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分布式多源农林物联网感知数据共享平台研发

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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,…,X_n],//传感器节点采集值含义

描述数组

" SensorFieldDim ": [X₁,…,X_n], //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,…,X_n]

//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)

GateWayIdString 是传感器节点网关编号，SIString

是传感器节点在某一网关下的编号，SNString 是共享平

台为传感器节点分配的唯一编码，SourceString 是传感

器节点来源，Loclongitudelatitude 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

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

mS·cm^-1

风向

蒸发量

土壤电导率

SensorField=((FieldValue)_n)

降雨量

土壤pH 值

无

FieldValueString 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)

DimValueString 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)

timeDate 是数据采集时间，valueString 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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