基于SOA的網格型農業物聯網

鄒一琴， 張 兵

(1.江蘇大學，江蘇鎮江 212013； 2.常州工學院，江蘇常州 213002)

隨著農業技術和計算機技術的發展，各類農業資源在現代大型農業工程、農業信息服務和數字媒體應用的科學研究中迅速增長。面對幅員遼闊的農業資源分布和動態變化的農業生產環境中的不同要素，大到水質、土壤、氣象，小到光照度、溫濕度、灌溉、化肥和農藥施用量，用戶必須提取、訪問、分析和利用大量分布式和異構資源。物聯網的傳統體系結構基于3層模式，即包括物理感知層、信息傳遞層、業務應用層的3層結構。由于傳統的物聯網是基于應用的設計，它適于解決個別特定的農業物聯網的應用需求，如實時監測、遠程控制。但如何把不同物聯網應用(如A區的水產養殖物聯網和B區的大田作物農情監測系統)聯系起來，更好地為整個農業行業服務，面對農業工程實際用例的復雜性和多樣性，這樣的3層結構難以對農業資源對象進行分類、組織、管理。本研究提出了一種基于SOA(service-oriented architecture，面向服務的架構)的農業物聯網，依托農業網格的方式把整個農業物聯網的應用通過服務封裝的形式組織起來，實現農業服務無差別地注冊登記、調度管理以及服務交易。

1 農業物聯網的基本結構

AIoT(agricultural internet of things，農業物聯網)是現代農業技術應用與發展的互聯網加應用。如圖1所示，在感知層利用光、溫、氣等傳感器傳感和監測農業生產和環境信息對象，在網絡層有效傳遞這些信息，在應用層處理這些消息，實現智能監測或生產應用及信息管理。依據傳統的物聯網3層理論，其基本結構可以分為物理感知層、信息傳輸層、服務應用層三部分。物理感知層即農業信息感知和監測層，信息傳輸層即信息傳輸和智能處理層，服務應用層別稱農業信息服務應用層。

2 基于SOA的網格型AIoT

SOA是一種新型的基于Web服務和云計算技術的架構方法。它使用服務來幫助組織應用或實例，通過使用面向服務的架構和產品列表來決定與每個技術的供應商站點的連接方式。它應用程序的不同功能單元(稱為服務)，通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。接口采用中立的方式進行定義，這樣能獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言，使構建在各種系統中的服務以一種統一、通用的方式進行交互。網格是一種用于集成或共享地理上分布的各種資源[1]，包括計算機系統、存儲系統、通信系統、文件、數據庫、程序等。本研究基于農業網格的AIoT，通過網格構建農業服務，使存在于不同地理位置的農業物聯網資源成為有機整體，共同完成任務。

2.1 網格型AIoT應用節點

農業資源包括自然資源和經濟資源[2]。自然資源包含農業生產可以利用的自然環境要素，如土地資源、水資源、氣候資源和生物資源等。經濟資源包含對農業生產直接或間接發揮作用的社會經濟因素和社會生產成果， 如農業人口和勞動力的數量和質量、農業技術裝備以及交通運輸、通信等農業基礎設施等。這些動態變化、異地分布、表現形式多樣的資源都對農業生產產生影響。而對應的農業應用也是五花八門的，其中涉及的數據大小也不同，小到有幾個字節的狀態顯示，大到有百萬億字節級別的動態數據更新。而且這些數據大部分是分布式、異構、不斷變化的。為了避免用戶直接面對如此復雜的數據，需要把這些數據封裝起來，只向用戶展示最終的業務服務[3]。建立基于SOA的農業物聯網，首先須要建立統一、通用的資源節點。針對如何定義SOA模式下的農業資源，如何界定在農業生產過程中的各種生產要素，本研究提出基于語義網格的農業應用架構，并根據時空本體定義元數據。

