传感云在精准农业上的应用与展望

崔 瑜,罗静静,李怀胜,田 敏

(1.新疆生产建设兵团第九师农业科学研究所(畜牧科学研究所),新疆塔城 834601;2.石河子大学机电学院,新疆石河子 832003)

随着科学技术的不断发展,无线传感器网络开始应用于农业的方方面面[1],如管理农田灌溉[2-4]、检测温室大棚气体[5-6]以及监测农田作物生长情况等[7-8],被用于解决精准农业[9]发展过程中遇到的一些实际问题。无线传感器网络在促进当代农业发展的同时,由于自身成本低和体积小等问题,在农业应用中的弊端也不断突显出来。近年来,云计算的发展越来越受关注,它不仅具有成本低、虚拟化和可扩展的特点,还能为用户提供大量的计算存储以及软件服务等。当把云计算和无线传感器网络相结合后,在精准农业上可以作为一个新的研究方向和领域。Brown等[10-11]定义传感云为将云计算与无线传感器网络结合在一起的远程管理服务平台,构建了一种传感器即服务的概念。传感云应用的工作模式主要为:底层物理传感器收集到农业相关信息后,发送至网关节点,虚拟传感器负责向用户提供关键信息,最后云端处理复杂的任务。该模式不仅提高了农业生产成本的效益,还提高了数据处理的准确率。凭借传感云框架高成本的效益以及低维护的需求,在农业应用中发挥巨大的优势。虽然越来越多的研究学者开始关注传感云,但是关于这方面的农业应用研究还是不多。我国是农业大国,目前很多农业生产活动还主要依靠人力进行,利用传感云技术,再结合当下广泛普及的机器学习、物联网技术、大数据和云计算等技术,对当代农业的发展以及未来精准农业的前瞻性研究都有着重大的意义。鉴于此,笔者面向传感云技术,结合云计算强大的虚拟化技术,对其在精准农业领域的应用进行深入探索与研究。

1 传感云的基本概念

1.1 传感云定义关于传感云的定义,不同的研究学者给出了不同的看法。Kurschl等[12]将其定义为:将云计算与无线传感网络结合并构建模型后,在数据存储和处理能力方面,与传统的无线传感网比较,有巨大的优势;Madria等[13]将其定义为:在传感网络顶端上,许多不同的虚拟节点组成了传感云并实时为用户提供按需服务功能;研究人员定义传感云为:结合不同的网络以及传感应用,与云端相结合,为传感网络提供远程的上网、检测和监控等服务;此外,文献还提到,不同的物理节点被传感云虚拟化为传感节点,从而自动响应用户的服务请求[14]。总结来说,传感云综合了云计算和无线传感网的优点,继承了云计算的运作模式。用户可以不用考虑自身的位置和一些规范实时使用传感器,也不用考虑传感器之间的兼容性问题,同一个基础设施可以被不同的用户和组织共享,按需管理使用传感节点的资源并在云端上实现对传感节点的操控。

1.2 传感云体系架构曾建电等[15]提出,传感云的体系架构如图1所示,自下而上分别为物理节点层、虚拟节点层和用户层。物理节点层中的传感器节点有各自相应的控制和数据收集机制,每个传感器节点在不同的应用中发挥着不同的功能;虚拟节点和云端组成了虚拟节点层,主要任务用来处理云端的资源以及调度管理物理节点,终端用户不需要考虑传感节点的具体位置,云端除了为用户提供存储服务以外,还能在紧急情况下对用户做出及时响应。当一些用户向传感云提出请求服务时,用户层就会向用户提供一些不同网络、不同终端或不同操作的远程需求服务操作,用户就可以直接访问传感云上的资源。

