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分布式多源农林物联网感知数据共享平台研发

更新时间：2019-12-10 21:15:28 大小：1M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：物联网数据共享 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

由于农业和林业传感器种类繁多、数据传输协议多样,在各个物联网数据应用系统之间形成了信息孤单现象,难以实现物联网传感器数据的交互共享.因此,该文以农林领域常见传感器数据为研究对象,针对不同类型传感器节点及采集数据差异性等特点,采用符号表示法表达传感器节点数据,设计了通用数据交互格式;针对其海量性特点,采用分布式面向服务的结构方法及成熟的开发技术,设计了分布式多源农林物联网感知数据共享平台.该平台由数据中心子系统、数据适配子系统、数据存储子系统、数据发布子系统及数据传输总线5部分组成,分别实现了传感器节点注册、多源差异数据的接入适配、数据的分布式存储、数据标准化发布及数据传输等功能,为农林领域不同物联网设备与数据应用系统之间架起了数据桥梁,实现了农业和林业物联网感知数据的统一管理.目前,平台分别接入了顺义、新疆、杨凌、通州等17个合作单位的550个传感器节点数据,接入数据量每天超过10000条,运行状态良好.

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第33 卷 增刊1  
2017 年 2 月  
农 业 工 程 学 报  
Vol.33 Supp.1  
Feb. 2017  
300  
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering  
分布式多源农林物联网感知数据共享平台研发  
※
陈 栋1，吴保国1 ，陈天恩2，董 静2  
（1. 北京林业大学信息学院，北京 100083；2. 国家农业信息化工程技术研究中心，北京，100097）  
摘 要：由于农业和林业传感器种类繁多、数据传输协议多样，在各个物联网数据应用系统之间形成了信息孤单现象，  
难以实现物联网传感器数据的交互共享。因此，该文以农林领域常见传感器数据为研究对象，针对不同类型传感器节点  
及采集数据差异性等特点，采用符号表示法表达传感器节点数据，设计了通用数据交互格式；针对其海量性特点，采用  
分布式面向服务的结构方法及成熟的开发技术，设计了分布式多源农林物联网感知数据共享平台。该平台由数据中心子  
系统、数据适配子系统、数据存储子系统、数据发布子系统及数据传输总线 5 部分组成，分别实现了传感器节点注册、  
多源差异数据的接入适配、数据的分布式存储、数据标准化发布及数据传输等功能，为农林领域不同物联网设备与数据  
应用系统之间架起了数据桥梁，实现了农业和林业物联网感知数据的统一管理。目前，平台分别接入了顺义、新疆、杨  
凌、通州等17 个合作单位的550 个传感器节点数据，接入数据量每天超过10 000 条，运行状态良好。  
关键词：互联网；信息技术；无线传感网络；农林感知数据；数据共享；数据管理；分布式  
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.z1.045  
中图分类号：S24  
陈 栋，吴保国，陈天恩，董 静. 分布式多源农林物联网感知数据共享平台研发[J]. 农业工程学报，2017，33(增刊1)：  
300－307. doi：10.11975/j.issn.1002-
文献标志码：A  
文章编号：1002-6819(2017)-Supp.1-0300-08  
Chen Dong, Wu Baoguo, Chen Tian’en, Dong Jing. Development of distributed data sharing platform for multi-source IOT sensor  
data of agriculture and forestry[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),  
2017, 33(Supp.1): 300 － 307. (in Chinese with English abstract)  
doi ： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.z1.045  
温室传感器数据融合方面，利用数据融合算法及数据共  
享管理方法对农业传感器数据融合及共享进行了探  
0 引 言  
随着农业和林业信息化不断发展，农业和林业物联  
索
