农业物联网可靠性研究

肖婧+秦怀斌+郭理

摘要： 随着农业物联网的深入研究，农业物联网的可靠性研究逐渐引起研究者们的关注。首先提出了农业物联网可靠性构成模型，然后分别对其中的感知层可靠性、网络层可靠性、处理与应用层可靠性（公共处理平台可靠性和应用服务系统可靠性）、综合可靠性、可靠性标准及可靠性管理等部分进行了阐述，并设计了1种考虑农业物联网并联、串联、并联和串联共存的综合可靠性评估方法。

关键词： 农业物联网；可靠性；标准；模型

中图分类号： TP311；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0009-04

物联网（internet of things，IoT）自提出以来，在各个领域的应用越来越多，其中，在农业领域的应用是其应用的重要领域之一，并逐渐形成了农业物联网。农业物联网（agricultural internet of things，Ag-IoT）是指运用各类农业信息感知设备，按照约定协议，广泛采集农业生产现场信息，通过有线或无线信息传输通道进行农业信息的可靠传输，将获取的农业信息进行处理，并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理，进而实现农业集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标[1-3]。

农业物联网架构模型如图1所示，包括感知层、传输层（网络层）、处理与应用层等3个层次。其中，感知层由各类传感器、RFID等组成，实现对各类农业相关信息的识别和采集；网络层将感知层采集的各类农业相关信息，通过有线或无线方式，传输到应用层，同时，将应用层的控制命令传输到感知层，使感知层的相关设备采取相应动作；处理与应用层包括公共处理平台层和各类具体应用服务系统层，公共处理平台包括各类中间件及公共核心处理技术，如智能决策、诊断推理、预警等核心功能，而具体应用服务系统是基于物联网架构的农业生产过程架构模型的最高层，主要包括各类具体的农业生产过程系统，通过这些系统的具体应用，实现对农业生产过程的管理控制；公共技术是整个基于物联网架构的农业生产过程系统运行的基础和保障，如信息安全、网络管理、质量管理等；相关标准与规范是实现农业物联网技术应用的关键，目前国际上制定的标准规范主要是面向信息领域的，专门面向农业物联网的技术标准规范还较少，我国于2011年成立了农业物联网行业应用标准工作组及国家传感器网络标准农业应用研究项目组（WGSN-HPG3），专门研究农业物联网标准

规范[2-3]。

随着农业物联网的规模越来越大，越来越复杂，人们对其可靠性提出了越来越高的要求。农业物联网可靠性是指农业物联网在一个规定的工作环境下和规定的时间周期内，对用户服务要求持续满足的能力，即能有效应对规定范围内的各类事件，维持自身的稳定，实现农业信息的可靠感知、可靠传输、可靠使用。

由于农业物联网包括农业物联网硬件系统和农业物联网软件系统，所以，农业物联网可靠性包括农业物联网硬件系统可靠性和农业物联网软件系统可靠性。结合图1所示的农业物联网架构模型，我们提出了农业物联网可靠性构成模型。农业物联网可靠性构成模型包括感知层可靠性、网络层可靠性、处理与应用层可靠性（公共处理平台可靠性和应用服务系统可靠性）、综合可靠性、业务可靠性、可靠性标准及可靠性管理等6部分可靠性内容，如图2所示。

论文基于图2所示的农业物联网可靠性构成模型，分别对感知层可靠性、网络层可靠性、处理与应用层可靠性（公共处理平台可靠性和应用服务系统可靠性）、综合可靠性、可靠性标准及可靠性管理等部分进行了阐述，并对农业物联网的硬件可靠性和软件可靠性评估进行研究。

1 感知层可靠性

在农业物联网中，各类传感器和RFID是感知层上获取

信息的主要手段。由于农业物联网所处的环境不同，如水产物联网中的各类传感器和RFID长期处于水环境中用于感知水温、含氧量、水浑浊度等，温室大棚物联网中的各类传感器和RFID长期处于潮湿的环境中用于感知温度、湿度、日照时长、二氧化碳浓度等，畜禽养殖物联网中的传感器和RFID长期处于被动物携带震动或碰撞的环境中用于感知动物的体温、进食量等，这些不同的使用环境，对农业物联网感知层上的各类传感器和RFID提出了更高的可靠性要求。目前国内外对农业物联网传感器和RFID可靠性的研究，一是确保硬件不容易损坏，二是在硬件正常工作条件下，传感器和RFID能可靠地工作。对于硬件质量问题，更多的解决办法是采用良好的原材料和制作工艺，同时，在保证硬件正常工作前提下对其增加外包装，使其不容易腐蚀和损坏，提高其使用寿命。对于传感器和RFID可靠性工作方面，国内外研究较多。Yoon、Kim、Ahmad等提出了传感器和RFID节点的随机部署、确定性部署、网格部署等方法；田立勤等提出了1种基于均匀分簇的可扩展的模块化传感器节点部署方法[4]；杜秀娟等基于数字喷泉码进行了水下传感器网络可靠性研究[5]；谭杰等提出了1种RFID多标签碰撞检测方法，并进行了电路实现和测试验证[6]；左开中等提出了1种可靠的无线射频识别群组标签认证协议[7]。

2 网络层可靠性

农业物联网网络是基于互联网、电信网等搭建的网络，目前采用有线信息传输和无线信息传输2种传输方式。农业物联网网络除了具有其他领域网络的特征之外，还具有自身领域的特征，如感知层节点众多且类型不同、多对一通信模式、网络环境复杂、通信节点的移动性（如畜禽养殖物联网）、多种通信技术融合（ZigBee技术、GPRS、Wi-Fi网络、蓝牙技术等）等。国外从事网络可靠性研究的主要有美国弗吉尼亚大学计算机学院、英国利兹大学交通研究所等，主要在吞吐量、网络拥塞、网络延时等方面进行研究，并进行网络可靠性的测试[8]。国内除了对传统网络的可靠性研究之外，对农业物联网网络的可靠性研究也逐渐开始，并取得了一定的成果。这些研究充分考虑到了农业领域的特点，如墙体厚度及材料对网络性能和可靠性的影响，大田作物高度、地形、田间遮挡物对网络通信和可靠性的影响，果园中的树冠形状及天线的高度对网络信号和网络可靠性的影响等[3]。李道亮等针对水产养殖、大田种植等不同环境，研究采用不同频段无线传感器网络以提高网络性能和可靠性[9]；郭秀明等建立了1个以果树的生育期、传播距离、天线高度等为参数的信号传输模型，以提高网络性能和可靠性[10]。聂鹏程等研究了1种主动诱导式组网方法，解决农业物联网节点损坏或因植物生长、环境变化导致网络的局部瘫痪甚至大面积瘫痪，以此提高网络可靠性[11]。