图1 传感云体系架构Fig.1 Sensor cloud architecture

2 基于传感云的精准农业系统架构

同传感云架构一样,精准农业传感云系统框架也为3层,主要由用户层、中间层和物理层组成,如图2所示。农民、传感器所有者或设备所有者组成了用户层,不同的用户根据不同的注册方式其使用权限也不相同。当用户以服务使用者的身份进行注册时,只能使用相关仪器设备和数据服务而不能对设备的相关信息进行更改;当用户以传感器或设备提供者进行注册时,可以对底层的一些设备进行维护和管理。通常来讲,通过网页浏览器或者手机软件就能使用户登录云平台系统,最后按需选择自己要进行的服务平台。通过农业传感云平台,用户可以实时对田间作物的生长情况进行监测,基于用户层提供的不同标准化接口,可以使用户自由请求相关数据服务,制定决策后数据会以图表的形式提供给用户,用户就可以直接观察监控区域的环境变化情况。每个人的账户、权限、传感器和农业设备等信息都被储存于中间层中,提供给用户不同的服务由不同的虚拟传感器组成,通过创建虚拟传感器来共享底层的传感器服务,结合虚拟化技术,不但为服务提供商保障了利益,同时也降低了农户的使用成本。相较于一般的传感云系统,农业传感云有着极为独特的地方,即不同的农业传感器和设备分布于物理层中,相应的设备可以执行用户所作的决策,而一般的传感云系统仅为用户提供传感器数据信息。在物理层上,中继节点是网关,每个传感器节点都将通过ZigBee网络节点发送至网关,最后数据通过4G或5G网络发送至云平台。

图2 基于传感云的精准农业系统架构Fig.2 Precision agriculture system architecture based on sensor cloud

3 农业传感云的应用领域

3.1 基于传感云的农田灌溉管理由图3可知,将土壤湿度传感器放置于土壤中来检测土壤的湿度信息,传感云平台接收通过网关采集到的湿度数据信息。在基于传感云的系统框架下,相应的服务商会提供对应的设备,用户可以在相关网站上按需选择服务,这样就可以随时随地对农田土壤的墒情进行观察并制定出适合于该天气的灌溉措施。

图3 基于传感云的农田灌溉管理Fig.3 Farmland irrigation management based on sensor cloud

3.2 基于传感云的农田害虫监测由图4可知,在传感云框架背景下实现对害虫监测的具体过程为:底层的无线网络传感器对农作物进行拍照,用相应的算法对图像进行处理后,传感云平台接收发送过来的图像和数据并进行处理,通过终端显示器,用户可以实时掌握已经处理好的信息,对信息进行整理和分析后,根据作物的生长状态来判断是否需要喷洒农药。这主要是通过部署在相应区域的无人机来执行喷洒农药的任务,当得到用户请求后,无人机会自动飞行至指定的区域执行任务,此外无人机还能起到森林防火的作用。

图4 基于传感云的农田害虫监测Fig.4 Pest monitoring in farmland based on sensor cloud

4 农业传感云的发展优势

与传统的基于无线传感器网络的精准农业体系相比,传感云技术发挥着更大的优势,即具有可扩展性、简单性、低成本、服务时间长以及资源数据共享等优点,具体分析如图4。

4.1 可扩展性云计算的架构不但强大而且复杂,在传感云系统框架下,传统的传感器网络可以扩展为一个巨大的规模。服务提供商会随着用户对底层资源需求的增加而相应扩展云计算供应商提供的额外服务,这样用户就不用为这些额外的硬件资源付出大量的成本。

4.2 简易性传感云为用户终端提供了一系列标准化的接口,农民使用者可以直接通过手机或电脑实时获取农田信息,降低了系统的复杂程度。另一方面,用户还可以通过传感器收集到的各种数据和视频流,也可以通过人工控制设备来进行大棚的管理。传感器采集到的数据由采集器收集,通过无线或者有线传输的方式,将数据传输到后台,用户可以看到大棚内的实时数据。该系统汇集了各种农业数据,具有专家的实时指导功能,旨在帮助农民提高生产效率,增加产量,做出正确的生产决策,从而提高农民的收入水平。

4.3 低成本与传统的无线传感网相比,农民用户可以不用承担基础设施的部署与维护工作,相应的组织和供应商会提供基础设施,农户只需按照自身情况选择相应的服务订阅。同时,随着新网络技术的广泛应用,可以方便地将现有网络升级到新的技术标准,并保持原有技术的兼容性。目前,人力资源成本越来越高,智慧农业已成为现代农业发展的必然趋势,而利用无线传感器节点构建的网络是智慧农业获取信息的主要途径。通过信息技术与现代农业的优化,可以为农民提供信息技术的便利,促进农业技术的有效推广。信息化、因特网和物联网在现代农业发展中将发挥极其重要的作用,也必将给农业技术服务的推广模式带来最大的变革。