[14-15]。森林资源数据管理方面，利用分布式技术及云  
计算技术解决海量资源数据管理共享问题的研究也相继  
出现[16-17]。目前，面向海量数据管理共享的研究多数是  
以非结构化农林资源数据为研究对象，在对结构化传感  
器数据整合方面的研究较为常见的是对温室、大田等某  
一范围或某一环节内传感器数据的共享管理。然而，以  
面向农业生产和林业经营全过程的传感器结构化数据共  
享服务为目的，全产业链传感器数据整合服务的研究较  
为鲜见。因此，统筹管理农林业生产全过程传感器结构  
化数据，突破不同物联网数据应用系统之间的数据壁垒，  
解决覆盖农林业生产全过程物联网传感器数据共享问  
题，为农林业传感器数据应用系统提供数据支撑服务，  
对农林业生产信息化有重大意义。  
网应用范围越来越广，农业全产业链信息化监控、溯源  
和森林生态监测等领域的传感器数据每日剧增[1-4]；仅仅  
依赖单一环节的传感器数据已经无法满足现代农业和林  
业信息化发展的需求[5]。例如在构建农产品溯源与质量安  
全体系时，往往需要农产品生产源头、运输及售卖等多  
环节的传感器数据支撑[6-8]；在林业经营专家决策领域，  
面向全过程的经营决策需要林业监测、生产等多环节的  
传感器数据支撑[10]；在农林数据挖掘方面也需要各个生  
产监测环节的传感器数据。  
近年来，很多学者在农业信息和森林资源信息数据  
共享、数据整合及融合方面做了较为深入的研究并取得  
了一些成果，在农业信息数据和大田传感器数据管理、  
整合与共享方面，提出了利用信息技术对农业结构化数  
据管理方法，在一定范围内解决了数据共享问题[11-13]。在  
基于以上问题，为了实现对农林业生产全过程物联  
网传感器数据的统一接入、一体化存储和共享管理，本  
文以农林领域常见传感器数据为研究对象，针对传感器  
节点及采集数据差异性特点，采用符号表示法，对传感  
器数据类型进行结构化表达；并基于通用的数据传输格  
收稿日期：2016-06-13  
修订日期：2017-01-13  
[18-20]，设计了数据交互格式，进而提出一种通用性较  
基金项目：863 计划（2012AA102003）；北京市自然科学基金（重点项目）  
（4151001）  
式
强的传感器数据注册适配接入机制；针对数据海量性特  
作者简介：陈 栋，男，山东滨州人，博士生。主要从事林业智能系统与决  
策支持技术研究。北京 北京林业大学信息学院，100083。  
点，采用分布式面向服务结构方法及成熟的 Web 开发技  
术
[21-28]，并引入 Active MQ 消息服务器作为数据传输总  
Email：
线，设计实现了农林感知数据共享平台。平台实现了对  
农业和林业物联网传感器数据的接入、分布式存储及标  
准化发布等功能。  
※通信作者：吴保国，男，山东莱州人，教授，博士生导师。主要从事林业  
信息化与林业信息技术研究。北京 北京林业大学信息学院 100083。  
Email：
万方数据  
增刊1  
陈 栋等：分布式多源农林物联网感知数据共享平台研发  
301  
易于读写，同时也易于机器解析和生成。根据1.1 节中的  
表示方法，定义了JSON 数据传输格式如下：  
{"datalist": [ {  
1 农林传感器节点的符号化表达  
农林传感器根据不同应用场景有不同的种类。目前，  
在设施农业、农产品物流、水产养殖及森林环境监测等  
领域应用较多，其种类包括空气土壤温湿度、CO2、光照  
强度、土壤养分、压力、风速、风向、降雨量、蒸发量、  
速度、方向、水深、水体温度、水体溶氧量、水pH 值等  
传感器。在不同生产环节数据采集过程中，一个节点会  
收集多种传感器数据传输至应用层系统。由于每个生产  
环节需要的数据不同，导致不同生产环节所采集的数据  
种类不同，加之传感器节点的生产商也存在差异，导致  
传感器节点所传输的数据协议和数据结构也存在差异。  
面对种类如此繁多的传感器节点，使用统一的数据表达  
方式对传感器节点进行抽象，构建一种标准的数据传输  
格式，是解决不同生产环节传感器数据整合与共享问题  
的关键。  
" SensorBaseInfo ":{ //传感器节点基本描述信息  
“GateWayId”:”XXX”，  
“SI”:”XXX”， //传感器节点编号  
“SN”:”XXX”, //共享平台为传感器节点分配的唯  
//传感器节点网关编号  
一编码  
“Source”:”XXX”,  
“Loc”:{  
//传感器节点来源  
//传感器节点位置信息  
“longitude”:”XXX”, //经度  
“latitude”:”XXX”  
},  
//纬度  
}
" SensorField ": [X1,…,Xn],//传感器节点采集值含义  
