nèi)置的軟件中間件等構(gòu)成，中間件可以有效的屏蔽底層異構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，并提供統(tǒng)一的抽象管理接口，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的快速建立提供基礎(chǔ)；網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等將數(shù)據(jù)向上層傳遞；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享層相當(dāng)于一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)池，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成共享，本層主要使用TCP、UDP等傳輸協(xié)議；應(yīng)用層通過(guò)HTTP、FTP等協(xié)議從數(shù)據(jù)共享層獲取數(shù)據(jù)并構(gòu)建相應(yīng)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。此外，協(xié)議體系還包括貫穿模型各層的物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議、隱私保護(hù)協(xié)議等。本文提出的五層農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)三層模型主要增加了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入層和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享層，下面將給出此兩層的具體功能設(shè)計(jì)。

3.2.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入層 隨著信息及通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，大量傳感設(shè)備部署于各應(yīng)用場(chǎng)地，由于商業(yè)、技術(shù)成熟度或者歷史原因，這些感知設(shè)備的功能、接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等都存在著明顯差異。感知設(shè)備通過(guò)CAN總線或者485總線等有線方式，以及藍(lán)牙、WiFi、zigbee、RFID等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方式獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息，再通過(guò)GPRS、WiFi、以太網(wǎng)等形式傳送至遠(yuǎn)端服務(wù)器[22]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、總線網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、傳輸方式等各不相同，這就使得用戶必須針對(duì)各種感知網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單獨(dú)開(kāi)發(fā)，加大了上層應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的難度和復(fù)雜度，如何有效地實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)不同設(shè)備間的互聯(lián)互通以及獲取所需的各類服務(wù)是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的一個(gè)核心問(wèn)題。

圖1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)Fig. 1 Agricultural internet of things architecture

本文描述的接入層將對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的描述和統(tǒng)一的資源訪問(wèn)管理，主要由硬件網(wǎng)關(guān)接口、接口驅(qū)動(dòng)及嵌入式中間件等構(gòu)成。硬件網(wǎng)關(guān)輸入接口包括RS232、RS485、WiFi等，方便不同接口感知設(shè)備的接入，輸出接口包括WiFi、RJ45、GPRS、LTE等方式，可讓用戶根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際條件選擇輸出方式。驅(qū)動(dòng)層主要功能為上層中間件程序提供外部設(shè)備的操作接口，并且實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。上層程序可以不管所操作設(shè)備的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，只需要調(diào)用驅(qū)動(dòng)的接口即可。中間件主要功能包括感知終端數(shù)據(jù)采集配置、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)封裝等功能，可以有效的屏蔽底層異構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，并提供統(tǒng)一的抽象管理接口，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的快速建立提供基礎(chǔ)，同時(shí)中間件還可用于執(zhí)行數(shù)據(jù)的壓縮、融合等操作，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)層特別是使用電信網(wǎng)絡(luò)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸量；接入層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享層 在目前的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常由不同的設(shè)備制造商提供，并且基于這些設(shè)備的應(yīng)用和服務(wù)都是獨(dú)立開(kāi)發(fā)的，使得數(shù)據(jù)格式兼容性較差，信息在各系統(tǒng)之間無(wú)法融合而彼此形成信息孤島，使得企業(yè)之間的數(shù)據(jù)分享和服務(wù)協(xié)同變得異常困難。同時(shí)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層將產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的海量信息，如果將這些海量的原始數(shù)據(jù)直接發(fā)送給上層應(yīng)用，勢(shì)必導(dǎo)致上層應(yīng)用系統(tǒng)計(jì)算處理量的急劇增加，甚至引起系統(tǒng)崩潰。因此，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層之前構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享層對(duì)海量傳感信息進(jìn)行過(guò)濾和分析處理，進(jìn)而為上層應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)提供更為直接和有效的支撐是大勢(shì)所趨。

圖2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入層功能結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Heterogeneous network access layer structure

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享層位于網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間，它是整個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，是所有應(yīng)用層程序獲取數(shù)據(jù)或者提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)的服務(wù)中心。該層采用基于服務(wù)的架構(gòu)（service oriented architecture，SOA），利用Web Service為通信接口，以XML作為數(shù)據(jù)交換的中間載體建立共享的數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)服務(wù)來(lái)降低上層農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成的難度，滿足各系統(tǒng)對(duì)訪問(wèn)速度和數(shù)據(jù)共享的要求。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中心功能包括權(quán)限管理、服務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、事件管理、通信管理、服務(wù)發(fā)布訂閱管理、調(diào)度管理等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

