基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)分析與處理研究

崔嘉偉

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院 廣東 廣州 510925）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)興起于歐美[1]，但隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，政府政策的傾斜以及科研人員在此領(lǐng)域投入了大量的人力、物力，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其硬件系統(tǒng)諸如RFID、GPS、感應(yīng)器、鐳射儀等的研發(fā)和制備，以及各個(gè)硬件之間的通信系統(tǒng)都有了長(zhǎng)足進(jìn)步[2]，許多學(xué)者也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用展開(kāi)了相關(guān)研究。電子科技大學(xué)的徐珍玉[3]在《基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)》中深入討論了硬件系統(tǒng)配置與通信問(wèn)題并提出了很好的解決方案。張鋒等[4]在《農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究》中對(duì)未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展方向做出了正確判斷。然而，在此基礎(chǔ)之上如何通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)所產(chǎn)生的“大數(shù)據(jù)”對(duì)區(qū)域甚至全國(guó)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理卻剛剛進(jìn)入研究范疇，也是擺在科研人員和政府面前需要迫切解決的問(wèn)題。

為了改善溫室的耕作方式，有必要對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確的監(jiān)控。溫室環(huán)境包括空氣中的溫濕度、土壤溫濕度以及光照強(qiáng)度等因素，對(duì)它們進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是尤為重要的，這也實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控的基本要求[5-6]。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)致力于提供收獲信息、作業(yè)管理和生長(zhǎng)信息的手段，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，而智能控制技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)分析運(yùn)作流程

2.1 海端實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求

海端實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)判定器的基本功能主要表現(xiàn)在：對(duì)服務(wù)請(qǐng)求是不是屬于強(qiáng)實(shí)時(shí)服務(wù)響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的請(qǐng)求，且其數(shù)據(jù)量、計(jì)算量并不多，而響應(yīng)實(shí)時(shí)性標(biāo)準(zhǔn)極高做出判斷。筆者所分析的海云協(xié)同模型用海端實(shí)時(shí)響應(yīng)任務(wù)來(lái)定義對(duì)此類服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)的計(jì)算任務(wù)[7]。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)此類方案時(shí)，通常需要分析、挖掘大量農(nóng)業(yè)環(huán)境歷史數(shù)據(jù)，才能將理想的設(shè)計(jì)方案形成。所以，農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化，對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的地點(diǎn)和時(shí)間進(jìn)行規(guī)制，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)收集和處理的流程，可以采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提升環(huán)境數(shù)據(jù)收集的效率，海端實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)判定器同樣也能于該局部動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)內(nèi)完成，以此將交互端服務(wù)器而產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載減少，確保高效、實(shí)時(shí)的服務(wù)響應(yīng)。

2.2 云端實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求

服務(wù)請(qǐng)求的來(lái)源多種多樣，但每種不同的請(qǐng)求都會(huì)被收集到系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行處理，服務(wù)請(qǐng)求如果不是海端實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求，則其將會(huì)就此傳輸至云端物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其類型判斷此時(shí)將通過(guò)云端服務(wù)請(qǐng)求類型決策器來(lái)進(jìn)行，而且其類型主要包括以下兩類：第1類，云端大數(shù)據(jù)分析與挖掘服務(wù)請(qǐng)求；第2類，云端實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求。而所謂的“云端實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求”，實(shí)質(zhì)上指的是既需要依靠更多數(shù)據(jù)與計(jì)算資源，也需實(shí)時(shí)響應(yīng)一類的服務(wù)請(qǐng)求，實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)查詢服務(wù)請(qǐng)求等即為這類服務(wù)請(qǐng)求中的典型，此類服務(wù)請(qǐng)求全部存在著來(lái)自客戶端的應(yīng)用程序（而且這種程序通常安裝于智能手機(jī)），實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)區(qū)域必須要有地圖數(shù)據(jù)與農(nóng)作物當(dāng)前位置，同時(shí)向客戶端應(yīng)用程序推送，因此，地圖數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)及相關(guān)計(jì)算過(guò)程成為導(dǎo)航的必備條件。此類計(jì)算任務(wù)通常無(wú)法基于低功耗海計(jì)算節(jié)點(diǎn)（一般是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)）完成，因?yàn)槠洳痪邆溥@樣的計(jì)算和存儲(chǔ)能力[8]。所以，此類服務(wù)請(qǐng)求將被傳輸至云端計(jì)算系統(tǒng)，由此將實(shí)時(shí)計(jì)算展開(kāi)，且這種計(jì)算通常采用基于分布式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)流計(jì)算技術(shù)。

2.3 云端大數(shù)據(jù)分析與挖掘服務(wù)請(qǐng)求

必須在海量數(shù)據(jù)、計(jì)算資源基礎(chǔ)上方可把響應(yīng)完成的服務(wù)請(qǐng)求（一般是數(shù)據(jù)挖掘法或機(jī)器學(xué)習(xí)模型等復(fù)雜數(shù)學(xué)模型、海量數(shù)據(jù)），就是云端大數(shù)據(jù)分析與挖掘服務(wù)請(qǐng)求。而在對(duì)此類大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際挖掘、分析過(guò)程中，通常并不要求實(shí)時(shí)性，因?yàn)槠浔旧砭褪且豁?xiàng)長(zhǎng)期性工作，因此，我們通常能夠采用離線方式于云端分布式計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)展開(kāi)。如果對(duì)分析與挖掘結(jié)果有需要，則可通過(guò)大數(shù)據(jù)可視化工具把分析結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)向客戶端程序推送。比如，對(duì)諸多歷史天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以完成未來(lái)天氣狀況預(yù)測(cè)；分析農(nóng)作物的環(huán)境變化數(shù)據(jù)，可以獲得農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境健康度。