描述数组  
" SensorFieldDim ": [X1,…,Xn], //传感器节点采集值  
量纲描述数组  
" SensorValue ": {  
本研究使用符合化表示法将传感器节点进行了抽象  
描述，用于表达包含不同数量、不同类型数据的传感器  
节点。  
//传感器节点某一时刻采集  
值数组“time”:”YYYY-MM-DD hh:mm:ss”, // 数据采集  
1.1 符号化表达  
时间  
本文将以传感器节点为数字化表达对象，具体表示  
“value”:[X1,…,Xn]  
//数据采集值数组  
如下：  
},  
} ]  
}
SensorNode=(SensorBaseInfo, SensorFieldDim, Sens-  
orField, SensorValue)  
SensorBaseInfo 是传感器节点基本描述信息，  
表1 常见农林传感器数据描述及量纲字典  
Table 1 Common sensor data description and dimension  
dictionary of agriculture and forestry  
SensorField 是传感器节点采集值含义，SensorFieldDim 是  
传感器节点采集值量纲，SensorValue 是传感器节点采集  
值。各分量表示形式如下：  
名称  
单位  
名称  
单位  
名称  
单位  
Name  
Unit  
Name  
Unit  
Name  
Unit  
SensorBaseInfo=(GateWayId, SI, SN, Source, Loc)  
GateWayIdString 是传感器节点网关编号，SIString  
是传感器节点在某一网关下的编号，SNString 是共享平  
台为传感器节点分配的唯一编码，SourceString 是传感  
器节点来源，Loclongitudelatitude 是传感器节点位置，  
用经度和纬度的并集表示。  
空气温度  
空气湿度  
光照强度  
CO2 浓度  
风速  
℃
土壤温度20 cm  
土壤温度40 cm  
℃
℃
水位  
m
mS·cm-1  
mg·L-1  
无
%
水质电导率  
水矿化度  
水pH 值  
胸径  
103lx 土壤湿度20 cm  
%
%
m·s-1  
无
土壤湿度40 cm  
土壤盐分  
%
‰
kg·s-1  
cm  
mS·cm-1  
风向  
蒸发量  
土壤电导率  
SensorField=((FieldValue)n)  
降雨量  
mm  
土壤pH 值  
无
FieldValueString 是传感器节点采集值含义描述值，  
n 代表该节点传感器数量。  
SensorFieldDim=((DimValue)n)  
DimValueString 是传感器节点采集值量纲描述值，n  
代表该节点传感器数量。  
2 平台设计  
2.1 平台架构  
分布式多源农林物联网感知数据共享平台（以下称  
平台）采用了分布式面向服务体系结构。将传感器数据  
管理流程划分为传感器节点注册、数据适配接入、数据  
存储、数据发布 4 个环节，各环节自成系统（平台子系  
统，以下称子系统），子系统之间基于数据交互格式通过  
数据总线进行交互。这种结构的优点是各子系统分工明  
确、思路清晰，在接入海量数据时可将负载均衡的分配  
到各个环节，使平台的负载能力提高，并降低了各个环  
节的耦合性，便于扩展[21-28]。如图 1 所示，平台由数据  
中心子系统、数据适配子系统、数据存储子系统、数据  
发布子系统及数据传输总线5 部分组成。  
SensorValue=(time, (value)n)  
timeDate 是数据采集时间，valueString 代表不同  
传感器采集的具体数值，n 代表该节点传感器数量。  
在对传感器节点进行了符号化表达的同时，通过对  
农林领域常用传感器分析，确定了 SensorField 和  
SensorFieldDim 的取值，构建常见的农林传感器数据描述  
及量纲字典。在解析传感器节点数据时，此字典用于对  
数据单位进行标准化处理的参照。字典的具体内容如表1  
所示。  
1.2 数据交互格式  
本研究使用轻量级数据交换格式 JSON（JavaScript  
数据中心子系统负责管理传感器基本信息，实现了  
Object Notation），JSON采用完全独立于语言的文本格式， 传感器节点接入前信息注册及注册后传感器基本信息存  
万方数据  

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