基于IPv6的大田種植監(jiān)控在智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究與設(shè)計

尹華國 鄒承俊 張清峰

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?農(nóng)業(yè)信息化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。步入21世紀后，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，要把物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中去。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如傳感器設(shè)備在農(nóng)業(yè)中的大量使用，傳統(tǒng)IPv4協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)存在地址資源匱乏、安全等多種問題。采用IPv6協(xié)議解決方案能很好地解決傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸問題。采用基于IPv6協(xié)議的6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)大田種植監(jiān)控應(yīng)用，實現(xiàn)大田墑情自動預(yù)報、灌溉用水量智能決策，節(jié)約用水，提高水肥利用率，減少環(huán)境污染，真正實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?IPv6;6LoWPAN;智慧農(nóng)業(yè);農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

[中圖分類號] ?S126 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2019）30-0120-03

一、引言

（一）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程加快，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨資源、環(huán)境、市場等諸多因素的影響和制約，環(huán)境與食品安全越來越被人們重視。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對促進傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和農(nóng)民增收都有著重要意義。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的不斷發(fā)展與應(yīng)用，大田種植監(jiān)控智能化管理可利用大田種植區(qū)域分布的各類傳感器監(jiān)測點遠程在線采集土壤墑情、養(yǎng)分、氣象等信息，同時結(jié)合種植的農(nóng)作物生長生理特點，實現(xiàn)大田墑情自動預(yù)報、精準把握灌溉時間和灌溉量智能決策。智慧化管理也可實現(xiàn)遠程、自動控制灌溉設(shè)備等功能，準確施肥、合理灌溉，節(jié)約用水，提高水肥利用率，減少環(huán)境污染。通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全面感知、智能控制功能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程信息化、自動化與智能化，最終實現(xiàn)高效智慧的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

（二）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的困境

物聯(lián)網(wǎng)廣泛的應(yīng)用既帶來了巨大的商業(yè)潛力，又帶來技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。

1.地址及資源限制。目前，物聯(lián)網(wǎng)在組網(wǎng)方式絕大部分都是采用傳統(tǒng)的IPv4協(xié)議地址的尋址方式來進行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的尋址，隨著互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展，它的最大問題是網(wǎng)絡(luò)地址資源是有限的，這已不能很好地滿足物聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)地址的龐大需求。同時，傳統(tǒng)DHCP的分配方式對服務(wù)器提出了極其苛刻的性能要求。

2.傳統(tǒng)的IPv4的可移動性先天不足造成了物聯(lián)網(wǎng)的移動能力的瓶頸。

3.物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的安全性和傳輸可靠性對物聯(lián)網(wǎng)不同應(yīng)用場景提出更高要求。

由于IPv6擁有巨大的地址空間，具有幾乎可以不受限制地提供IP地址，解決IP地址耗盡危機，每件物品都可以直接編址，從而確保端到端連接的可能性。另外，IPv6采用無狀態(tài)地址分配方案，能很好地解決高效率地址分配問題。IPv6協(xié)議在設(shè)計之初就充分考慮對移動性的支持，它把IPsec協(xié)議嵌入基礎(chǔ)協(xié)議棧中，通信時通過加密通信信息和過程等解決方案對網(wǎng)絡(luò)安全和可靠性傳輸技術(shù)有很好的技術(shù)支持。

二、基于IPv6的大田種植監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)總體方案

（一）利用雙棧技術(shù)實現(xiàn)IPv4向IPv6過渡

IPv6是互聯(lián)網(wǎng)演進升級的必然趨勢。從IPv4向IPv6發(fā)展過程中經(jīng)歷了純IPv4階段、IPv4向IPv6過渡階段、純IPv6階段。目前，常見的IPv4轉(zhuǎn)換到IPv6的解決方案主要有IPv4/IPv6雙協(xié)議棧、隧道技術(shù)以及地址翻譯技術(shù)。

“雙?！笔侵冈诰W(wǎng)元中同時運行IPv4和IPv6兩個協(xié)議棧，它既可以接收、處理、收發(fā)IPv4的分組，同時也能接收、處理、收發(fā)IPv6的分組數(shù)據(jù)包。

對終端主機，“雙?！笨筛鶕?jù)需要來對業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行IPv4/IPv6封裝。