需要申請(qǐng)或發(fā)布信息的應(yīng)用系統(tǒng)首先必須通過(guò)服務(wù)注冊(cè)接入到數(shù)據(jù)共享中心，再由該中心提供的Web服務(wù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換與共享。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)上層農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用申請(qǐng)共享數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集接收接口向數(shù)據(jù)交換與共享中心提出服務(wù)請(qǐng)求，由數(shù)據(jù)交換與共享中心進(jìn)行服務(wù)查找，并向相應(yīng)的服務(wù)提供者發(fā)出請(qǐng)求，獲得服務(wù)提供者提供的響應(yīng)，再將共享數(shù)據(jù)返回給提出申請(qǐng)的應(yīng)用系統(tǒng)；當(dāng)上層農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)需要發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過(guò)交換數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集接收接口發(fā)布到數(shù)據(jù)交換與共享中心，而數(shù)據(jù)交換服務(wù)的需求方，通過(guò)訂閱數(shù)據(jù)交換與共享的相應(yīng)服務(wù)，將會(huì)收到服務(wù)提供者推送的發(fā)生變化的源數(shù)據(jù)。

圖3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享層結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Agricultural IoT data sharing layer structure

從以上數(shù)據(jù)請(qǐng)求與發(fā)布過(guò)程可以看出，通過(guò)服務(wù)提供和服務(wù)請(qǐng)求的分離，可以對(duì)松散耦合的各種服務(wù)進(jìn)行分布式部署、組合和使用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種粒度松耦合服務(wù)的集成，為各農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換與共享提供有效的解決方案。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合具體業(yè)務(wù)流程來(lái)設(shè)計(jì)服務(wù)粒度，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)之間的低耦合性和高可重用性。

4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域

隨著技術(shù)方案的逐漸成熟，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品溯源、農(nóng)機(jī)監(jiān)控等典型農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。遵循農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的層次模型，分析各行業(yè)應(yīng)用的共性問(wèn)題，按照監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，可以進(jìn)一步分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)、動(dòng)植物生命信息監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)與質(zhì)量安全追溯物聯(lián)網(wǎng)等。

4.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)主要指利用傳感器技術(shù)采集和獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境各要素信息，如種植業(yè)中的光照、溫濕度，二氧化碳濃度、土壤肥力、土壤含水量等參數(shù)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的酸堿度、溶解氧、氨、氮、濁度和電導(dǎo)率，畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的氨氣、二氧化硫、粉塵等有害物質(zhì)濃度等參數(shù)[23]，通過(guò)對(duì)采集信息的分析決策來(lái)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)殖業(yè)的高產(chǎn)高效。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，需要在高溫、高濕、低溫、雨水等惡劣多變環(huán)境下連續(xù)不間斷運(yùn)行，且傳感器節(jié)點(diǎn)布置稀疏不規(guī)則[24]，布線不方便，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡(jiǎn)單、無(wú)需布線，具有低成本、靈活的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用方式。

典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括三部分：上位機(jī)、協(xié)調(diào)器、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也稱為終端節(jié)點(diǎn)，是構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，主要進(jìn)行本地信息的收集和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)給相鄰節(jié)點(diǎn)或?qū)⑾噜徆?jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合，并轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊構(gòu)成[25]。

圖4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)Fig .4 WSN monitoring system

目前國(guó)內(nèi)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多以2.4GHz和433MHz頻段為主，工作在2.4GHz頻段的主要通信技術(shù)包括Zigbee、WIFI、藍(lán)牙、無(wú)線USB等。屈利華等[26]分析了溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)論述了Zigbee技術(shù)在溫室數(shù)據(jù)及多媒體信息采集系統(tǒng)的具體應(yīng)用。章偉聰?shù)萚25]基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)。陳華凌等[27]設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大范圍的水環(huán)境監(jiān)測(cè)，提高了水環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，并且降低了部署和維護(hù)成本。QI等[28]研究利用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)Wifi將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息傳送至遠(yuǎn)端服務(wù)器。相比2.4GHz頻段，433MHz工作頻率低，具有更強(qiáng)的繞射和穿透能力，傳輸時(shí)耗損小，在傳輸距離上明顯優(yōu)于ZigBee。李小敏等[29]針對(duì)蘭花大棚環(huán)境中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署的要求及其應(yīng)用環(huán)境的特性，以433 MHz為載波頻率，研究了無(wú)線射頻信號(hào)的傳播特性和無(wú)線信號(hào)與影響因素之間的關(guān)系，為今后無(wú)線節(jié)點(diǎn)布置與組網(wǎng)提供依據(jù)。張傳帥等[30]采用433MHz射頻進(jìn)行信息傳輸，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)分別采用MSP430F149和LPC2478作為微控制器，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、信息匯聚和數(shù)據(jù)融合。為了確保飲用水的安全供應(yīng)，VIJAYAKUMAR等[31]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了低成本實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括水溫、pH、濁度、導(dǎo)電率、溶解氧等，并通過(guò)核心控制系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行查看。LIN等[32]提出了一種利用可再生的、低成本的土壤能量進(jìn)行自給的無(wú)線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，使用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程農(nóng)田環(huán)境監(jiān)控可以降低人工和傳感器電池更換的成本。SRBINOVSKA等[33]提出了針對(duì)蔬菜溫室的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)分析溫室環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低成本、實(shí)用的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合專家系統(tǒng)指導(dǎo)，采取遠(yuǎn)程控制滴灌等適當(dāng)?shù)拇胧?，?shí)現(xiàn)了科學(xué)栽培和降低管理成本。

