《农业物联网技术与应用》第13章 农业物联网标准化与系统应用ppt课件.pptx

信息科学与工程,第13章 农业物联网标准化与系统应用,13.1 概 述,物联网在中国受到了全社会普遍关注，物联网指的是将无处不在的末端设备和设施 ，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、构成的泛在网络。物联网已不再是同一属性的“物 ”“物”信息交互这么简单，通过物联网可以将不同属性或不同体系的物体实现相互交互。例如，农业物联网中，农产品的生产过程与加工过程看似两个不同属性空间，但在实际应用过程中，食品安全追溯可以将两个不同信息维度空间信息实现完全交互。而这两种维度的信息交互必定存在必然且唯一的关联性才能将不同纬度的信息进行无缝连接，在实现这个连接的过程中，信息的标准化即是完成不同空间、纬度信息无缝对接的唯一途径。,在日新月异的物联网技术发展中，越来越大的一张信息巨网正在形成。每一个物体，每一个人都以某个唯一特征作为信息元素在网络世界流通，而关联起不同行为、不同属性和事件的全过程必须依赖网络中的标准化信息手段。以中国公民身份证号码为例，身份证号码编码规则全国标准统一，因此，任何一个公民的人事管理系统、财务管理系统、医疗管理系统均可通过普遍认可的标准化身份证来构建人的健康、财务、人事档案，并实现各类信息的实时互通。因此，物联网技术的高速发展及各类信息的高度融合必须遵循统一标准和规则，物联网标准化是物联网发展阶段性必经之路。,物联网技术标准作为物联网技术的统领，对我国物联网产业的发展至关重要。国内一些机构的标准化工作也在稳步推进，物联网标准化工作已密切围绕产业发展需求，统筹规划传感网的标准研究，积极推进标准化工作，加快制定符合我国发展需求的物联网技术标准，建立健全标准体系，实现不同行业、不同业务流程的各个行业标准化互通，真正实现物联网“物 ”“物 ”相连、相关的泛在信息网络，实现信息的自我价值。目前，我国物联网标准体系初步框架已形成，国内某些机构向国际标准化组织提交的多项标准提案被采纳，物联网标准化工作已经取得积极进展。经国家标准化管理委员会批准，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组。旨在通过标准化为产业发展奠定坚实技术基础。为促进传感网技术进步和推广，推动传感网在各行业中的应用，培育新的经济增长点，促进经济结构调整和转型升级，对增强我国的可持续发展能力和国际竞争力作出应有贡献。我国物联网行业基本标准框架如图13.1所示。,物联网标准化进程是一件高度复杂的事业，物联网的各个环节、各种应用或行业均有相关标准，农业物联网也不例外。在农业物联网标准化进程中，一般以物联网的三个层面分别制定相关标准。在感知层方面，农业物联网信息感知可以制定统一信息制式和标准，规定编码规则，统一信息标定原则，实现不同类型的农业物联网信息自动识别与交互。在传输层方面，制定不同的传输制式下的信息传输规范及标准接口协议，特别是建立不同通信方式下的信息连接标准化问题，实现不同传输方式的信息互通。在应用层方面，可根据不同应用子系统构建统一化信息识别方法，构建标准化管理流程和信息处理模式，每个子系统设有标准信息接口与控制接口，在 实 现 “物” “物”互联的同时，也可以实现“物”“物”相控的应用模式。,13.2 农业物联网标准相关概念,13.2.1 标准 1983年，我国在标准技术基本术语（GB 39.5.1)中对标准定义如下：标准是重复性事物和概念所做的统一规定，它以科学、技术和实践经验的综合成果为基础，经有关方面协商一致，由主管部门批准，以特定形式发布，作为共同遵守的准则和依据。该定义包含以下5个方面的含义（李道亮，2012)。(1) 标准的属性是一种“统一规定”。这种准则和依据”。根据中华人民共和国标准化规定，我国标准分为强制性标准和推荐性标准两类。强制性标准必须严格执行，做到全国统一。推荐性标准国家鼓励企业自愿釆用，但推荐性标准若经协商，并计入经济合同或企业向用户作出明示担保，有关各方则必须执行，做到统一。,(2) 标准制定的对象是重复性事物和概念。