對路由器，“雙?！蹦茉谝粋€路由器設(shè)備中維護IPv6和IPv4兩套路由器協(xié)議棧，使得路由器既能與IPv4主機通信，也能與IPv6主機通信，分別支持獨立的IPv6和IPv4路由協(xié)議，按照各自路由協(xié)議進行計算，維護不同路由表。

結(jié)合本項目的實際情況和特點，“雙?！奔夹g(shù)是最為徹底的網(wǎng)站支持IPv6升級改造技術(shù)，具有訪問效果好，適用結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，項目最后采用“雙?！奔夹g(shù)來實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換問題。

（二）基于6LoWPAN的大田種植監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

6LowPAN是基于IPv6的無線自組網(wǎng)協(xié)議標準，它是Zigbee發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。Zigbee聯(lián)盟基于6LowPAN推出最新的Zigbee IP協(xié)議標準是無線自組網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的新階段。

采用6Lowpan的無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可使大田種植區(qū)域的傳感器節(jié)點可進行統(tǒng)一尋址、使物聯(lián)網(wǎng)與IPv6網(wǎng)絡(luò)深度融合，真正實現(xiàn)大田種植監(jiān)控智慧管理的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，實現(xiàn)信息共享。

按照物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個層面自底向上的思路進行研究工作?；?LowPAN的大田種植監(jiān)控智慧管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

基于6LoWPAN的大田種植監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由一個6LowPAN路由器（即網(wǎng)關(guān)）、多個運行IPv6協(xié)議棧的PanNodeX節(jié)點模組、一臺互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器以及管控應(yīng)用軟件組成的物聯(lián)網(wǎng)管控服務(wù)器構(gòu)成。其中一個6LowPAN路由器網(wǎng)關(guān)可以帶N個PanNodeX節(jié)點模組，它們組成一個無線自組織的MESH網(wǎng)絡(luò)，每一個節(jié)點擁有唯一的IPv6地址。

本研究項目主要完成任務(wù)是感知層的PanNodeX節(jié)點模組設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)層的IPv4/IPv6環(huán)境搭建和應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的管控平臺開發(fā)等工作。

（三）感知層的PanNodeX節(jié)點模組設(shè)計

模組在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈上的所處的位置，如圖2所示：由于通信模組的作用是承載了端到端、端到后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，是用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，是物?lián)網(wǎng)終端的核心部件之一。

由于節(jié)點通信模組是將基帶芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，并提供標準接口的功能模塊，各類終端借助無線模組可以實現(xiàn)通信功能。

感知層節(jié)點在物聯(lián)網(wǎng)終端完成大田種植區(qū)域的環(huán)境信息采集，經(jīng)過6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)傳輸匯聚到邊界網(wǎng)關(guān)，由邊界網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)處理，最后將信息發(fā)送到服務(wù)器，再由服務(wù)器端對監(jiān)測信息進行存儲、處理、分析和深度挖掘等一系列任務(wù)。

PanNodeX節(jié)點模組不僅可完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，而且針對特定傳感器，可以根?jù)相關(guān)資源自行實現(xiàn)其IO控制，節(jié)點模組采用AT指令進行配置，用戶可以先將模組設(shè)置為配置模式，配置好相關(guān)的參數(shù)，然后再將模塊設(shè)置為應(yīng)用模式，在應(yīng)用模式，串口發(fā)送的數(shù)據(jù)將直接轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器。

在互聯(lián)網(wǎng)上的物聯(lián)網(wǎng)終端用戶也可以通過發(fā)送控制信令，經(jīng)過一個相反的傳輸過程將信令送到物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控終端節(jié)點實現(xiàn)遠程控制。最終實現(xiàn)對設(shè)備訪問、控制及有效管理，同時也實現(xiàn)大田作物環(huán)境信息自動檢測和遠程設(shè)備智能控制與智慧灌溉功能。

