網(wǎng)格型農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)資源封裝和信息集成方法

鄒一琴　張兵

摘要：對網(wǎng)格型農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（AIoT，agricultural internet of things）資源封裝和信息集成方法進行討論和研究?；赟OA的網(wǎng)格型AIoT為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供一個新的解決方案，可以有效組織和管理現(xiàn)有農(nóng)業(yè)工程中復(fù)雜多元的農(nóng)業(yè)資源，為客戶提供統(tǒng)一和標準的農(nóng)業(yè)服務(wù)。首先介紹基于SOA的網(wǎng)格型AIoT生態(tài)系統(tǒng)；接著基于語義網(wǎng)格給出農(nóng)業(yè)資源的服務(wù)架構(gòu)；然后基于網(wǎng)格的方法提出一種基于ARHM的農(nóng)業(yè)資源層次模型；最后根據(jù)該模型研究基于WSRF的資源管理框架和農(nóng)業(yè)資源封裝方法。面向服務(wù)的封裝和資源管理方法是一個以最佳方式基于語義網(wǎng)格映射到具體農(nóng)業(yè)資源的服務(wù)需求過程。這樣使無差別業(yè)服務(wù)與具體農(nóng)業(yè)資源實現(xiàn)無縫連接，使得各種農(nóng)業(yè)資源在標準的XML接口封裝下能被用戶通過Web應(yīng)用輕松訪問。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格型農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；資源封裝；信息集成；智慧農(nóng)業(yè)；農(nóng)業(yè)資源；Web應(yīng)用；SOA網(wǎng)格技術(shù)

中圖分類號： S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0239-04

收稿日期：2017-06-05

基金項目：中國博士后科學基金（編號：2015M571692）；江蘇省自然科學基金（編號：BK20141165）；江蘇省“333”工程科研項目（編號：BRA2014066）。

作者簡介：鄒一琴（1970—），女，江蘇常州人，博士研究生，副教授，主要從事系統(tǒng)工程和農(nóng)業(yè)自動化研究。E-mail：zouqyiqin12@126.com。 國際電信聯(lián)盟（international telecommunication union，ITU）在《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》中提出“物聯(lián)網(wǎng)將以感官智慧的方式連接世界對象”。其中，ITU結(jié)合各種技術(shù)發(fā)展描述了物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）中物體識別（標記事物）、傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（感知事物）、嵌入式系統(tǒng)（思考事物）和納米技術(shù)（微觀事物）4個維度。在物聯(lián)網(wǎng)愿景中，“事物”的定義非常廣泛，包括各種物理元素，包括大家攜帶的個人物品如智能手機、平板電腦和數(shù)碼相機，還包括大家生活環(huán)境（家庭、車輛或工作中）中的元素以及通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備（如智能手機）連接的標簽（RFID、QR或其他）的東西?；谏鲜觥笆挛铩?，大量的設(shè)備和對象將連接到互聯(lián)網(wǎng)，每個都提供數(shù)據(jù)和信息，有些甚至可以提供一些服務(wù)。在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，大量資源都是異地分布、動態(tài)變化的，同時可能分屬不同組織和不同領(lǐng)域，甚至不同國家。而在傳統(tǒng)IoT中，應(yīng)用模型由服務(wù)應(yīng)用層、信息傳遞層和物理感知層進行組織管理，它不能表達出農(nóng)業(yè)政策或農(nóng)業(yè)環(huán)境等復(fù)雜農(nóng)業(yè)資源[1]。由于缺乏這些重要因素，很難衡量物聯(lián)網(wǎng)的效率和性能。由于沒有這些特殊資源的詳細定義和描述，也導(dǎo)致這些資源信息在應(yīng)用工程無法復(fù)制、傳遞和重用。因此，本試驗在基于面向服務(wù)的架構(gòu)（service-oriented architecture，SOA）的網(wǎng)格型農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（agricultural internet of things，AIoT）理論的基礎(chǔ)研究和討論農(nóng)業(yè)資源的表示以及管理方法，將重點研究基于SOA的網(wǎng)格技術(shù)對AloT的資源封裝和信息集成的技術(shù)和方法。