4.2 動(dòng)植物生命信息監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)

對(duì)植物信息采集的研究主要包括表觀可視信息的獲取和內(nèi)在信息的獲取，表觀信息如作物苗情長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害、果實(shí)膨大狀況、生物量、莖干直徑、葉面積等信息，內(nèi)在信息包括葉綠素含量、作物氮素、光合速率、種子活力、葉片溫濕度等，主要監(jiān)測(cè)手段為光譜技術(shù)及圖像分析等；對(duì)動(dòng)物生命信息的監(jiān)測(cè)主要包括動(dòng)物的體溫、體重、行為、運(yùn)動(dòng)量、取食量、疾病信息等，通過(guò)相關(guān)監(jiān)測(cè)，了解動(dòng)物自身的生理狀況和營(yíng)養(yǎng)狀況以及對(duì)外界環(huán)境條件的適應(yīng)能力，確保動(dòng)物個(gè)體健康生長(zhǎng)，主要監(jiān)測(cè)手段包括動(dòng)物本體監(jiān)測(cè)傳感器、視頻分析等。

何勇等[24]從植物養(yǎng)分信息監(jiān)測(cè)技術(shù)、植物生理生態(tài)信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)、植物病害及農(nóng)藥等非生物脅迫信息檢測(cè)技術(shù)、植物蟲(chóng)害信息檢測(cè)技術(shù)等方面總結(jié)了光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息感知中的應(yīng)用及核磁共振成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息感知中的應(yīng)用。倪軍等[34]根據(jù)作物生長(zhǎng)指標(biāo)的光譜監(jiān)測(cè)機(jī)理，研制了一種四波長(zhǎng)作物生長(zhǎng)信息獲取多光譜傳感器，較好地實(shí)現(xiàn)作物冠層反射光譜的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。譚昌偉等[35]應(yīng)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取大田種植作物“面狀”苗情信息，研究了孕穗期冬小麥關(guān)鍵苗情參數(shù)與籽粒品質(zhì)參數(shù)、產(chǎn)量及衛(wèi)星遙感變量之間的定量關(guān)系，構(gòu)建了冬小麥孕穗期關(guān)鍵苗情參數(shù)遙感反演模型，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)情信息的快速獲取。HANDCOCK等[36]利用地面?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)合衛(wèi)星遙感圖像來(lái)研究動(dòng)物行為及與環(huán)境的交互情況。NAGL等[37]利用脈搏血氧計(jì)、呼吸傳感器、體溫傳感器、環(huán)境傳感器及GPS模塊構(gòu)建了?？苿?dòng)物移動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，為防止疾病在畜群中傳播提供了監(jiān)測(cè)手段。熊本海等[38]針對(duì)繁殖母豬及泌乳奶牛精細(xì)飼養(yǎng)所涉及的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，從智能標(biāo)識(shí)技術(shù)、智能發(fā)情檢測(cè)技術(shù)、智能設(shè)備裝備與控制的飼喂技術(shù)方面分析了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。劉雙印等[39]以南美對(duì)蝦養(yǎng)殖為研究對(duì)象，融合養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、對(duì)蝦疾病圖像數(shù)據(jù)和專家疾病診治經(jīng)驗(yàn)等多種信息，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的南美對(duì)蝦疾病遠(yuǎn)程智能診斷系統(tǒng)。GONZáLEZ等[40]通過(guò)在牛身上安裝運(yùn)動(dòng)頸圈和GPS傳感器，觀察和記錄牛的覓食，反芻、走動(dòng)、休息和其他活動(dòng)的行為（包括與物體磨蹭、搖頭、梳理皮毛），開(kāi)發(fā)了一種能夠執(zhí)行無(wú)監(jiān)督的行為分類方法，對(duì)于準(zhǔn)確掌握動(dòng)物個(gè)體行為，提升動(dòng)物和生態(tài)環(huán)境管理水平及整個(gè)畜牧業(yè)具有重要意義。KUMAR等[41]開(kāi)發(fā)了基于ZigBee的動(dòng)物健康監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)動(dòng)物的反芻、體溫、心率等生理參數(shù)和畜舍溫濕度等環(huán)境參數(shù)，并且可以根據(jù)熱濕度指數(shù)分析畜禽的應(yīng)激水平。