2.4 海云協(xié)同模型的協(xié)同機(jī)制

海云協(xié)同模型協(xié)同機(jī)制的核心在于如何確定服務(wù)請(qǐng)求的類型，下面介紹海云系統(tǒng)模型協(xié)同機(jī)制的運(yùn)行原理。

步驟1：將服務(wù)請(qǐng)求類型集（1組）定義于該模型內(nèi)。該服務(wù)請(qǐng)求類型集實(shí)質(zhì)上是1組服務(wù)請(qǐng)求類型（特定）及在處理這種服務(wù)請(qǐng)求時(shí)相關(guān)計(jì)算的映射集。

步驟2：服務(wù)請(qǐng)求（客戶端）若已提交至由云端服務(wù)請(qǐng)求類型決策器、海端實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)判定器所組成的服務(wù)請(qǐng)求類型決策器，那么，類型標(biāo)識(shí)符（服務(wù)請(qǐng)求描述）會(huì)由前者解析成功。

步驟3：以服務(wù)請(qǐng)求類型（解析獲得）的標(biāo)識(shí)符為依據(jù)，決策器將會(huì)由此全面搜索服務(wù)請(qǐng)求類型集（已定義），以此完成所需計(jì)算任務(wù)確定。

步驟4：決策器將會(huì)向大數(shù)據(jù)分析與挖掘框架等提交計(jì)算任務(wù)（已確定），由其負(fù)責(zé)執(zhí)行。

步驟5：計(jì)算任務(wù)結(jié)束，計(jì)算模塊會(huì)以服務(wù)的方式將結(jié)果向服務(wù)請(qǐng)求客戶端(客戶端應(yīng)用程序、海計(jì)算節(jié)點(diǎn))推送，以此響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)處理

物聯(lián)網(wǎng)的后臺(tái)系統(tǒng)需要同時(shí)處理大量的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)種類繁雜，因此在面對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要有針對(duì)性地采用不同的算法，工程師在設(shè)計(jì)之初就可以采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，幫助后臺(tái)系統(tǒng)更好地處理和規(guī)制數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的超大規(guī)模性通常表現(xiàn)在信息空間與物理世界深度融合，實(shí)質(zhì)上屬于世界范圍內(nèi)的物、機(jī)、人互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)因物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的上述特性而具備了超大規(guī)模、實(shí)時(shí)感知、混雜性和異構(gòu)性等特征。大數(shù)據(jù)處理任務(wù)（各類物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景）的需求多樣性與異構(gòu)性則直接取決于物聯(lián)網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)的上述特征，此類需求多樣性、異構(gòu)性要求。物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)應(yīng)在各類新技術(shù)基礎(chǔ)上來(lái)展開(kāi)格式不一的大數(shù)據(jù)處理。但從架構(gòu)方面來(lái)看，多樣化需求已無(wú)法獲得針對(duì)特定業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)類型的既有系統(tǒng)滿足。因此，新的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)已勢(shì)在必行。且要求新的系統(tǒng)架構(gòu)必須同時(shí)能將對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)無(wú)要求，但需依賴眾多計(jì)算資源和數(shù)據(jù)的需求、實(shí)時(shí)響應(yīng)服務(wù)，但僅需較少數(shù)據(jù)與計(jì)算資源任務(wù)的需求滿足。

主要需解決的問(wèn)題有：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)；環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)及調(diào)控；通信硬件的搭建和軟件的編程；系統(tǒng)硬件構(gòu)建和軟件開(kāi)發(fā)。

農(nóng)作物生長(zhǎng)情況復(fù)雜，受諸多因素影響，空氣溫度、濕度、營(yíng)養(yǎng)條件、病菌數(shù)量和生理?xiàng)l件等。不同的環(huán)境條件會(huì)造成不同的結(jié)果，采用物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)中的溫度傳感器，濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過(guò)建立綜合影響因素模型，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況建立評(píng)級(jí)預(yù)警模型。通過(guò)對(duì)傳感器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分類，獲得幾組生長(zhǎng)數(shù)據(jù)維度指標(biāo)分別為溫度、濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、病菌滋生情況。由于溫度不僅影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況而且影響相應(yīng)病菌的滋生情況，故而溫度是非常重要的參考指標(biāo)。根據(jù)影響因素可分為5個(gè)溫區(qū)，見(jiàn)表1。

表1 溫區(qū)分布表

以某種植物生長(zhǎng)周期采集數(shù)據(jù)作為樣本，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行均一化處理，作為樣本矩陣輸入，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 某種植物生長(zhǎng)周期采集數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)下農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中環(huán)境大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)復(fù)雜化和格式多樣化，這種復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際的運(yùn)行結(jié)構(gòu)有關(guān)，物聯(lián)網(wǎng)在運(yùn)行的過(guò)程中涉及的因素與變量較多，時(shí)刻都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)的門類繁多。因此，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以幫助后臺(tái)更好地將這些信息進(jìn)行歸類，提升數(shù)據(jù)處理的效率，這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展而言至關(guān)重要。本文對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行集中的分析和處理，為科研人員和政府決策者提供了新思路，具有實(shí)踐可行性。