肖婧+秦懷斌+郭理

摘要： 隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的深入研究，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的可靠性研究逐漸引起研究者們的關(guān)注。首先提出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可靠性構(gòu)成模型，然后分別對(duì)其中的感知層可靠性、網(wǎng)絡(luò)層可靠性、處理與應(yīng)用層可靠性（公共處理平臺(tái)可靠性和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)可靠性）、綜合可靠性、可靠性標(biāo)準(zhǔn)及可靠性管理等部分進(jìn)行了闡述，并設(shè)計(jì)了1種考慮農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)并聯(lián)、串聯(lián)、并聯(lián)和串聯(lián)共存的綜合可靠性評(píng)估方法。

關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；可靠性；標(biāo)準(zhǔn)；模型

中圖分類(lèi)號(hào)： TP311；S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0009-04

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）自提出以來(lái)，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，其中，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是其應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，并逐漸形成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（agricultural internet of things，Ag-IoT）是指運(yùn)用各類(lèi)農(nóng)業(yè)信息感知設(shè)備，按照約定協(xié)議，廣泛采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息，通過(guò)有線或無(wú)線信息傳輸通道進(jìn)行農(nóng)業(yè)信息的可靠傳輸，將獲取的農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)智能化操作終端實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)[1-3]。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型如圖1所示，包括感知層、傳輸層（網(wǎng)絡(luò)層）、處理與應(yīng)用層等3個(gè)層次。其中，感知層由各類(lèi)傳感器、RFID等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)農(nóng)業(yè)相關(guān)信息的識(shí)別和采集；網(wǎng)絡(luò)層將感知層采集的各類(lèi)農(nóng)業(yè)相關(guān)信息，通過(guò)有線或無(wú)線方式，傳輸?shù)綉?yīng)用層，同時(shí)，將應(yīng)用層的控制命令傳輸?shù)礁兄獙?，使感知層的相關(guān)設(shè)備采取相應(yīng)動(dòng)作；處理與應(yīng)用層包括公共處理平臺(tái)層和各類(lèi)具體應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)層，公共處理平臺(tái)包括各類(lèi)中間件及公共核心處理技術(shù)，如智能決策、診斷推理、預(yù)警等核心功能，而具體應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程架構(gòu)模型的最高層，主要包括各類(lèi)具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)，通過(guò)這些系統(tǒng)的具體應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的管理控制；公共技術(shù)是整個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)和保障，如信息安全、網(wǎng)絡(luò)管理、質(zhì)量管理等；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，目前國(guó)際上制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要是面向信息領(lǐng)域的，專(zhuān)門(mén)面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還較少，我國(guó)于2011年成立了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)工作組及國(guó)家傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究項(xiàng)目組（WGSN-HPG3），專(zhuān)門(mén)研究農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)范[2-3]。

隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模越來(lái)越大，越來(lái)越復(fù)雜，人們對(duì)其可靠性提出了越來(lái)越高的要求。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可靠性是指農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在一個(gè)規(guī)定的工作環(huán)境下和規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)，對(duì)用戶(hù)服務(wù)要求持續(xù)滿足的能力，即能有效應(yīng)對(duì)規(guī)定范圍內(nèi)的各類(lèi)事件，維持自身的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的可靠感知、可靠傳輸、可靠使用。

由于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)包括農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)，所以，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可靠性包括農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)可靠性和農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)可靠性。結(jié)合圖1所示的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型，我們提出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可靠性構(gòu)成模型。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可靠性構(gòu)成模型包括感知層可靠性、網(wǎng)絡(luò)層可靠性、處理與應(yīng)用層可靠性（公共處理平臺(tái)可靠性和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)可靠性）、綜合可靠性、業(yè)務(wù)可靠性、可靠性標(biāo)準(zhǔn)及可靠性管理等6部分可靠性?xún)?nèi)容，如圖2所示。