4.3 智能農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)

近年來(lái)隨著土地流轉(zhuǎn)的進(jìn)行，農(nóng)機(jī)作業(yè)范圍不斷擴(kuò)大，農(nóng)機(jī)作業(yè)信息滯后、時(shí)效性差、缺乏有效的監(jiān)管手段，機(jī)收的組織者和參與者對(duì)信息快捷、準(zhǔn)確、詳細(xì)的要求難以滿足等問(wèn)題逐漸突顯。如何通過(guò)技術(shù)手段有效地進(jìn)行農(nóng)機(jī)作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度，提高工作效率和作業(yè)質(zhì)量尤其是保障農(nóng)機(jī)夜間作業(yè)質(zhì)量和農(nóng)機(jī)裝備的智能化水平，是農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的迫切需求之一。農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)主要研究方向包括農(nóng)機(jī)作業(yè)導(dǎo)航自動(dòng)駕駛技術(shù)、農(nóng)機(jī)具遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度、農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控等方面。

李洪等[42]將精確算法應(yīng)用于農(nóng)機(jī)調(diào)度問(wèn)題的求解過(guò)程中，以取得全局最優(yōu)解，為農(nóng)機(jī)作業(yè)提供一種切實(shí)有效的調(diào)度手段，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于GPS、GPRS 和GIS技術(shù)的農(nóng)機(jī)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)監(jiān)控與聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)測(cè)產(chǎn)等方面，國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心研發(fā)了基于GNSS（global navigation satellite system）、GIS和GPRS等技術(shù)的農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮調(diào)度系統(tǒng)，有效避免了農(nóng)機(jī)盲目調(diào)度、極大地優(yōu)化了農(nóng)機(jī)資源的調(diào)配[23]。胡靜濤等[43]分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并對(duì)未來(lái)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展做出了展望，指出采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，開(kāi)展農(nóng)機(jī)地頭自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制、障礙物探測(cè)及主動(dòng)避障、多機(jī)協(xié)同導(dǎo)航等高級(jí)導(dǎo)航技術(shù)研究，以及引入先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是現(xiàn)代農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。BACKMAN等[44]針對(duì)傳統(tǒng)的路徑生成方法Dubins路徑?jīng)]有考慮最大轉(zhuǎn)向速率問(wèn)題，提出了曲率和速率連續(xù)的平滑路徑生成算法，該算法平均計(jì)算時(shí)間為0.36秒，適合實(shí)時(shí)和模擬方式來(lái)使用。ENGLISH等[45]通過(guò)一對(duì)前置的立體相機(jī)獲取圖像的顏色、紋理和三維結(jié)構(gòu)描述符信息，利用支持向量機(jī)回歸分析算法，估計(jì)作物行的位置，開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)。2013年農(nóng)業(yè)部在糧食主產(chǎn)區(qū)啟動(dòng)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域試驗(yàn)工程，利用無(wú)線傳感、定位導(dǎo)航與地理信息技術(shù)開(kāi)發(fā)了農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控終端與調(diào)度指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)資源管理、田間作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控和跨區(qū)調(diào)度指揮[46]。

4.4 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯物聯(lián)網(wǎng)

農(nóng)產(chǎn)品信息感知技術(shù)主要包括農(nóng)產(chǎn)品顏色、大小、形狀及缺陷損傷等外觀信息和農(nóng)產(chǎn)品成熟度、糖度、酸度、硬度、農(nóng)藥殘留等內(nèi)在品質(zhì)信息。在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與追溯方面，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要集中在農(nóng)產(chǎn)品倉(cāng)儲(chǔ)及農(nóng)產(chǎn)品物流配送等環(huán)節(jié)，通過(guò)電子數(shù)據(jù)交換技術(shù)、條形碼技術(shù)和RFID電子標(biāo)簽等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和出入庫(kù)，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)車(chē)間及物流配送車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)主要農(nóng)產(chǎn)品來(lái)源可追溯，去向可追蹤的目標(biāo)。

