齊東蘭QI Dong-lan；魏永強WEI Yong-qiang

（①陜西職業(yè)技術(shù)學院，西安 710100；②西安測繪研究所，西安 710054）

0 引言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)[1]，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理通過人工現(xiàn)場勘查的方式判斷農(nóng)作物的生長情況，效率不高，且會造成一定的人力資源浪費；隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，為農(nóng)業(yè)的智能管理提供了條件。葛文杰等[2]對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念和技術(shù)體系進行了闡述，總結(jié)出國內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、通訊傳輸技術(shù)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，指出了我國的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在應(yīng)用局限性、產(chǎn)品不夠豐富、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)沒有得到充分挖掘利用等問題，為我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了方向。李道亮等[3]對農(nóng)業(yè)傳感器工藝、農(nóng)業(yè)信息傳輸技術(shù)、農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)模型等方面提出了多方面具體的要求，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了技術(shù)依據(jù)。潘榮敏[4-7]等利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建庫系統(tǒng)，研究了農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，研究農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸加密技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和三維應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，逼真地展現(xiàn)區(qū)域的三維地理環(huán)境、實時展示農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點信息，包括空氣溫度及濕度、光照、CO2濃度、土壤溫度及濕度、病蟲害等環(huán)境參數(shù)。可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，對監(jiān)測點信息進行分析處理，并以直觀的圖表、文字、視頻等多種方式展示分析結(jié)果，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)的高效益規(guī)模化管理。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)云存儲技術(shù) 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過紅外感應(yīng)器、激光掃描、射頻識別、全球定位系統(tǒng)等設(shè)備，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合傳感器、信息處理、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，獲取農(nóng)作物生長的實時數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有種類繁多、數(shù)據(jù)量大、實時性要求高等特點，如何有效存儲農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)以更好地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是急需解決的問題。云計算能夠解決數(shù)據(jù)海量存儲問題，可以提高數(shù)據(jù)庫的訪問效率、性能和穩(wěn)定性。

本文通過搭建大數(shù)據(jù)平臺Hadoop集群環(huán)境，建設(shè)以云存儲、云服務(wù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理中心，提供數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分發(fā)功能。數(shù)據(jù)分類功能將傳感器數(shù)據(jù)按不同類型分類，例如溫度信息、濕度信息、GNSS信息等；數(shù)據(jù)管理功能實現(xiàn)海量傳感器數(shù)據(jù)的實時存儲并建立存儲緩沖池，設(shè)置數(shù)據(jù)應(yīng)用接口以便未來應(yīng)用擴展；數(shù)據(jù)分發(fā)功能通過提供數(shù)據(jù)實時分發(fā)接口，實時向系統(tǒng)推送數(shù)據(jù)。

將所有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲在Hadoop集群環(huán)境下的各分布式數(shù)據(jù)庫HBase中，通過Hive數(shù)據(jù)倉庫工具來對數(shù)據(jù)進行存儲管理。利用并行計算，把實時獲取的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分解為成百上千個小數(shù)據(jù)集，每個（或若干個）數(shù)據(jù)集分別由集群中的一個節(jié)點進行處理并生成中間結(jié)果，然后將這些中間結(jié)果采用并行計算的方式進行合并，形成最終結(jié)果進行數(shù)據(jù)分發(fā)，從而實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速存儲和并發(fā)訪問。

以傳統(tǒng)RDBMS技術(shù)和云計算技術(shù)兩套方案分別建設(shè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲環(huán)境，從數(shù)據(jù)并發(fā)訪問的角度對兩種存儲方式進行壓力測試，結(jié)果見表1。可見，兩種方式都能保證所有并發(fā)訪問，但云計算技術(shù)下的數(shù)據(jù)并發(fā)效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)單機方式，尤其是數(shù)據(jù)量增加的情況下，其優(yōu)勢更加明顯。

表1 RDBMS技術(shù)和云計算技術(shù)存儲方案的并發(fā)訪問效率對比

1.2基于RSA的數(shù)據(jù)加密技術(shù)RSA公鑰密碼體制是由Rivest、Shamirh和Adleman三人在1978年提出的[8]，已成為公鑰數(shù)據(jù)加密的標準。它使用相互關(guān)聯(lián)的一對密鑰：一個公鑰和一個私鑰[9-10]，公鑰是公開信息，而私鑰是需要保密的，基于加密和解密算法進行數(shù)據(jù)的加解密處理。數(shù)據(jù)從物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心到三維應(yīng)用系統(tǒng)要經(jīng)過3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)，到達運營商基站，再通過運營商基站接入互聯(lián)網(wǎng)，最終被對方接收。在這個過程中，數(shù)據(jù)要經(jīng)過數(shù)次中轉(zhuǎn)，每一次中轉(zhuǎn)都有被竊聽和截斷的風險。為了保證系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在實時傳輸過程中的安全性，必須在數(shù)據(jù)發(fā)送前對數(shù)據(jù)進行加密，待接收到數(shù)據(jù)后進行解密。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心和三維應(yīng)用系統(tǒng)之間傳輸信息時通過RSA非對稱密碼算法進行數(shù)據(jù)加密處理。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心和三維應(yīng)用系統(tǒng)各產(chǎn)生一組RSA非對稱密鑰，雙方保存好私鑰，公鑰提供給對方。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心使用三維應(yīng)用系統(tǒng)的公鑰對農(nóng)業(yè)信息進行加密處理，三維應(yīng)用系統(tǒng)使用自己的私鑰進行解密，解析出需要的信息；同樣，三維應(yīng)用系統(tǒng)使用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心提供的公鑰將分析出的預(yù)警數(shù)據(jù)進行加密處理，將數(shù)據(jù)傳送到物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，然后使用自己的私鑰進行解密，得到需要的信息，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)加解密過程

