邹一琴　张兵

摘要：对网格型农业物联网（AIoT，agricultural internet of things）资源封装和信息集成方法进行讨论和研究。基于SOA的网格型AIoT为农业物联网提供一个新的解决方案，可以有效组织和管理现有农业工程中复杂多元的农业资源，为客户提供统一和标准的农业服务。首先介绍基于SOA的网格型AIoT生态系统；接着基于语义网格给出农业资源的服务架构；然后基于网格的方法提出一种基于ARHM的农业资源层次模型；最后根据该模型研究基于WSRF的资源管理框架和农业资源封装方法。面向服务的封装和资源管理方法是一个以最佳方式基于语义网格映射到具体农业资源的服务需求过程。这样使无差别业服务与具体农业资源实现无缝连接，使得各种农业资源在标准的XML接口封装下能被用户通过Web应用轻松访问。

关键词：网格型农业物联网；资源封装；信息集成；智慧农业；农业资源；Web应用；SOA网格技术

中图分类号： S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）19-0239-04

收稿日期：2017-06-05

基金项目：中国博士后科学基金（编号：2015M571692）；江苏省自然科学基金（编号：BK20141165）；江苏省“333”工程科研项目（编号：BRA2014066）。

作者简介：邹一琴（1970—），女，江苏常州人，博士研究生，副教授，主要从事系统工程和农业自动化研究。E-mail：zouqyiqin12@126.com。 国际电信联盟（international telecommunication union，ITU）在《ITU互联网报告2005：物联网》中提出“物联网将以感官智慧的方式连接世界对象”。其中，ITU结合各种技术发展描述了物联网（internet of things，IoT）中物体识别（标记事物）、传感器和无线传感器网络（感知事物）、嵌入式系统（思考事物）和纳米技术（微观事物）4个维度。在物联网愿景中，“事物”的定义非常广泛，包括各种物理元素，包括大家携带的个人物品如智能手机、平板电脑和数码相机，还包括大家生活环境（家庭、车辆或工作中）中的元素以及通过网关设备（如智能手机）连接的标签（RFID、QR或其他）的东西。基于上述“事物”，大量的设备和对象将连接到互联网，每个都提供数据和信息，有些甚至可以提供一些服务。在农业工程领域，大量资源都是异地分布、动态变化的，同时可能分属不同组织和不同领域，甚至不同国家。而在传统IoT中，应用模型由服务应用层、信息传递层和物理感知层进行组织管理，它不能表达出农业政策或农业环境等复杂农业资源[1]。由于缺乏这些重要因素，很难衡量物联网的效率和性能。由于没有这些特殊资源的详细定义和描述，也导致这些资源信息在应用工程无法复制、传递和重用。因此，本试验在基于面向服务的架构（service-oriented architecture，SOA）的網格型农业互联网（agricultural internet of things，AIoT）理论的基础研究和讨论农业资源的表示以及管理方法，将重点研究基于SOA的网格技术对AloT的资源封装和信息集成的技术和方法。

1 基于SOA的网格型AIoT生态系统

在物联网中，事物可以被标记，并通过摄像头扫描识别，还可以上传相关的位置信息。类似地，具有监测天气和环境的传感器可以观测到更细微的环境要素，并依此编制和更新日常农业任务。而传感器和执行器网络也可检测实时实地环境，将状态和事件传达到更高级别的服务。智能事物感知活动和状态可直接链接到IoT。图1是笔者提出的基于SOA的网格型AIoT生态系统的框架图[2]。在面向服务的架构中，中间件和框架使应用程序和服务开发相结合，利用从事物接收的数据或分析相关的数据提供服务，云端的应用或服务有智能计算的能力，可以处理和加工数据，从而生成更有效的服务，比如可以通过接收来自农业生态环境的数据生成相关服务（如农业应用、生产任务、交易等）。农业物联网客户如农民可以通过AIoT的应用服务执行农业任务，再如企业可以通过物联网的应用服务发布任务。农业专家可以通过应用服务优化农业过程参数配置。管理员可通过应用服务对AIoT生态系统进行维护、技术支持和安全管理。新的生态系统不仅涵盖了ITU提出的“微观事物”（微观物联），同时也扩展了“宏观事物”（宏观物联）用以描述农业生产过程中涉及到的政治、人文、社会等环境因素[3]。考虑了农业生产环境和政策人文因素以后，新的框架能够更好地进行农业生态建设和管理，有利于农业资源的合理利用和社会的可持续发展。

2 农业资源语义网格服务实现架构

在网格中，所有任务都按照服务格式进行组织和执行，所有应用都是面向服务的，为了实现农业资源网格中描述的服务，本研究采用基于语义网格农业资源的服务实现架构，结果如图2所示。

该架构包含数据封装层、信息知识层和接口层3层[4]。其中， 数据封装层会把原始农业数据通过外部库的匹配通过封装或命令依据轻量目录访问协议（lightweight directory access protocol，LDAP）组织起来，统一存储到关系数据库内，通过数据库接口DBI和信息知识层交互。信息知识层是农

业资源所有应用和服务的无差别结构化的过程体现，通过基于各种介质（文件、元数据、目录、本体、知识等）形成的包通过JAVA智能网络设备（java intelligent network infrastructure，JINI）或简单对象网络协议（simple object access protocol，SOAP）/可扩展标记语言（extensible markup language，XML）技术实现统一的表示和描述，再通过代理、授权、安全、复制、调度等动作通过统一的用户接口提供服务给接口层。接口层是最终面向用户的，它包括web服务和应用以及用户自定义应用，可通过图形化接口GUI或命令行接口CLI实现农业网格的入口服务。整个架构AIoT中所有事物的表示方法是统一的，这意味着所有农业实体在完全开放的标准框架中提供其服务。当然，依据安全和授权的不同，访问权限会有所不同，有的环境下某些应用可能被关闭，有的入口也可能受到控制[5]。因此，如何将具体农业资源抽象为农业语义网格的要素对于在最终在AIoT中实现这些服务至关重要。endprint