孫通等[47]概述了近紅外光譜分析技術(shù)在水果、魚(yú)類、畜肉類、牛奶、谷物以及奶酪酒精發(fā)酵上的在線品質(zhì)檢測(cè)/監(jiān)控應(yīng)用上的研究進(jìn)展，指出了近紅外光譜分析技術(shù)尚存在的問(wèn)題，并對(duì)今后的近紅外光譜分析技術(shù)作了展望。COSTA等[48]闡述了RFID技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與追溯方面的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了RFID技術(shù)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，指出了其未來(lái)研究的方向。劉壽春等[49]研究了檢測(cè)冷卻豬肉物流環(huán)節(jié)主要腐敗菌和病原菌的數(shù)量變化，設(shè)計(jì)基于統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的均值-極差控制圖，為監(jiān)控豬肉冷鏈物流過(guò)程或操作工序的微生物污染提供科學(xué)的管理和控制方法。楊信廷等[50]以蔬菜初級(jí)產(chǎn)品為研究對(duì)象，從信息技術(shù)的角度構(gòu)建了一個(gè)以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯為目的的蔬菜安全生產(chǎn)管理及質(zhì)量追溯系統(tǒng)。KUMARI等[51]討論了RFID標(biāo)簽的相關(guān)知識(shí)，包括標(biāo)簽的類型、數(shù)據(jù)傳輸頻率范圍和標(biāo)準(zhǔn)等，并對(duì)農(nóng)產(chǎn)品管理中各種RFID的實(shí)現(xiàn)和阻礙其廣泛采用的障礙進(jìn)行了分析。BADIA-MELIS等[52]對(duì)各種最新的射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，包括能夠促進(jìn)面粉銷(xiāo)售的創(chuàng)新性應(yīng)用、通過(guò)同位素分析或者DNA序列分析了解食品的真實(shí)性應(yīng)用，同時(shí)闡述了食品追溯領(lǐng)域的一些先進(jìn)概念，包括集成了當(dāng)前的技術(shù)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)、環(huán)境記錄器及產(chǎn)品三者之間互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通用框架，以及能夠獲取產(chǎn)品溫度、剩余保質(zhì)期信息的智能追溯系統(tǒng)等。

4.5 各應(yīng)用領(lǐng)域存在問(wèn)題分析

從農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)各領(lǐng)域研究與應(yīng)用存在兩方面的問(wèn)題，一方面是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入層硬件網(wǎng)關(guān)研究較多，嵌入式網(wǎng)關(guān)中間件研究應(yīng)用相對(duì)較少的問(wèn)題；另一方面農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享層研究應(yīng)用嚴(yán)重缺失，各應(yīng)用系統(tǒng)一般直接將感知層獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，缺乏對(duì)感知數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析，難以達(dá)到進(jìn)一步指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效果。同時(shí)可以看出，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)目前發(fā)展較為成熟，其應(yīng)用部署又分為單機(jī)應(yīng)用和遠(yuǎn)程監(jiān)控模式；動(dòng)植物生命信息監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)中植物生命信息監(jiān)控及農(nóng)產(chǎn)品信息感知物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用方面主要集中在數(shù)據(jù)獲取與單機(jī)處理方面，系統(tǒng)完整的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用還不多見(jiàn)；智能農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用更多集中在幾個(gè)單向技術(shù)的突破方面，綜合各項(xiàng)技術(shù)的智能農(nóng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正在逐步推廣應(yīng)用；動(dòng)植物生命信息監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)中動(dòng)物生命信息監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用最為成熟，特別是在RFID應(yīng)用方面，但也存在單個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用較好，全產(chǎn)業(yè)鏈物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用有待進(jìn)一步加強(qiáng)的問(wèn)題。

5 展望

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為新的技術(shù)浪潮和戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)得到了中國(guó)黨和政府的高度重視，面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇，但同時(shí)中國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展正處于初級(jí)階段，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、產(chǎn)品以及運(yùn)營(yíng)模式等還不成熟，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍然處于探索和經(jīng)驗(yàn)積累過(guò)程中，特別是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系的缺失導(dǎo)致各應(yīng)用系統(tǒng)的兼容性、互換性比較差，對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的投入造成很大浪費(fèi)。本文提出的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了一定的參考，但仍有很多細(xì)節(jié)需要完善，特別是底層向上層提供的調(diào)用接口的定義、接口的性能描述等，以期為具體應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供更多規(guī)范。