这里讲的重复性是指同一事物或概念反复多次出现的性质。虽然制定标准的对象，早已从生产、技术领域延伸到经济工作和社会活动的各个领域，但并不是所有事物或概念，而是比较稳定的重复性事物或概念。(3) 标准产生的客观基础是“科学、技术和实践经验的综合成果”。一是科学技术成果，二是实践经验的总结，并且这些成果与经验都要经过分析、比较、综合和验证加之规范化，只有这样制定出来的标准才具有科学性。,(4) 标准在产生过程中要“经有关方面协商一致”。这就是说标准不能凭少数人的主观意志，而应该发扬民主、与各有关方面协商一致，“三稿定标”。例如，制定产品标准不仅要有生产部门参加，还应当有用户、科研、检验等部门参加共同讨论研究，协商一致，这样制定出来的标准才具有权威性、科学性和适用性。( 5 ) 标准的本质特征是统一。即标准必须“由主管机构批准，以特定形式发布”。标准从制定到批准发布的一整套工作程序和审批制度，是使标准本身具有法规特性的表现。,13.2.2 标准化,GB 3935.1对标准化的定义是“在经济、技术、科学及管理等社会实践中，对重复性事物和概念通过制定、发布和实施标准，达到统一，以获得最佳秩序和社会效益。”该定义的含义如下。(1) 标准化是一种活动，一切有人类活动的地方，就有标准化问题。人类要获得所需要的产品或秩序最佳，都需要进行一种活动；探索事物的发展规律，制定标准、实施标准和对标准的实施进行监督，这都是标准化活动的重要内容。,(2) 这个活动过程在广度上是一个不断扩展的过程。例如，过去只制定产品标准、技术标准，现在又要制定管理标准、工作标准；过去标准化工作主要在工农业生产领域，现在已扩展到安全、卫生、环境保护、交通运输、行政管理、信息代码等。标准化正随着社会科学技术进步而不断地扩展和深化自己的工作领域。(3) 标准化也是一个过程，一个认识过程，即实践-认识-再实践-再认识，随着认识的深化，就能更好地理解、更好地把握。事物发展的客观规律不能违背，标准化就是要根据对事物发展规律的认知程度和可预见性，适时作出响应，并随着对事物客观规律认识的逐步深化，不断提出新问题、新需求、新途径和新方法。在认识过程中，标准化与科学技术发展同步，探求规律，寻求方法，搭建平台。,13.2.3 标准体系,标准体系是依据对主体对象的认知程度，为获得最佳秩序所需要的，由若干相互依存 、相互作用、具有特定功能的标准化文件组成的有机整体。标准体系内部标准应按照一定的结构进行逻辑组合，而不是杂乱无序地堆积。由于标准化对象的复杂性，体系内不同的标准子系统的逻辑结构可能体现出不同的表现形式，主要有层次结构和线性结构这两种。标准体系一般由框图、展开图和明细表组成。框图和展开图属于标准体系结构图；明细表按照结构图逐一列出各项标准的位置编号、名称、标 准 编 号 （包括自己制定和优选采用的标准）、成熟度等信息。,标准体系的作用主要体现在标准体系是标准化工作的框架，它标示着为实现特定的目标需要哪些方面的标准，这些标准的内容、界面及它们之间的相互关系；优化结构，避免标准的遗漏和标准之间的重复与交叉；确立标准建立的优先顺序，从而提出标准化需求的总体设计方案，为标准化工作的计划安排提供依据（陈红霞和赵俊钰， 2011）。,13.3 物联网标准化体系,物联网主要分为感知层、传输层与应用层，在不同的层面均有相关的标准化体系研究 ，如 IEEE 802.15.1等标准。在国际标准组织中，比较有代表性的是国际电信联盟(ITU-T )及欧洲电信标准化协会（ETSI) M2M 技术委员会。从国际化标准组织研究来看 ，物联网主要分为三个层面的标准化工作（陈红霞和赵俊钰， 2011）。,13.3.1 物联网感知层标准化,物联网感知层标准化包括传感器信息的标准化定义、数据格式的标准化定义、数据采集的标准化、物联网嵌入硬件操作系统标准化等方面。1. 物联网感知层标准体系架构物联网感知层标准体系如图13.2所示，感知标准是根据物联网感知层的共同特征和技术需求所提炼的包含技术术语、接口、信息格式、信息描述、信息标识一致性和互用性统一化与标准化，最后形成信息引用关联的标准，使得信息在不同系统中具有普适性与兼容性，促使信息的关联性更加准确可靠。