（四）網(wǎng)絡(luò)傳輸層優(yōu)化與互聯(lián)互通

科技園區(qū)大田區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)采用基于IPv6的6LowPan傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過采用支持運行IPv4/IPv6雙協(xié)議棧的邊界路由器（無線網(wǎng)關(guān)）接入法來實現(xiàn)無線組網(wǎng)的方式。邊界路由器對內(nèi)可實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和節(jié)點模組間的網(wǎng)絡(luò)建立、通信與維護，該節(jié)點模組可與多個傳感器終端節(jié)點相連;對外可實現(xiàn)與IPv4或IPv6的互聯(lián)網(wǎng)進行互聯(lián)互通。當物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部的節(jié)點模組要訪問互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的時候，通過6LowPAN網(wǎng)關(guān)內(nèi)部集成的NAPTPT協(xié)議，建立一個NAT表，將IPv6地址轉(zhuǎn)換為IPv4地址去訪問互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器;而當互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器返回數(shù)據(jù)時，查詢NAT表，將數(shù)據(jù)返回給NAT表記錄的節(jié)點，使得外部網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可對傳感區(qū)域進行控制與管理，實現(xiàn)遠程物體感知與控制功能。

三、應(yīng)用層中物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器管控平臺設(shè)計

基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與節(jié)水灌溉自動控制技術(shù)，通過利用物聯(lián)網(wǎng)的智能感知等技術(shù)對大田農(nóng)作物用水、施肥統(tǒng)一調(diào)控，實現(xiàn)作物定時、定量精準灌溉，同時結(jié)合農(nóng)作物種植區(qū)域的土壤墑情和氣象信息監(jiān)測，實現(xiàn)對灌溉用水實時監(jiān)測與動態(tài)管理，達到節(jié)肥、節(jié)水、節(jié)時和節(jié)力功效。

基于IPv6的大田智慧管理系統(tǒng)將園區(qū)特定種植區(qū)域內(nèi)的生長環(huán)境信息通過土壤溫濕度、氣象站等傳感器來采集數(shù)據(jù)，然后，系統(tǒng)把這些數(shù)據(jù)與用戶的種植作物模型設(shè)定的需要灌溉和停止灌溉的上下限數(shù)據(jù)進行比較，判斷是否需要進行灌溉，有效實現(xiàn)灌溉水的自動與智慧化。

大田種植監(jiān)控智慧管理系統(tǒng)的功能包含5個模塊即實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢與加工、智能報警與設(shè)備聯(lián)動、后臺管理（如圖3所示）。

（一）實時數(shù)據(jù)采集功能

現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)采集：通過前端傳感器等設(shè)備，實時采集大田區(qū)域內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照度等數(shù)據(jù)，將采集的現(xiàn)場環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至管理系統(tǒng)，方便管理人員實時掌握現(xiàn)場情況并及時做出相應(yīng)的處理。

（二）數(shù)據(jù)處理與分析

1.數(shù)據(jù)處理功能包括信息展示和導(dǎo)出功能。信息展示功能：實時曲線：將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)以實時曲線的方式顯示出來，以便及時了解現(xiàn)場信息;歷史曲線：可顯示出各測量參數(shù)的日、月、季、年參數(shù)變化曲線，根據(jù)該曲線分析各參數(shù)變化對作物生長的影響，并提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表、線圖，讓數(shù)據(jù)顯示更加直觀，可對歷史曲線、報表進行打印。數(shù)據(jù)導(dǎo)出：系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出形式多樣的數(shù)據(jù)格式，如TXT、Excel等格式以方便第三方軟件進行數(shù)據(jù)后期的二次處理。

2.數(shù)據(jù)分析功能：數(shù)據(jù)挖掘是對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行深入分析，對歷史時間內(nèi)的溫度、濕度變化進行分析，診斷出農(nóng)作物不同生長周期、不同的季節(jié)生產(chǎn)的最佳溫度、濕度等，給農(nóng)業(yè)專家的遠程指導(dǎo)、現(xiàn)場管理人員的協(xié)調(diào)指揮提供數(shù)據(jù)依據(jù);與特定作物預(yù)定閾值進行對比，判斷當前條件是否滿足農(nóng)作物生長的需求，并做出相應(yīng)的決策動作;對數(shù)據(jù)橫向縱向?qū)Ρ?，預(yù)測農(nóng)作物生長狀態(tài)是否良好、是否存在病蟲害隱患、初步預(yù)期產(chǎn)量等。

（三）智能預(yù)警功能

報警形式：系統(tǒng)提供閾值設(shè)置功能，根據(jù)種植品種、農(nóng)業(yè)專家意見，設(shè)置最佳的作物生長環(huán)境參數(shù)。當作物生長過程某些參數(shù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動控制相關(guān)設(shè)備進行智能調(diào)節(jié)，確保最適宜作物生長的溫室環(huán)境。如果自動調(diào)控不能達到目標，系統(tǒng)會通過短信、動畫、聲音等形式在PC端或手機客戶端等顯示預(yù)警信息。