3 农业资源建模

3.1 农业资源分类

要在农业网格中有效、高效地利用和管理农业信息，不仅要考虑信息内容，还要分析所有农业资源及其特点。如图3所示，农业资源是农业自然资源和农业经济资源的总称[6]。其中，农业自然资源包括农业生产中可以利用土地、水、气候、资源和生物资源等自然环境因素。农业经济资源是直接或间接在农业生产中发挥作用的社会经济因素或社会成果如农业人口和劳动力的数量和质量、农业技术和设备，包括交通运输、文化交流、教育、健康、农业基础设施。圖3还给出了农业生产过程中的的设备资源的一些细分示例。

3.2 农业资源建模

在AIoT中，共享资源的核心是资源被封装为具有网格标准规范的网格节点，并以透明的方式为用户提供方便的网格服务[7]。如何封装各种农业资源是资源建模的一项关键技术。因此，本研究提出了适合各种农业资源的高级抽象模型，并基于web服务技术来讨论其实现。在农业上，有诸多复杂的设备、农具、大型应用软件、生产资源存储等各个不同领域的资源，不同类型的资源具有不同的信息和共享方式，所以很难以统一的方式来表达。但从抽象的角度来看，它们有共同的模式可表达其中的信息和数据[8]。基于这个目标，笔者提出了一种基于农业资源层次模型（agricultural resource hierarchy model，ARHM）的高级模型，适用于各种农业资源的建模，结果如图4所示。

传统的物联网3层模型包括业务应用层、信息传递层和身体感知层。与面向应用的模式相比， ARHM是面向服务的

模型[9]，它将各种不同的农业资源与统一的接口层相结合，可以隐藏不同应用程序的差异，使所有的应用程序都可以在不区分资源类型和模式的情况下实现。在基于网格的ARHM中，用户也不必关心是谁通过何种方式提供这些服务，只需要通过统一的接口使用这些服务即可。传统互联网实现了计算机硬件的连接，web实现了信息网页的连接，网格的目标是实现互联网上所有资源的全面互联。面向服务的网格将整个互联网整合到一个巨大的超级计算机中，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源和专家资源的全面共享和协调[10]。

3.3 基于OGSA的抽象模型表示

为了服务提供者在网格环境中有效获取所需组件，建立厂商与企业或企业与企业之间的桥梁，必须封装农业资源，形成网格服务，使资源更容易被访问、调用和处理。因为需要建立一个开放的、易维护的、兼容各种异构设备系统的、广泛的应用集成环境[11]。本研究采用了基于开放网格服务体系结构（open grid services architecture，OGSA）来表示ARHM模型。OGSA是一种开放式接口，也是一种web服务，它提供一组定义明确的接口，并遵循特定的约定提供网格服务。在基于开放网格服务体系结构中，ARHM可被表示为：

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

式中：ResType表示物理资源层中的分布式和异构的特定农业资源。它们的类型、属性是不同的，但对用户而言，其接口是统一而透明的。RefAddress表示可以访问资源或网格服务的引用地址，它是全局空间中的通用资源标识符（URI），资源的URI在特定的命名空间中声明。PropInfo表示从物理资源层抽象的信息，它包括通用的属性、能力和状态信息等。PropInfo可以扩展表示为：{PropInfo | （SumInfo，AttrInfo，CapabInfo，StatusInfo…）}。Interface是资源的接口类型。

4 基于WSRF的服务资源管理

在网格型AIoT中，笔者采用了基于web服务资源框架（web services resource framework，WRSF）的服务资源管理方法。WSRF是网格技术的开放标准，它定义了网格软件和硬件资源的共享机制和管理机制[10]。

4.1 资源管理框架

通过将农业资源封装到Web服务资源结构AG-Resource中，可以在异构的、分布的农业资源之间实现有效的共享和协作[11-12]。在这样的结构中，消费者（资源用户）可以通过标准接口使用农业网格（agricultural grid，AG）资源，不须要关心资源的实际位置和结构。AGRMS框架如图5所示，它基于WSRF框架建立，主要由WSRF封装模块、AG资源管理系统模块、服务管理模块（包含安全管理器、工作流管理器、服务质量管理器）等组成。

4.2 WSRF封装方法

AG资源是一个基于WSRF封装的资源，它包括web服务和封装的农业资源2个主要部分。基于WSRF的AG资源封装结构（图6）显示，web服务可以实现AG资源的web服务功能，通过提供统一和标准的外部调用接口使消费者通过发送标准web服务来调用AG资源。封装的农业资源用于保存农业资源的属性信息，通过AGIS向客户发布信息，发现适合任务的农业资源。

5 结论与展望

本试验对基于AIoT网格技术的资源封装和信息集成方法进行了探讨和研究，它通过面向服务的网格为AloT提出了一个新的解决方案，以有效组织和管理农业工程中异构复杂和多元化的各类农业资源。农业资源经过信息封装和集成后，面向服务的封装和调度将为以最佳方式把服务需求映射为具体农业资源管理和调度的过程。与传统的面向应用的管理方法相比，面向服务的方法对于不同的资源对象具有统一的接口。它可以轻松实现标准化、模块化和扩展，同时表达出更多更复杂的农业资源，还可以更准确地衡量物联网的效率和性能。在增加了这些特殊资源的详细定义和描述后，在不同的应用工程中，这些资源信息也可以被复制、传递和重复利用。

参考文献：endprint

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