在物联网信息感知层面，其中传感器接口、数据类型与格式的标准化是整个感知层标准化的核心。,1) 传感器接口,传感器之间存在多种不同传感器接口，目前在现有传感器种类中，普遍存在有数字信号传感器、模拟信号传感器、脉冲信号传感器等，不同的传感器相互兼容不易，因此，物联网标准化的过程应该对所应用的行业进行传感器需求分析的调研，研究与总结传感器制式、类型及接口方式，制定统一的传感器接口标准。现在比较常用的传感器模拟和数字接口包括：420 mA、05 V、 SPI、 I2C、 RS-232、 CAN、 485等信号接入传感器。要实现传感器层面的标准化，必须将不同类型的传感器通过感知设备不同的信息采集通道进行兼容性接入与归类，通过标准化标识与定义后形成统一格式的信息。,2) 数据类型和格式,应用不同种类的传感器会导致传感器数据类型和格式的多样化，现在比较常用的数据类型包括音频数据、视 频 数 据 、图像数据、文本数据等，相关信息的编码和压缩后的数据格式包括MPEG、 JPEG、 ASN.l 、 XM L等 。感知层的标准化也是对上述不同类型的信息进行标准化分类、标准化识别与应用，通过对不同的数据类型和格式进行划分，制定明确的接口定义和数据规范，避免在不同传感器和应用场景中出现数据不匹配的情况，提局感知层的应用效率。,3) 信息标识,感知层的信息标识包含传感器设备标识、信息来源标识、信息种类标识、设备类型标识、信息标识、信 息 类 型 标 识 、应用类型标识等，通过已有的一些标准（如 OID、URI等）对这些信息进行标准化标识。近年来，我国也在向世界推广中国制定的标准。例如， 2003年1月17日NPC (全国产品与服务统一代码）标准被正式颁布，标准名称为 全国产品与服务统一标识代码编制规则 （ GB 189372003）定位为强制性国家标准 。信息标准化标识将是物联网标准化的根源，只有不同的信息通过标准化标识关联后才能在不同的应用系统中发挥重要作用，产生信息的价值。,13.3.2 物联网传输层标准化,网络层主要负责信息感知数据通信的接入和网络通信的传输和交换。目前，国际上在通信网络技术方面进行研究的国际标准组织主要有3GPP和3GPP2，主要从M2M业务对移动网络的需求方面进行标准化研究。在针对泛在网总体框架方面进行系统研究的国际标准组织中，比较有代表性的是国际电信联盟（ITU-T ) 及欧洲电信标准化协会(ETSI)M2M 技术委员会。其中，ITU-T从泛在网角度研究总体架构，而ETSI则从M2M 的角度研究总体架构（杨博雄等，2012）。感知层的网络协议需要具备自组织、 自配置、鲁棒性强、可升级等特点，一些已经应用的通信标准分别包含了以上特点。根据对已有标准的补充和剪裁，将感知层基础平台的通信和网络标准分为4层 ：物理层、 MAC层 、网络层和主干网接入层。,1. 物理层,物理层定义了感知层设备间在物理连接上进行原始数据传输的方法。根据感知层的不同应用需求，物理层包含的技术手段略有差别，一 般 包 含 发 送 频 率 、调制方法、短距离通信策略、长距离通信策略、低速率传输、高速率传输等手段。感知层设备可以通过有线或无线互连。现有的很多有线和无线通信标准已经比较成熟，包 括 RS-232、RS-485、I2C、SPI、HFC、CAN、Ethernet 等有线连接信息标准。,2. MAC层,MAC层保证了感知层设备间的逻辑连接，通过寻址和信道接入控制实现设备之间的通信。为了弥补物理层数据传输的不可靠性， MAC层还提供了流量控制、差错检测、差错控制等服务，实现了设备之间数据的可靠传输。与其他网络实体相比，物联网感知层受到能量、通信、存储、计算能力等的限制，因 此MAC层标准必须实现较髙的能效性和较少的数据交互。现有的一些MAC层协议并没有考虑到这些限制，所以并不能有效应用于物联网感知层中，可以通过对现有MAC层协议（如CSMA/CA、动 态DMA、S-MAC等）的扩展性、设备休眠策略、信道接入控制技术、流量和差错控制技术、多路复用技术的研究制定适用于物联网感知层的标准。,3. 