農業物聯網可靠性研究

肖婧+秦懷斌+郭理

摘要： 隨著農業物聯網的深入研究，農業物聯網的可靠性研究逐漸引起研究者們的關注。首先提出了農業物聯網可靠性構成模型，然后分別對其中的感知層可靠性、網絡層可靠性、處理與應用層可靠性（公共處理平臺可靠性和應用服務系統可靠性）、綜合可靠性、可靠性標準及可靠性管理等部分進行了闡述，并設計了1種考慮農業物聯網并聯、串聯、并聯和串聯共存的綜合可靠性評估方法。

關鍵詞： 農業物聯網；可靠性；標準；模型

中圖分類號： TP311；S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0009-04

物聯網（internet of things，IoT）自提出以來，在各個領域的應用越來越多，其中，在農業領域的應用是其應用的重要領域之一，并逐漸形成了農業物聯網。農業物聯網（agricultural internet of things，Ag-IoT）是指運用各類農業信息感知設備，按照約定協議，廣泛采集農業生產現場信息，通過有線或無線信息傳輸通道進行農業信息的可靠傳輸，將獲取的農業信息進行處理，并通過智能化操作終端實現農業的自動化生產、最優化控制、智能化管理，進而實現農業集約、高產、優質、高效、生態和安全的目標[1-3]。

農業物聯網架構模型如圖1所示，包括感知層、傳輸層（網絡層）、處理與應用層等3個層次。其中，感知層由各類傳感器、RFID等組成，實現對各類農業相關信息的識別和采集；網絡層將感知層采集的各類農業相關信息，通過有線或無線方式，傳輸到應用層，同時，將應用層的控制命令傳輸到感知層，使感知層的相關設備采取相應動作；處理與應用層包括公共處理平臺層和各類具體應用服務系統層，公共處理平臺包括各類中間件及公共核心處理技術，如智能決策、診斷推理、預警等核心功能，而具體應用服務系統是基于物聯網架構的農業生產過程架構模型的最高層，主要包括各類具體的農業生產過程系統，通過這些系統的具體應用，實現對農業生產過程的管理控制；公共技術是整個基于物聯網架構的農業生產過程系統運行的基礎和保障，如信息安全、網絡管理、質量管理等；相關標準與規范是實現農業物聯網技術應用的關鍵，目前國際上制定的標準規范主要是面向信息領域的，專門面向農業物聯網的技術標準規范還較少，我國于2011年成立了農業物聯網行業應用標準工作組及國家傳感器網絡標準農業應用研究項目組（WGSN-HPG3），專門研究農業物聯網標準

規范[2-3]。

隨著農業物聯網的規模越來越大，越來越復雜，人們對其可靠性提出了越來越高的要求。農業物聯網可靠性是指農業物聯網在一個規定的工作環境下和規定的時間周期內，對用戶服務要求持續滿足的能力，即能有效應對規定范圍內的各類事件，維持自身的穩定，實現農業信息的可靠感知、可靠傳輸、可靠使用。

由于農業物聯網包括農業物聯網硬件系統和農業物聯網軟件系統，所以，農業物聯網可靠性包括農業物聯網硬件系統可靠性和農業物聯網軟件系統可靠性。結合圖1所示的農業物聯網架構模型，我們提出了農業物聯網可靠性構成模型。農業物聯網可靠性構成模型包括感知層可靠性、網絡層可靠性、處理與應用層可靠性（公共處理平臺可靠性和應用服務系統可靠性）、綜合可靠性、業務可靠性、可靠性標準及可靠性管理等6部分可靠性內容，如圖2所示。

論文基于圖2所示的農業物聯網可靠性構成模型，分別對感知層可靠性、網絡層可靠性、處理與應用層可靠性（公共處理平臺可靠性和應用服務系統可靠性）、綜合可靠性、可靠性標準及可靠性管理等部分進行了闡述，并對農業物聯網的硬件可靠性和軟件可靠性評估進行研究。

1 感知層可靠性

在農業物聯網中，各類傳感器和RFID是感知層上獲取

信息的主要手段。由于農業物聯網所處的環境不同，如水產物聯網中的各類傳感器和RFID長期處于水環境中用于感知水溫、含氧量、水渾濁度等，溫室大棚物聯網中的各類傳感器和RFID長期處于潮濕的環境中用于感知溫度、濕度、日照時長、二氧化碳濃度等，畜禽養殖物聯網中的傳感器和RFID長期處于被動物攜帶震動或碰撞的環境中用于感知動物的體溫、進食量等，這些不同的使用環境，對農業物聯網感知層上的各類傳感器和RFID提出了更高的可靠性要求。目前國內外對農業物聯網傳感器和RFID可靠性的研究，一是確保硬件不容易損壞，二是在硬件正常工作條件下，傳感器和RFID能可靠地工作。對于硬件質量問題，更多的解決辦法是采用良好的原材料和制作工藝，同時，在保證硬件正常工作前提下對其增加外包裝，使其不容易腐蝕和損壞，提高其使用壽命。對于傳感器和RFID可靠性工作方面，國內外研究較多。Yoon、Kim、Ahmad等提出了傳感器和RFID節點的隨機部署、確定性部署、網格部署等方法；田立勤等提出了1種基于均勻分簇的可擴展的模塊化傳感器節點部署方法[4]；杜秀娟等基于數字噴泉碼進行了水下傳感器網絡可靠性研究[5]；譚杰等提出了1種RFID多標簽碰撞檢測方法，并進行了電路實現和測試驗證[6]；左開中等提出了1種可靠的無線射頻識別群組標簽認證協議[7]。

2 網絡層可靠性

農業物聯網網絡是基于互聯網、電信網等搭建的網絡，目前采用有線信息傳輸和無線信息傳輸2種傳輸方式。農業物聯網網絡除了具有其他領域網絡的特征之外，還具有自身領域的特征，如感知層節點眾多且類型不同、多對一通信模式、網絡環境復雜、通信節點的移動性（如畜禽養殖物聯網）、多種通信技術融合（ZigBee技術、GPRS、Wi-Fi網絡、藍牙技術等）等。國外從事網絡可靠性研究的主要有美國弗吉尼亞大學計算機學院、英國利茲大學交通研究所等，主要在吞吐量、網絡擁塞、網絡延時等方面進行研究，并進行網絡可靠性的測試[8]。國內除了對傳統網絡的可靠性研究之外，對農業物聯網網絡的可靠性研究也逐漸開始，并取得了一定的成果。這些研究充分考慮到了農業領域的特點，如墻體厚度及材料對網絡性能和可靠性的影響，大田作物高度、地形、田間遮擋物對網絡通信和可靠性的影響，果園中的樹冠形狀及天線的高度對網絡信號和網絡可靠性的影響等[3]。李道亮等針對水產養殖、大田種植等不同環境，研究采用不同頻段無線傳感器網絡以提高網絡性能和可靠性[9]；郭秀明等建立了1個以果樹的生育期、傳播距離、天線高度等為參數的信號傳輸模型，以提高網絡性能和可靠性[10]。聶鵬程等研究了1種主動誘導式組網方法，解決農業物聯網節點損壞或因植物生長、環境變化導致網絡的局部癱瘓甚至大面積癱瘓，以此提高網絡可靠性[11]。