報警控制：用戶可設(shè)定某些參數(shù)指標的上限和下限，高于或低于閥值范圍都會產(chǎn)生報警信息，并在上位機中控平臺和現(xiàn)場控制節(jié)點顯示出來。

故障通知：現(xiàn)場控制節(jié)點出現(xiàn)故障時可及時以中心服務(wù)器平臺、手機短信、報警信息等方式通知管理者。

（四）設(shè)備遠程控制功能

設(shè)備遠程控制：用戶在任何時間、任何地點通過手機、PC終端軟件可實現(xiàn)對大田種植區(qū)域的各種設(shè)備進行遠程控制。

智慧灌溉及施肥控制：水灌溉與施肥采用一套管線系統(tǒng)，根據(jù)植物生長模式，可通過自動、手動方式進行操作。

（五）系統(tǒng)后臺管理功能

用戶管理功能：規(guī)定用戶使用權(quán)限，非用戶不能登錄系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全?？稍O(shè)置權(quán)限對用戶和密碼進行修改。分兩級權(quán)限，即設(shè)備察看權(quán)限、參數(shù)修改權(quán)限。用戶管理方面主要完成用戶的增加、刪除、修改、登錄等，提供賬戶管理及權(quán)限管理功能。

設(shè)備管理功能：獲得相應(yīng)權(quán)限的用戶可以對遠程信息采集設(shè)備、控制設(shè)備進行參數(shù)設(shè)置，如采集周期，上報數(shù)據(jù)周期等，并可對各種設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)測及管理。當儀器設(shè)備出現(xiàn)異常、損壞，系統(tǒng)會通過短信告知相關(guān)人員，使設(shè)備工作盡快恢復(fù)正常。

閥值參數(shù)設(shè)定：根據(jù)種植品種、農(nóng)業(yè)專家意見，設(shè)置最佳的作物生長環(huán)境參數(shù);對所要實現(xiàn)自動控制的參數(shù)（溫濕度、光照度等）進行設(shè)定，以滿足自動控制要求。

自定義控制模式：根據(jù)具體控制和監(jiān)測需要，定制一些相應(yīng)的監(jiān)測項目及控制內(nèi)容，可通過計算機屏幕實現(xiàn)控制設(shè)備的自動及手動轉(zhuǎn)換。自動：根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)（溫度、時間）對電磁閥等設(shè)備控制。手動：通過鼠標操作實現(xiàn)各種控制設(shè)備的開啟、關(guān)閉和啟停，實現(xiàn)遠程強制手動控制操作。

備用冗余功能：為避免設(shè)備故障及異常帶來不便，影響作物的生長，設(shè)備可進行擴展冗余，當設(shè)備出現(xiàn)故障時，輔助設(shè)備進行切換。從而實現(xiàn)連續(xù)無故障運行，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

云端數(shù)據(jù)存儲：管理系統(tǒng)可對接區(qū)縣級“智慧農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)大數(shù)據(jù)平臺”，相關(guān)農(nóng)業(yè)部門可及時了解該基地農(nóng)作物生產(chǎn)的整體情況，為其研究、制定相關(guān)政策和指導(dǎo)意見提供科學(xué)依據(jù)。

基于IPv6的6LoWPAN的組網(wǎng)技術(shù)雖然在國內(nèi)外是比較流行的，但是它還處于發(fā)展初期，目前存在一些技術(shù)問題需要解決，如無狀態(tài)地址分配安全、緩沖安全更新等問題，這些還在不斷完善，尤其是把它應(yīng)用于農(nóng)業(yè)行業(yè)中還有待充分挖掘。

基于IPv4協(xié)議的通信模塊和大田智慧管理系統(tǒng)已比較完善，但是基于IPv6的通訊模組卻很少見，還需不斷探索。正是因為IPv6技術(shù)具有先天優(yōu)勢，它才能很好地解決物聯(lián)網(wǎng)中地址資源、網(wǎng)絡(luò)安全和移動性等問題，6LoWPAN技術(shù)必將在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中得到非常廣泛的應(yīng)用。

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◎編輯 武生智