网络层,网络层在物联网通信中位于物理层和MAC层之上，实现整个网络的流量控制、容差控制、中继路由和路由选择等功能。与有线传输相比，无线传输网络层在能量消耗、通信、存储、计算能力等方面的限制大不如有线网络，因此对网络层标准提出了更大的挑战，需要实现网络信息的自动配置、网络地址和物理地址之间的自动地址解析、点到点之间的自动数据单元传输与协议解码。在网络层的标准化过程中，关键标准化技术仍然在于传输协议与解析算法及地址自动识别与映射方法。,4. 主干网接入层,物联网的特征在于“物”“物”相连的网络不断进行泛化，即由小的通信局域网不断与外界局域网相连，最终形成基于Internet之上，又 超 出 Internet的范畴。其关键在于小的局域网接入到广域之中。此时物联网通信层都需要接入通信主干网实现其应用。物联网的主干网接入可以分为有线（如Ethernet等）和无线（如GSM、3G、4G等）多种接入方式。主干网接入层的协议标准化即是接入的关键之所在。通过标准化协议定义网关的发送接收和应用程序接口和数据通信格式，实现标准化的主干网的互联，对物联网感知层各种应用的实现起到了决定性的作用。,13.3.3 物联网应用层标准化,应用层主要是在应用技术方面，主要是针对特定应用制定标准。在此方面，各标准组织都有一些研究，也都比较重视应用方面的标准制定。在智能测量、 E-Health、城市自动化、汽车应用、消费电子应用等领域均有相当数量的标准正在制定中，这与传统的计算机和通信领域的标准体系有很大不同(传统的计算机和通信领域的标准体系一般不涉及具体的应用标准)，这 也 说 了 “物联网是由应用主导的”观点在国际上已成为一种共识。,13.3.4 农业物联网标准概述,农业物联网标准体系是农业物联网关键技术集成的基础，是规范农业物联网相关设备研发、生产的前提，也是规范农业物联网应用系统建设与扩容的根本依据，是实现农业数据共享和服务共享的基础，尤其是实现不同系统互联互通、相互使用应用的关键之所在。农业物联网标准体系有两种，分别是基础通用标准和产业应用标准。本节针对标准、标准化和标准体系等概念进行阐述，并且在此基础上总结出了农业物联网标准体系的概念 ，最后简要介绍了农业物联网感知层、传输层和应用层应用时所涉及的已有标准和标准建设规范，以大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流追溯为例，分析了在建设其物联网系统过程中所涉及的主要标准规范内容。以便读者对农业物联网标准体系有全面的认知和浅面上的理解，主要让读者从全局的角度对农业物联网标准体系有 一 个 整体的认识（杨林， 2013）。,即农业物联网标准是对物联网技术在农业生产、经营、管理和服务等具体应用中所取得的科学技术成果进行总结，经有关方面协商一致，由农业标准主管部门或相关专业委员会批准，以规定的形式发布，在相关领域公认并共同遵守的准则和依据。农业物联网标准化是制定、发布和实施农业物联网标准达到统一，以获得最佳秩序的活动过程。农业物联网标准体系是由若干相互作用、相互依存，以及具有特定功能的农业物联网标准化文件组成的有机整体（杨林， 2013）。,13.3.5 农业物联网标准的重要性,我国政府已充分意识到农业物联网标准的重要性，并开始对相关工作进行统一规划和部署。 自2011年以来，成立了“农业物联网行业应用标准工作组”和“农业应用研究项目组”HPG3）。近些年来，我国的农业物联网建设取得了傲人成绩，一批国家层面、发达省（直辖市）等地方层面，以及各类信息企业的农业物联网示范项目进入到人们视野中，这批示范项目为农业物联网关键技术的研究和农业物联网标准体系结构的建立做了很多有益的探索。但是，随着农业物联网加快建设同时，农业物联网建设的一些问题也渐渐地暴露出来，使得农业物联网进一步的发展有了局限。