未來(lái)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究應(yīng)緊密?chē)@發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大需求，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)基于RFID的識(shí)別技術(shù)與基于傳感器的感知技術(shù)獲取信息的無(wú)縫整合研究，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、流通、加工、消費(fèi)全產(chǎn)業(yè)鏈的信息深度融合與挖掘。面向不同應(yīng)用對(duì)象，進(jìn)一步精煉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，利用大數(shù)據(jù)思維構(gòu)建農(nóng)業(yè)知識(shí)決策模型和閾值控制模型，開(kāi)發(fā)成本低、易用性強(qiáng)的終端智能裝備，在重點(diǎn)區(qū)域和典型產(chǎn)業(yè)進(jìn)行應(yīng)用示范，推動(dòng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)持續(xù)快速健康發(fā)展。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Agricultural IOT Architecture and Application Model Research

ZHENG JiYe1,2, RUAN HuaiJun2, FENG WenJie2, XU ShiWei1
（1Agricultural Information Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;2S&T Information Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100)

agricultural internet of things; system structure; architecture model; application area; development direction

10.3864/j.issn.0578-1752.2017.04.006

2016-07-27；接受日期：2016-12-02

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2014BAD08B05）

聯(lián)系方式：鄭紀(jì)業(yè)，E-mail：jiyezheng@163.com。通信作者許世衛(wèi)，E-mail：xushiwei@caas.cn

Abstract：Agricultural Internet of Things (AIoT) is the highly integrated information technology such as computer, internet and mobile communication’s application in agricultural field, and it is the essential condition for the agricultural informatization and intelligent. With the development of AIoT industry, there appears an endless stream of AIoT application systems, because of the lack of analysis for AIoT system’s whole architecture, the current AIoT application presents the fractional, vertical and heterogeneous characteristics. Extracting the system components and their relationship from various AIoT applications, and establishing AIoT system architecture, to achieve the AIoT’s design and realization method’s unification are urgent problems need to be solved. The paper analyzed the AIoT’s concepts, basic features and system structure research status, and found that the IoT development and management plans from different countries and institutes played good guidance for the related researchers, however, they didn’t give the specific methods that can design and realize the IoT systems, and furthermore agricultural environment’s diversity and complexity determine that AIoT architecture’s establishment must consider agricultural industries characteristics as a whole. Therefore, the paper firstly discussed the agricultural architecture building principles including extensibility, reusability, safety and reliability and so on, then combined with the specific needs of agricultural industry and experiences from engineering practices, put forward an AIoT hierarchical structure model, the model is divided into five layers from the bottom to the up, they are perception layer, access layer, network layer, data layer and application layer, respectively, and each layer corresponds to different communication protocols. And pointed out that AIOT hierarchical model and the corresponding protocol architecture constitute the AIoT architecture. Compared with the traditional three layers and four layers architecture, the proposed architecture added the access layer and data layer. Aiming at the problem that the majority objects in the ubiquitous environment have limited resources and computing power, the access layer emphasized that the underlying heterogeneous sensor networks can connect to the network layer seamlessly, it provides a unified abstract management interface to shield the complexity of the underlying heterogeneous sensor networks, and reduces the difficulty of building AIOT perception system. For the problem of agricultural data can not be fully used in current AIoT systems, and formed the information islands, the data layer designed and realized a service oriented architecture to solve the data exchange and sharing problems among different AIoT systems. Overall the five layers architecture’s functionalities are more independent, it is advantageous to the network load balancing between each layer, and reducing the burden of enterprise network communications. Aiming at the common problems of the application of agricultural industries, according to the different objects to be monitored, analyzed the agricultural production environment monitoring IoT, plant and animal life information monitoring IoT, agricultural products quality detection and the quality safety tracing IoT, agricultural machinery operation monitoring IoT’s present research situation and main technologies involved. From the perspective of agricultural application architecture, it was found that the current researches are more concentrated on the gateway hardware, and the embedded gateway middleware application is relatively few on the one hand, on the other hand the AIOT data sharing layer’s research is seriously lacking, each application system usually sent the perceive data directly to the AIOT application layer, therefore it is difficult to achieve the effect of further guiding to agricultural production for the lack of data mining and analysis. Finally, the paper discussed the further research and application direction of the AIoT technology.