2 農(nóng)業(yè)三維應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用典型的B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，利用SuperMap iServer提供場景服務(wù)，基于SuperMap iClient3D for Plugin進行客戶端開發(fā)。將三維模型服務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心實時獲取的傳感器數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，在Web端逼真地展現(xiàn)農(nóng)業(yè)區(qū)域三維地理環(huán)境、以多種形式實時顯示物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點信息，并提供分析功能。系統(tǒng)由三維應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)層、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用層組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。①三維應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)層：為系統(tǒng)提供三維數(shù)據(jù)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)層和服務(wù)層。數(shù)據(jù)層由地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)組成，其中三維模型數(shù)據(jù)包括重要物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點（安裝設(shè)備的大棚、露天監(jiān)測點）的精細模型，該模型的編號與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測點建立一一對應(yīng)關(guān)系；使用SuperMap iServer對數(shù)據(jù)進行服務(wù)發(fā)布，分別對應(yīng)地形服務(wù)、影像服務(wù)、三維模型服務(wù)，為應(yīng)用層提供服務(wù)支持。②物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)層，負責農(nóng)業(yè)信息的存儲和管理，維護農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，并提供數(shù)據(jù)備份功能，包括感知層、傳輸層和服務(wù)層。感知層利用傳感器、讀卡器、音視頻采集器等實時獲取農(nóng)業(yè)信息，包括溫度、相對濕度、pH值、光照強度、土壤養(yǎng)分、CO2濃度等信息；傳輸層通過各種網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，實時準確地將數(shù)據(jù)傳遞到服務(wù)層；服務(wù)層對接收到的數(shù)據(jù)進行解析、分類、判斷后將有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并提供數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。服務(wù)層采用云計算架構(gòu)模式，通過搭建云平臺進行系統(tǒng)資源的整合，提升性能。③應(yīng)用層，包括系統(tǒng)的三維場景瀏覽、量測、查詢等基本地圖操作，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息的多形式實時展示以及分析處理等應(yīng)用。

圖2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)三維應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能設(shè)計與應(yīng)用

系統(tǒng)主要由三大功能模塊組成：基本操作、物聯(lián)網(wǎng)信息查詢與展示模塊、分析預(yù)警模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

3.1基本操作 包括三維場景瀏覽展示、標注、場景自動飛行、三維量測；地圖的放大、縮小、全幅、漫游、旋轉(zhuǎn)等基本的場景瀏覽功能；預(yù)先設(shè)計飛行路線、設(shè)定相關(guān)參數(shù)（如飛行速度、飛行總時間、是否鎖定方位角、高程等），然后自動飛行，以身臨其境的方式進入管理區(qū)域。

3.2物聯(lián)網(wǎng)信息查詢與展示模塊 包括物聯(lián)網(wǎng)基本信息展示、物聯(lián)網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測信息展示、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的視頻實時播放與歷史視頻回放。通過在三維系統(tǒng)中接入農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息，以文本形式展示基本信息；以儀表盤、折線圖等形式實時展示監(jiān)控傳感器采集的數(shù)據(jù)；通過獲取監(jiān)控視頻通道，實時展示監(jiān)控區(qū)內(nèi)的影像，也可以根據(jù)時間段查看歷史監(jiān)控影像，對農(nóng)作物的生長進行全程監(jiān)控。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的多種展現(xiàn)形式，直觀地反映農(nóng)作物生長的實時信息，并且能夠快速及時地發(fā)現(xiàn)問題，準確定位問題農(nóng)作物所在的位置，大大減輕工作量，并從整體上直觀地為農(nóng)作物種植提供更加科學的決策依據(jù)，如圖4所示。

圖4 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息實時展示界面

3.3分析模塊 該模塊將接收到的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實時存入數(shù)據(jù)庫，并進行分析處理，支持某時間段之內(nèi)的歷史信息查詢，以便詳細觀察該時間段內(nèi)的具體情況，為用戶提供分析決策依據(jù)。用戶可以自定義農(nóng)作物的生長環(huán)境參數(shù)范圍，根據(jù)該范圍值判斷是否超出預(yù)警閾值，如果超出閾值，通過獲取預(yù)警類型的參數(shù)之后，計算出相應(yīng)的編號，發(fā)送預(yù)警信息，如表2所示。

表2 農(nóng)業(yè)分析預(yù)警數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文針對農(nóng)業(yè)智能管理的需求，提出了將物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)三維應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案，利用云計算技術(shù)，解決了農(nóng)業(yè)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的高效管理；基于SuperMap三維開發(fā)平臺，采用三維建模、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)云存儲、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的三維應(yīng)用系統(tǒng)；以文字、圖形、視頻等多種形式實時展示物聯(lián)網(wǎng)信息，提供農(nóng)業(yè)信息的預(yù)警分析功能，為農(nóng)作物日常生長管理提供了方便直觀的方法；并在于洪區(qū)農(nóng)業(yè)智能化管理中得到應(yīng)用，對智慧農(nóng)業(yè)進行了探索與實踐。