農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可靠性研究

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

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

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT）自提出以來，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，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）是指運用各類農(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)場信息，通過有線或無線信息傳輸通道進(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，并通過智能化操作終端實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理，進(jìn)而實現(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個層次。其中，感知層由各類傳感器、RFID等組成，實現(xiàn)對各類農(nóng)業(yè)相關(guān)信息的識別和采集；網(wǎng)絡(luò)層將感知層采集的各類農(nóng)業(yè)相關(guān)信息，通過有線或無線方式，傳輸?shù)綉?yīng)用層，同時，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)動作；處理與應(yīng)用層包括公共處理平臺層和各類具體應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)層，公共處理平臺包括各類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)過程架構(gòu)模型的最高層，主要包括各類具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)，通過這些系統(tǒng)的具體應(yīng)用，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的管理控制；公共技術(shù)是整個基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)運行的基礎(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)范是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，目前國際上制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要是面向信息領(lǐng)域的，專門面向農(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)工作組及國家傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究項目組（WGSN-HPG3），專門研究農(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)模越來越大，越來越復(fù)雜，人們對其可靠性提出了越來越高的要求。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可靠性是指農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在一個規(guī)定的工作環(huán)境下和規(guī)定的時間周期內(nèi)，對用戶服務(wù)要求持續(xù)滿足的能力，即能有效應(yīng)對規(guī)定范圍內(nèi)的各類事件，維持自身的穩(wěn)定，實現(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部分可靠性內(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，并對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的硬件可靠性和軟件可靠性評估進(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)中的各類傳感器和RFID長期處于水環(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)中的各類傳感器和RFID長期處于潮濕的環(huán)境中用于感知溫度、濕度、日照時長、二氧化碳濃度等，畜禽養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器和RFID長期處于被動物攜帶震動或碰撞的環(huán)境中用于感知動物的體溫、進(jìn)食量等，這些不同的使用環(huán)境，對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層上的各類傳感器和RFID提出了更高的可靠性要求。目前國內(nèi)外對農(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。對于硬件質(zhì)量問題，更多的解決辦法是采用良好的原材料和制作工藝，同時，在保證硬件正常工作前提下對其增加外包裝，使其不容易腐蝕和損壞，提高其使用壽命。對于傳感器和RFID可靠性工作方面，國內(nèi)外研究較多。Yoon、Kim、Ahmad等提出了傳感器和RFID節(jié)點的隨機(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)簽碰撞檢測方法，并進(jìn)行了電路實現(xiàn)和測試驗證[6]；左開中等提出了1種可靠的無線射頻識別群組標(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)點眾多且類型不同、多對一通信模式、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜、通信節(jié)點的移動性（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。國外從事網(wǎng)絡(luò)可靠性研究的主要有美國弗吉尼亞大學(xué)計算機(jī)學(xué)院、英國利茲大學(xué)交通研究所等，主要在吞吐量、網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)延時等方面進(jìn)行研究，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可靠性的測試[8]。國內(nèi)除了對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究之外，對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究也逐漸開始，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，如墻體厚度及材料對網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性的影響，大田作物高度、地形、田間遮擋物對網(wǎng)絡(luò)通信和可靠性的影響，果園中的樹冠形狀及天線的高度對網(wǎng)絡(luò)信號和網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響等[3]。李道亮等針對水產(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個以果樹的生育期、傳播距離、天線高度等為參數(shù)的信號傳輸模型，以提高網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性[10]。聶鵬程等研究了1種主動誘導(dǎo)式組網(wǎng)方法，解決農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點損壞或因植物生長、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]。