例如，由于缺乏农业传感器标准的统一规范化概念，导致不同厂家生产的农业传感器接口功能各异，很难集成在一个农业物联网应用系统中；由于缺乏感知数据存储、应用规范化描述导致不同物联网应用系统间感知数据共享困难；由于缺乏针对大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖等农业生产过程物联网建设标准规范导致不同单位、不同地区建立的物联网系统难以兼容、数据和设备信息无法通用等（沈苏彬等， 2009),这些问题都反映出农业物联网标准工作薄弱，由于缺乏相关标准，农业物联网感知层设备难以有效集成、传输层所传输的信息难以适应不同拓扑结构的网络、应用层提供的服务种类和手段各异，使得农业物联网建设实施困难加大，成本无法得到有效控制。因此，要推动我国农业物联网健康、快速、统一规范发展，就必须加强农业物联网标准建设工作，通过有效地建设面向大田农业、设施农业、果园农业和水产养殖等农业应用的物联网系统，使得不同的感知设备可以集成应用，不同的感知传输网络架构可以无缝连接，不同的感知服务可以协调统一，从而确保农业物联网的健康、有序、迅速、科学地 发 展 （Lee, 2009)。,具体来讲，农业物联网标准的作用有三：一是农业物联网标准是规范农业物联网应用系统建设的依据；二是农业物联网标准是规范农业物联网相关设备生产的前提；三是农业物联网标准是实现农业感知数据和服务共享的基础。所以说，农业物联网标准体系的建立在农业物联网相关技术的建设中有着极其重要的地位。,13.3.6 农业物联网标准体系,农业物联网标准体系的内容可以划分为农业物联网基础通用标准和农业产业物联网标准两大类。农业物联网基础通用标准包括农业物联网总体性标准、感知层标准体系、网络层标准体系、应用层标准体系和共性关键技术标准体系（工业和信息化部电信研究院， 2011);农业产业物联网标准体系涵盖了大田种植、水产养殖、畜牧养殖等物联网标准建设体系。其具体的构成框架如图13.3所示。,农业物联网标准体系是一个相对庞杂的系统，其实农业物联网标准体系也可以从农业物联网总体、感知层、网络层、处理层、应用层标准体系、共性关键技术标准体系6 个层次初步构建而成。农业物联网标准体系涵盖架构标准、应用需求标准、通信协议、标识标准、安全标准、应用标准、数据标准、信息处理标准、公共服务平台类标准，每类标准还可能会涉及技术标准、协议标准、接口标准、设备标准、测试标准、互通标准等方面（赵俊钰等， 2011)。,13.3.7 农业物联网应用系统标准化,农业物联网应用系统包括内容较多，总体而言，主要包括种植业物联网管理，其中种植业又分为大田农业物联网、设施农业物联网两种。还有畜禽养殖、水产养殖等。在具体应用过程中也会产生更多的应用分支。总体而言，农业物联网的标准化应用系统任重道远。每一个应用系统里可以分离出多个子系统，而且子系统还具有各自行业特色甚至是地方特色。例如，种植业物联网应用中，不同的生长环节所釆取的措施完全不同，如育苗过程物联网应用系统，大田生长过程的物联网系统等。而且，在不同地域、不同品种下的种植也各不相同。因此，农业物联网应用系统的标准化主要在宏观方面具有一些标准化应用模型，如种植行业中的标准化水产物联网系统如图13.4所示。,在水产物联网中，主要通过各类水质传感器获取水体环境信息，结合养殖品养殖技术进行综合调节水体环境，达到水产品养殖过程中的最适应环境，从而实现高效安全养殖 。但在具体每个品种或不同阶段的养殖过程的物联网标准应用依然需要大量的探索和研究。同样，在畜禽养殖过程中，畜禽的信息感知系统不仅包括传感器数据，也包含声音 、图像、视频等信息，如 图 13.5所示。,目前为止，农业物联网系统标准化工作在我国依然处于起步阶段，在基础技术层方面已经取得了较好的成果，但是在应用层方面进展较慢。总体而言，农业物联网技术标准正在稳步向前发展，而且在以下几方面将更加突出。( 1 ) 农业物联网标准的制定与正在制定中的物联网标准的一致性。( 2 ) 物联网是在物品编码技术与传感技术的广泛应用基础上产生的，它的技术基础核心依然是信息感知与编码标识、自动识别和网络技术。因此，农业物联网标准化体系更应该注重信息感知层面的标准化工作，如信息标识、信息定义和信息格式方面。( 3 ) 农业物联网标准化的重要内容为农业传感器及标识设备的功能、性能、接口标准 ，数据传输通信协议标准，农业多源数据融合分析处理标准、应用服务标准，农业物联网项目建设规范等标准。,40,感谢聆听！,