1 基于SOA的網(wǎng)格型AIoT生態(tài)系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)中，事物可以被標記，并通過攝像頭掃描識別，還可以上傳相關(guān)的位置信息。類似地，具有監(jiān)測天氣和環(huán)境的傳感器可以觀測到更細微的環(huán)境要素，并依此編制和更新日常農(nóng)業(yè)任務(wù)。而傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)也可檢測實時實地環(huán)境，將狀態(tài)和事件傳達到更高級別的服務(wù)。智能事物感知活動和狀態(tài)可直接鏈接到IoT。圖1是筆者提出的基于SOA的網(wǎng)格型AIoT生態(tài)系統(tǒng)的框架圖[2]。在面向服務(wù)的架構(gòu)中，中間件和框架使應(yīng)用程序和服務(wù)開發(fā)相結(jié)合，利用從事物接收的數(shù)據(jù)或分析相關(guān)的數(shù)據(jù)提供服務(wù)，云端的應(yīng)用或服務(wù)有智能計算的能力，可以處理和加工數(shù)據(jù)，從而生成更有效的服務(wù)，比如可以通過接收來自農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的數(shù)據(jù)生成相關(guān)服務(wù)（如農(nóng)業(yè)應(yīng)用、生產(chǎn)任務(wù)、交易等）。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)客戶如農(nóng)民可以通過AIoT的應(yīng)用服務(wù)執(zhí)行農(nóng)業(yè)任務(wù)，再如企業(yè)可以通過物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)發(fā)布任務(wù)。農(nóng)業(yè)專家可以通過應(yīng)用服務(wù)優(yōu)化農(nóng)業(yè)過程參數(shù)配置。管理員可通過應(yīng)用服務(wù)對AIoT生態(tài)系統(tǒng)進行維護、技術(shù)支持和安全管理。新的生態(tài)系統(tǒng)不僅涵蓋了ITU提出的“微觀事物”（微觀物聯(lián)），同時也擴展了“宏觀事物”（宏觀物聯(lián)）用以描述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到的政治、人文、社會等環(huán)境因素[3]?？紤]了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和政策人文因素以后，新的框架能夠更好地進行農(nóng)業(yè)生態(tài)建設(shè)和管理，有利于農(nóng)業(yè)資源的合理利用和社會的可持續(xù)發(fā)展。

2 農(nóng)業(yè)資源語義網(wǎng)格服務(wù)實現(xiàn)架構(gòu)

在網(wǎng)格中，所有任務(wù)都按照服務(wù)格式進行組織和執(zhí)行，所有應(yīng)用都是面向服務(wù)的，為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源網(wǎng)格中描述的服務(wù)，本研究采用基于語義網(wǎng)格農(nóng)業(yè)資源的服務(wù)實現(xiàn)架構(gòu)，結(jié)果如圖2所示。

該架構(gòu)包含數(shù)據(jù)封裝層、信息知識層和接口層3層[4]。其中， 數(shù)據(jù)封裝層會把原始農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)通過外部庫的匹配通過封裝或命令依據(jù)輕量目錄訪問協(xié)議（lightweight directory access protocol，LDAP）組織起來，統(tǒng)一存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫內(nèi)，通過數(shù)據(jù)庫接口DBI和信息知識層交互。信息知識層是農(nóng)

業(yè)資源所有應(yīng)用和服務(wù)的無差別結(jié)構(gòu)化的過程體現(xiàn)，通過基于各種介質(zhì)（文件、元數(shù)據(jù)、目錄、本體、知識等）形成的包通過JAVA智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（java intelligent network infrastructure，JINI）或簡單對象網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（simple object access protocol，SOAP）/可擴展標記語言（extensible markup language，XML）技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一的表示和描述，再通過代理、授權(quán)、安全、復(fù)制、調(diào)度等動作通過統(tǒng)一的用戶接口提供服務(wù)給接口層。接口層是最終面向用戶的，它包括web服務(wù)和應(yīng)用以及用戶自定義應(yīng)用，可通過圖形化接口GUI或命令行接口CLI實現(xiàn)農(nóng)業(yè)網(wǎng)格的入口服務(wù)。整個架構(gòu)AIoT中所有事物的表示方法是統(tǒng)一的，這意味著所有農(nóng)業(yè)實體在完全開放的標準框架中提供其服務(wù)。當然，依據(jù)安全和授權(quán)的不同，訪問權(quán)限會有所不同，有的環(huán)境下某些應(yīng)用可能被關(guān)閉，有的入口也可能受到控制[5]。因此，如何將具體農(nóng)業(yè)資源抽象為農(nóng)業(yè)語義網(wǎng)格的要素對于在最終在AIoT中實現(xiàn)這些服務(wù)至關(guān)重要。endprint