4.4 服务周期长传统的无线传感网对于农业生产过程中产生的大量数据处理过程需要消耗大量的能量,而在云计算技术的处理下,云端不但可以处理复杂的任务,还能大大延长服务维持时间,在一定程度大大降低了成本[16]。未来,随着传统农业向智慧农业的转型,大数据的应用必将进一步推动我国现代农业的快速发展。信息化、因特网和物联网在现代农业发展中将发挥极其重要的作用,也必将给农业技术服务的推广模式带来最大的变革。

4.5 资源数据共享传感云平台上的虚拟传感器主要是数据提供的承担者,利用虚拟化技术专注于采集田间环境数据,物理传感器向虚拟传感器传送数据并最终提供给终端用户,用户可以直接通过登录云平台获取虚拟传感器的相关信息,不用直接访问物理传感器。传感云平台同时也是开放共享的平台,个人用户可以注册自己的传感器或其他设备并分享自己的数据。当他人有需求时,可以免费或支付少许费用来获得这些数据。

5 存在的问题与挑战

综合分析传感云在精准农业领域的应用,主要存在以下问题,即服务系统的通信模块、服务平台实时性、系统的交叉容错以及数据的合理可用等,以下是对这些问题的详细说明:

5.1 网络服务系统问题由于存在大量传感器被部署于复杂的环境并且资源匮乏的问题,网络容易发生高风险的危机。更为突出严重的问题是,与云计算服务结合后,系统的不确定因素增加,当云端接收到错误的信息后将会执行错误的指令从而造成更严重的后果。

5.2 隐私安全问题传感云的存在一般情况下很容易受到用户数据泄露和恶意攻击等问题[17],其强大的存储空间方便了用户对存储在云端的数据访问,同时一些机密或者私有数据信息很容易泄露,用户就会无法对数据进行可靠安全的控制。因此,应该对如何有效保护数据以及管理传感云的安全问题做出合理决策。

5.3 通信问题低价的电子设备构成了传感器节点,在传感器网络中,有限的通信带宽与云计算结合后会产生大量的数据,当云端接收到这些数据时,会造成云端和传感网之间的通信瓶颈问题,对传感器节点和传感网络的通信能力都是一个极大的挑战。

5.4 管理问题由于云端服务器与底层传感网络距离较远且实时性差,云计算模式不能对底层终端的传感器节点直接进行管理,传输错误和网络带宽等因素都会导致系统延迟。随着物联网技术的发展,人们在感知环境的同时能够对环境做出响应[18-19],而当下的云计算平台还不足以实现这类服务。

5.5 可用和异构性问题用户在不同的时间地点所需的服务需求也不尽相同,云端接收来自无线传感网传送的数据,然后呈现给用户,能够为用户带来精准的信息和用户体验,保障了数据的可用性;网络仪器设备随着时代的发展也在不断地更新换代,所以在连接传感云系统时就会出现一系列问题,即传感云所面临的挑战之一就是如何保持不同的网络接入不同的终端设备的兼容性。

6 已有解决方案及未来研究动向

6.1 已有解决方案从产业传感云和研究传感云来看,当下已有的安全解决方案有Xively、SensorCloud、SensaTrack、NimBits和ThingSpeak[20]等都是产业传感云系统,研究传感云多集中于解决安全问题的研究文献中。通过设定不同的指标对这些平台进行分析,具体不同类型的传感云平台服务比较如表1所示。安全指标主要由3部分组成,从传感云不同的分层体系结构来讲,物理安全和通信安全组成了物理层的安全指标,其功能分别是保障物理节点的完整性以及保护数据在传输过程中的通信安全问题;可信安全和共享安全组成了虚拟传感层的安全指标,其功能是分别是确保各节点的合法性以及各用户间数据的独立性;访问安全、存储安全和服务安全构成了云服务层,分别实现确保不同用户身份访问数据的合法性、感知用户和数据安全以及服务的可靠性功能。从表1可以看出,所有的云平台服务都能提供存储服务,同时也能够保障数据的安全管理以及认证操作。传感云平台关注的重点主要为物理安全、通信安全以及共享安全,对访问和服务安全实现度较低。由于不同的传感云系统针对不同的传感云系统应用领域都会有所差异,所以要实现统一的云服务层仍具有一定的挑战性。