圖2是基于農業資源網格的應用節點模型。這種模型是以服務為導向，以OGSA(open grid services architecture，開放式網格服務架構)的形式表達[4]，它是農業資源網格節點的三級架構。與傳統的AIoT結構相比，它封裝和隱藏農業數據，將資源網格節點的農業信息資源格式和決策支持系統統一起來，通過資源管理中間件對農業資源和服務進行分類和映射。根據需要可實現基于農業資源網格核心業務層的任務調度、資源管理以及信任等級的計算，并根據需要最終向每個網格節點的用戶分發信息服務。農業資源網格節點的部署架構與傳統結構相似，全局站點級別是客戶可以看到和訪問的外觀，交互站點級別是AIoT的組織和管理部分，它是AIoT元素的網格封裝層，內部站點級別是AIoT中實際具體的分布式資源。所有用戶請求都必須發送到處于最上層的全局調度層的節點，由全局調度層對交互站點層的節點進行集中式管理，而內部站點層中的節點按照交互站點層的調度計劃完成相關任務[5]。盡管內部站點的節點可能是分布的農業資源，屬于不同所有者，其管理策略是非協作的；但是為了實現協同的農業服務，交互站點層的管理策略通過統一、協作的調度方法使其完成合作。

2.2 農業資源元數據建模

農業資源具有時間性、空間性，同一農業數據在不同時期或地理區域有不同的應用。因此，農業數據應考慮到時間性和空間性。基于時空本體的農業元數據建模采用Web本體語言和語義Web規則語言(semantic web rule language，SWRL)來描述基于時空動態分布的農業數據的時間原始動作和空間原始動作。根據農業數據資源的內涵(如規則集、多媒體集、語義片段集、線性規劃模型等)確定數據資源的層次和結構[6]，并通過采用多維結構描述數據本體及其屬性(如數據的基本內容、數據類型、數據表示、數據所有領域等)。

圖3描述了基于時空本體建立的農業元數據模型的過程。該模型使用字典來描述和分析農業資源的內涵，確定應用范圍，并定義所需的數據管理。使用自上而下的順序來確定農業數據的層次結構，可以分為概念層面、公理層面、規則層面、方法層面。通過確定其內容、類型、表示形式、數據字段、位置坐標，以設計農業數據的空間結構。利用時空本體單元，形成統一的農業元數據高維模型，將數據源空間與公共時間軸連接起來，確定數據源和農業數據網格系統的對應關系。它使用基于XML標準的擴展格式來表示數據的中間格式。基于WSRF(web services resource framework，網絡服務資源框架)的資源結構定義各種農業資源，不僅包括信息的靜態不變屬性，還包括變化和動態特性[7]。

這些農業資源屬性可以劃分為基本屬性、擴展屬性和任務屬性。基本屬性定義農業資源的基本特征或特征，包括名稱、數量、供應商、種類、位置、狀態等信息。擴展屬性定義了在農業生產過程中輸入的信息，包括生產環境、時效信息、使用流程、基本費用、空間調度費用信息、政策或法律因素信息等。此屬性中對時間、空間或政治屬性進行分類。任務屬性是輸出農業生產過程中的資源信息，包括生產能力、批量信息和完成量等生產信息[8]。

根據農業資源的屬性結構，農業資源可以以三元組的形式表示：組件=。其中ID與資源的標記信息對應，主要對應于可以表示為ID的資源標簽和資源名稱屬性。DI是資源的決策信息，在物理服務轉換為邏輯服務時，用于在選擇決策過程中執行資源封裝。與資源實際使用密切相關的重要信息包括處理產出、狀態信息、用戶費用、所需時間、質量評估信息等。RP是資源信息的其他屬性，包括資源的常用擴展信息和其他獨立決策和識別，收集和處理屬性的基本屬性。

3 農業資源的獲取和認證

農業網格要求代理找到必要的資源時，需要網格任務代理人根據任務的特點和預算進行農業資源的招標，資源和客戶通過競標獲得一定比例的使用權和任務分配。具體流程是：當任務提交時，網格任務代理一直輪詢，表明農業網格資源尚未分配給網格任務代理。網格任務代理使用網格任務代理任務列表來存儲和管理要執行的任務，并根據任務表項加以完成。