3 農(nóng)業(yè)資源建模

3.1 農(nóng)業(yè)資源分類

要在農(nóng)業(yè)網(wǎng)格中有效、高效地利用和管理農(nóng)業(yè)信息，不僅要考慮信息內(nèi)容，還要分析所有農(nóng)業(yè)資源及其特點。如圖3所示，農(nóng)業(yè)資源是農(nóng)業(yè)自然資源和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟資源的總稱[6]。其中，農(nóng)業(yè)自然資源包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以利用土地、水、氣候、資源和生物資源等自然環(huán)境因素。農(nóng)業(yè)經(jīng)濟資源是直接或間接在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮作用的社會經(jīng)濟因素或社會成果如農(nóng)業(yè)人口和勞動力的數(shù)量和質(zhì)量、農(nóng)業(yè)技術(shù)和設(shè)備，包括交通運輸、文化交流、教育、健康、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。圖3還給出了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的的設(shè)備資源的一些細分示例。

3.2 農(nóng)業(yè)資源建模

在AIoT中，共享資源的核心是資源被封裝為具有網(wǎng)格標準規(guī)范的網(wǎng)格節(jié)點，并以透明的方式為用戶提供方便的網(wǎng)格服務(wù)[7]。如何封裝各種農(nóng)業(yè)資源是資源建模的一項關(guān)鍵技術(shù)。因此，本研究提出了適合各種農(nóng)業(yè)資源的高級抽象模型，并基于web服務(wù)技術(shù)來討論其實現(xiàn)。在農(nóng)業(yè)上，有諸多復(fù)雜的設(shè)備、農(nóng)具、大型應(yīng)用軟件、生產(chǎn)資源存儲等各個不同領(lǐng)域的資源，不同類型的資源具有不同的信息和共享方式，所以很難以統(tǒng)一的方式來表達。但從抽象的角度來看，它們有共同的模式可表達其中的信息和數(shù)據(jù)[8]?；谶@個目標，筆者提出了一種基于農(nóng)業(yè)資源層次模型（agricultural resource hierarchy model，ARHM）的高級模型，適用于各種農(nóng)業(yè)資源的建模，結(jié)果如圖4所示。

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)3層模型包括業(yè)務(wù)應(yīng)用層、信息傳遞層和身體感知層。與面向應(yīng)用的模式相比， ARHM是面向服務(wù)的

模型[9]，它將各種不同的農(nóng)業(yè)資源與統(tǒng)一的接口層相結(jié)合，可以隱藏不同應(yīng)用程序的差異，使所有的應(yīng)用程序都可以在不區(qū)分資源類型和模式的情況下實現(xiàn)。在基于網(wǎng)格的ARHM中，用戶也不必關(guān)心是誰通過何種方式提供這些服務(wù)，只需要通過統(tǒng)一的接口使用這些服務(wù)即可。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了計算機硬件的連接，web實現(xiàn)了信息網(wǎng)頁的連接，網(wǎng)格的目標是實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全面互聯(lián)。面向服務(wù)的網(wǎng)格將整個互聯(lián)網(wǎng)整合到一個巨大的超級計算機中，實現(xiàn)計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源和專家資源的全面共享和協(xié)調(diào)[10]。

3.3 基于OGSA的抽象模型表示

為了服務(wù)提供者在網(wǎng)格環(huán)境中有效獲取所需組件，建立廠商與企業(yè)或企業(yè)與企業(yè)之間的橋梁，必須封裝農(nóng)業(yè)資源，形成網(wǎng)格服務(wù)，使資源更容易被訪問、調(diào)用和處理。因為需要建立一個開放的、易維護的、兼容各種異構(gòu)設(shè)備系統(tǒng)的、廣泛的應(yīng)用集成環(huán)境[11]。本研究采用了基于開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（open grid services architecture，OGSA）來表示ARHM模型。OGSA是一種開放式接口，也是一種web服務(wù)，它提供一組定義明確的接口，并遵循特定的約定提供網(wǎng)格服務(wù)。在基于開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)中，ARHM可被表示為：