論文基于圖2所示的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可靠性構(gòu)成模型，分別對(duì)感知層可靠性、網(wǎng)絡(luò)層可靠性、處理與應(yīng)用層可靠性（公共處理平臺(tái)可靠性和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)可靠性）、綜合可靠性、可靠性標(biāo)準(zhǔn)及可靠性管理等部分進(jìn)行了闡述，并對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的硬件可靠性和軟件可靠性評(píng)估進(jìn)行研究。

1 感知層可靠性

在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，各類(lèi)傳感器和RFID是感知層上獲取

信息的主要手段。由于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所處的環(huán)境不同，如水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的各類(lèi)傳感器和RFID長(zhǎng)期處于水環(huán)境中用于感知水溫、含氧量、水渾濁度等，溫室大棚物聯(lián)網(wǎng)中的各類(lèi)傳感器和RFID長(zhǎng)期處于潮濕的環(huán)境中用于感知溫度、濕度、日照時(shí)長(zhǎng)、二氧化碳濃度等，畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器和RFID長(zhǎng)期處于被動(dòng)物攜帶震動(dòng)或碰撞的環(huán)境中用于感知?jiǎng)游锏捏w溫、進(jìn)食量等，這些不同的使用環(huán)境，對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層上的各類(lèi)傳感器和RFID提出了更高的可靠性要求。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器和RFID可靠性的研究，一是確保硬件不容易損壞，二是在硬件正常工作條件下，傳感器和RFID能可靠地工作。對(duì)于硬件質(zhì)量問(wèn)題，更多的解決辦法是采用良好的原材料和制作工藝，同時(shí)，在保證硬件正常工作前提下對(duì)其增加外包裝，使其不容易腐蝕和損壞，提高其使用壽命。對(duì)于傳感器和RFID可靠性工作方面，國(guó)內(nèi)外研究較多。Yoon、Kim、Ahmad等提出了傳感器和RFID節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)部署、確定性部署、網(wǎng)格部署等方法；田立勤等提出了1種基于均勻分簇的可擴(kuò)展的模塊化傳感器節(jié)點(diǎn)部署方法[4]；杜秀娟等基于數(shù)字噴泉碼進(jìn)行了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性研究[5]；譚杰等提出了1種RFID多標(biāo)簽碰撞檢測(cè)方法，并進(jìn)行了電路實(shí)現(xiàn)和測(cè)試驗(yàn)證[6]；左開(kāi)中等提出了1種可靠的無(wú)線射頻識(shí)別群組標(biāo)簽認(rèn)證協(xié)議[7]。

2 網(wǎng)絡(luò)層可靠性

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是基于互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等搭建的網(wǎng)絡(luò)，目前采用有線信息傳輸和無(wú)線信息傳輸2種傳輸方式。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)除了具有其他領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)的特征之外，還具有自身領(lǐng)域的特征，如感知層節(jié)點(diǎn)眾多且類(lèi)型不同、多對(duì)一通信模式、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜、通信節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性（如畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)）、多種通信技術(shù)融合（ZigBee技術(shù)、GPRS、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙技術(shù)等）等。國(guó)外從事網(wǎng)絡(luò)可靠性研究的主要有美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院、英國(guó)利茲大學(xué)交通研究所等，主要在吞吐量、網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等方面進(jìn)行研究，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可靠性的測(cè)試[8]。國(guó)內(nèi)除了對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究之外，對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究也逐漸開(kāi)始，并取得了一定的成果。這些研究充分考慮到了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的特點(diǎn)，如墻體厚度及材料對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性的影響，大田作物高度、地形、田間遮擋物對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信和可靠性的影響，果園中的樹(shù)冠形狀及天線的高度對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響等[3]。李道亮等針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖、大田種植等不同環(huán)境，研究采用不同頻段無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以提高網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性[9]；郭秀明等建立了1個(gè)以果樹(shù)的生育期、傳播距離、天線高度等為參數(shù)的信號(hào)傳輸模型，以提高網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性[10]。聶鵬程等研究了1種主動(dòng)誘導(dǎo)式組網(wǎng)方法，解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)損壞或因植物生長(zhǎng)、環(huán)境變化導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的局部癱瘓甚至大面積癱瘓，以此提高網(wǎng)絡(luò)可靠性[11]。