圖4描述了網格任務代理任務列表中的樹結構。農業網格任務代理任務列表由幾個任務項組成；農業網格任務代理給出使用資源的任務主體名稱。代理商的代理人名稱是全球唯一的，可以通過信息服務映射到特定的網絡地址和物理地址，包括域名、公司地址、法定代表、聯系信息和虛擬地址分配。任務內容包括任務號、請求描述、任務完成時間和任務價格；任務編號是分配給使用該服務的農業網格任務代理的序列號。在同一合同中，每個任務都有唯一的任務號。

農業網格任務代理獲取資源的過程如圖5所示，箭頭在垂直線方向表示發生的時間順序，具體操作可以包括以下步驟：(1)投標。在農業網格資源任務代理所在節點創建1個UDP套接字發送消息，并創建1個單播TCP套接字，接收來自網格任務代理的消息。農業網格任務代理創建1個套接字用于監聽資源節點的通告。(2)競標成功。農業網格資源提供者代理AGRPA(agricultural grid resource provider agent)監聽網格任務代理發出競標信息，從數據包中提取任務代理競標項，農業網格資源代理首先檢查能否滿足任務代理所需資源的條件，若能滿足，再根據任務代理所出的標價選擇出價格最高的任務代理，若不能滿足則馬上返回信息。當競標結果產生后，資源節點將從數據包中提取IP地址以建立TCP連接，隨后向網格任務代理發出資源中標通知消息。

4 面向協作的農業網絡(AG)資源調度器方法

假設農業網格資源調度者具有m個資源(m≥1)R1，R2，…，Rm，用實數隊列Si(i=1，2，…，m)表示每個資源的業務能力(包括生產效率、產品質量、平均生產周期等)，則建立農業網格的調度模型如圖6所示，主要組成部分包括應用接口、資源發現和事務處理模塊、支持啟發式調度算法管理模塊、網格通道列表、網格通道分配模塊。

調度程序的工作模式包括以下幾步：一是農業物聯網用戶首先建立任務或作業(job)，作業包括對用戶需求的具體描述，如須要培育5萬只大閘蟹和具體提交標的時限，其任務會被翻譯成一系列標準的網格通道列表，然后通過應用程序接口傳遞給AG資源調度器。二是資源搜索和發現模塊會匹配相應節點的生產能力，通過交易模塊與網格信息服務模塊相互作用確定資源的信息，如評判相應的大閘蟹培育基地，然后與資源相互作用建立農業資源的配置和調用花費。通過投標和競標達成協作的電子合同。三是系統根據代理者資源列表，分配網格通道列表中的作業在資源中協同執行，如前述的大閘蟹培育需求因為需求量巨大，須要分配到不同的大閘蟹生產基地協同執行，通過測試和數據統計方法，農業資源的生產能力數據被作為預測依據。四是調度管理模塊基于資源調度算法和農業資源的生產能力，根據用戶需求，考慮最終期限和預算限制，最優化策略-代價、代價-時間、時間或時間變量等要素為網格通道選擇合適的農業資源。五是對每個農業資源，網格通道分配模塊根據使用策略選擇網格通道的數量來執行，以避免對于單一服務供應商的農業作業或農業資源的空載或負載過重。

5 結論

本研究提出一種基于SOA的網格型農業物聯網，用來組織和管理農業工程應用領域的所有農業要素和資源。它使用面向服務的架構封裝和管理傳統3層物聯網模型的應用模型，為農業生產過程中的多樣應用的需求提供無差別的連接和管理。把多樣的物聯網應用協同和聯系起來，使農業資源更加合理高效地為農業生產服務。由于篇幅原因，僅討論了基于SOA的網格型農業物聯網應用節點模型、農業資源元數據建模以及農業資源的獲取、認證和面向協作的AG資源調度方法。基于SOA的網格型物聯網是一個復雜的系統學工程，須要不斷完善和發展，并不斷地應用到農業生產實踐中去。

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