AGResModel = {ResType，RefAddress，PropInfo，Interface}。

式中：ResType表示物理資源層中的分布式和異構(gòu)的特定農(nóng)業(yè)資源。它們的類型、屬性是不同的，但對用戶而言，其接口是統(tǒng)一而透明的。RefAddress表示可以訪問資源或網(wǎng)格服務(wù)的引用地址，它是全局空間中的通用資源標識符（URI），資源的URI在特定的命名空間中聲明。PropInfo表示從物理資源層抽象的信息，它包括通用的屬性、能力和狀態(tài)信息等。PropInfo可以擴展表示為：{PropInfo | （SumInfo，AttrInfo，CapabInfo，StatusInfo…）}。Interface是資源的接口類型。

4 基于WSRF的服務(wù)資源管理

在網(wǎng)格型AIoT中，筆者采用了基于web服務(wù)資源框架（web services resource framework，WRSF）的服務(wù)資源管理方法。WSRF是網(wǎng)格技術(shù)的開放標準，它定義了網(wǎng)格軟件和硬件資源的共享機制和管理機制[10]。

4.1 資源管理框架

通過將農(nóng)業(yè)資源封裝到Web服務(wù)資源結(jié)構(gòu)AG-Resource中，可以在異構(gòu)的、分布的農(nóng)業(yè)資源之間實現(xiàn)有效的共享和協(xié)作[11-12]。在這樣的結(jié)構(gòu)中，消費者（資源用戶）可以通過標準接口使用農(nóng)業(yè)網(wǎng)格（agricultural grid，AG）資源，不須要關(guān)心資源的實際位置和結(jié)構(gòu)。AGRMS框架如圖5所示，它基于WSRF框架建立，主要由WSRF封裝模塊、AG資源管理系統(tǒng)模塊、服務(wù)管理模塊（包含安全管理器、工作流管理器、服務(wù)質(zhì)量管理器）等組成。

4.2 WSRF封裝方法

AG資源是一個基于WSRF封裝的資源，它包括web服務(wù)和封裝的農(nóng)業(yè)資源2個主要部分?；赪SRF的AG資源封裝結(jié)構(gòu)（圖6）顯示，web服務(wù)可以實現(xiàn)AG資源的web服務(wù)功能，通過提供統(tǒng)一和標準的外部調(diào)用接口使消費者通過發(fā)送標準web服務(wù)來調(diào)用AG資源。封裝的農(nóng)業(yè)資源用于保存農(nóng)業(yè)資源的屬性信息，通過AGIS向客戶發(fā)布信息，發(fā)現(xiàn)適合任務(wù)的農(nóng)業(yè)資源。

5 結(jié)論與展望

本試驗對基于AIoT網(wǎng)格技術(shù)的資源封裝和信息集成方法進行了探討和研究，它通過面向服務(wù)的網(wǎng)格為AloT提出了一個新的解決方案，以有效組織和管理農(nóng)業(yè)工程中異構(gòu)復(fù)雜和多元化的各類農(nóng)業(yè)資源。農(nóng)業(yè)資源經(jīng)過信息封裝和集成后，面向服務(wù)的封裝和調(diào)度將為以最佳方式把服務(wù)需求映射為具體農(nóng)業(yè)資源管理和調(diào)度的過程。與傳統(tǒng)的面向應(yīng)用的管理方法相比，面向服務(wù)的方法對于不同的資源對象具有統(tǒng)一的接口。它可以輕松實現(xiàn)標準化、模塊化和擴展，同時表達出更多更復(fù)雜的農(nóng)業(yè)資源，還可以更準確地衡量物聯(lián)網(wǎng)的效率和性能。在增加了這些特殊資源的詳細定義和描述后，在不同的應(yīng)用工程中，這些資源信息也可以被復(fù)制、傳遞和重復(fù)利用。

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