表1 各类型传感云服务平台比较

6.2 未来研究动向当前已有的解决方案仍不能完全满足传感云的一些需求,对于系统的整体性而言还有许多要解决的问题。所以对传感云在精准农业中的未来研究方向主要从尚未被广泛讨论和研究的问题来分析,主要有以下几点:

(1)随着现代信息技术的飞速发展及其在农业领域的普遍应用,智慧农业将会为现代农业发展带来革命性的技术创新。无线传感网络不仅可以采集所需的数据信息,还可以对信息进行处理,最后将准确的信息传送到管理客户端,是当前人们关注的热点问题之一。基于虚拟化建设的传感云农业研究,从管理的角度设计出满足于传感云系统特性的软件设备,将能够更好地保护传感云系统,满足管理者对网络安全和资源管理等安全需求。

(2)在农业物联网中,需要大量的感知节点和终端将采集到的农业信息传送到数据中心,供农户、农业相关专家参考和分析。在此基础上形成的一种监测网络,通过各种传感器设备,帮助农民及时发现问题、解决问题,从而释放劳动力,提高农业生产效率。基于可信度及评估的传感云农业研究,传统的底层传感网络在数据的完整性、机密性以及可用性等方面安全性能不够高,存在极大的隐患,所以应该加强对传感云可信度及评估的安全研究,更好地实现对物理环境的有效监测。当今现代农业信息技术发展迅猛,农业物联网成为未来农业发展的必然趋势,但是关键技术,特别是精密传感器的制造依然是很大的短板。如何保证农业数据传输的实时性和准确性,是未来农业物联网发展中亟待解决的问题。

(3)基于低耦合的传感云农业研究,在研究传感云安全隐私和服务安全的同时,忽略了为多用户提供服务存在的安全问题,因此研究设计一个低耦合的传感云框架可有效降低耦合发生时产生的不安全问题。要建立高集成度、高安全性的数据共享和交互平台,应以物联网和云计算为基础。共享智能平台旨在打破数据孤岛,实现数据共享和价值传递,在保证数据安全和隐私的前提下,实现数据可用不可见的目标。要按照云平台的理念,做好设计和规划,提高平台组件的可用性,提高平台的稳定性和效率,打造一个真正可用、好用的平台。同时,要充分利用基于数据采集和分析技术的资源,实现个性化、智能化的资源服务。

(4)目前,在设施农业中已经涌现出了一大批成熟的农业物联技术方案,其特点是使用基于蓝牙、 ZigBee、 WiFi等传感网络技术,这些技术都是在2.4 GHz频段工作的。基于交叉容错的农业研究,底层物理的监测错误、虚拟传感层的聚合问题、计算程序错误以及用户服务问题构成了传感云故障和出错的主要源头,所以应针对不同的问题找出合理的解决方案。在 WLAN大环境建设的过程中,存在的安全隐患和信息安全问题都是必须解决的重点问题。此外,如何有效地解决故障节点恢复正常通信的问题,也是值得深入研究的问题。

(5)在农业领域,利用基于图像的自动检测技术代替传统的人工检测技术,及时、客观地获取害虫状态,降低损失,已越来越受到人们的重视。基于数据存储的传感云农业研究,用户不能直接掌控上传的数据,在云端环境下,通过有效监测用户才能够授权访问,体现了数据的可用性。在灾难来临时,会有相应的措施进行数据恢复。美国加州 Climate Corporation公司利用农业大数据技术,采集了大量的气候数据、土壤检测数据和农作物根部检测数据,对这些数据进行分析,为人们提供对自然灾害的有力预测和作物生长的良好建议。

7 结语

传统的农业生产方式随着云计算和物联网等技术的不断发展而发生巨大的变化,通过结合云计算和无线传感器网络技术,不仅降低了底层无线传感网的能量损耗,同时也加快了数据和信息的快速获取以及处理能力,受到业界越来越多研究学者的广泛关注。在未来精准农业的发展过程中,结合传感云和5G等通信技术,将能够大大缓解云服务中心与底层基础设施之间存在的通信问题,提高设备的通信以及存储等能力。虽然目前关于传感云和传感云农业的研究探索仍然比较少,但综合传感云系统存在的巨大优势,在未来农业的发展历程中值得我们进行更多的研究与探索。