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物联网系列六:物联网信息中心

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1 引言

近年来,小规模的物联网应用迅速发展,但是在大范围应用和效果展示方面还存在一些比较突出的问题,分析如下:

第一,           目前的物联网应用以“窄而小”的闭环应用为主。近年来,我国政府支持了一批物联网项目,覆盖了从传感设备、传感网络到智能分析、反馈控制等不同层面。中国电信、海尔等企业也纷纷开始在农业、智能家居等领域的应用建设。不过受到诸多因素的制约,当前的项目和应用基本上是各自独立的系统。这种模式在现阶段极大的推动了物联网的发展,但随着规模化应用需求的出现,设备的重复放置、数据的冗余存储等问题将日益凸显。

第二,           缺少统一的标准,阻碍大规模的应用和集成。标准化问题体现在物联网体系的不同层面,以传感设备为例,不同设备的数据格式、访问接口各异,由于缺少统一的接口和标准,建设新的物联网应用时难以重复利用已有应用中的设备和数据,而不得不根据应用需求重新考虑设备部署、数据采集和分析等问题,这不仅造成对资源的极大浪费,也使工作效率大大降低。

由此可见,要想突破物联网发展的瓶颈,需要一个类似中间件的平台,通过定义统一的标准,规范各层面的数据格式与访问形式,为传感设备的共享和复用提供支撑。我们将这样的平台成为物联网信息中心。接下来重点介绍中科院计算所软件集成与服务计算小组的物联网信息中心设计方案。

2 VINCA物联网信息中心

2.1 需求分析

我们首先以农业领域的一个具体实例分析应用需求。为了保障食品安全,北京市各大超市销售的樱桃需要提供其生产、运输过程的相关信息,而这些信息分别来源于不同企业的物联网应用系统,例如:与生产相关的信息来源于农场的各个精准农业系统,与运输相关的状态信息来源于物流企业的实时跟踪系统。从计算机科学的视角来分析,这是一个典型的系统间交互与集成的问题,与传统的跨系统集成相比,它又具有一些新的特征,包括:

(1)  相互集成的系统是动态变化的。以家乐福超市为例,可以从A农场购进樱桃,也可以从B农场购进,物流企业可以选择C,也可以选择D。这种选择显然具有一定的随机性,而不同的选择方式将导致相关企业的不同系统之间的交互和集成。

(2)  交互与集成具有实时性。仍参考上面的例子,在不能保证各企业之间的长期合作关系的前提上,需要交互与集成的系统难以预先定制并长期使用,相反更多的是根据需要“临时”交互或集成,一次合作完成后,相应的交互或集成也随之结束。

(3)  很多基础信息来源于传感器。例如,樱桃生产过程中的灌溉、施肥信息分别由自动灌溉系统和变量施肥系统中的湿度检测传感器和土壤养分传感器,而樱桃运输过程中的运输路径、运输时间、是否移动等状态信息则记录在物流企业提供的RFID标签中。

针对上述问题,我们提出的解决思路如下:通过建设一个能够支撑逻辑区域内物联网结点和信息资源的汇聚、一体化管理和服务的物联网基础设施,在应用之间形成共建共享的新模式,从而形成一个全面互联互通的智能应用网络。这个基础设施就是物联网信息中心。

2.2 物联网信息中心

本节将以农业领域为背景介绍物联网信息中心。物联网信息中心是一个能够将各类传感设备、监控数据、以及业务数据等资源进行采集、汇聚、管理并支撑应用构建的物联网基础设施。其定位如下图所示:

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图1. 物联网信息中心的定位

       如图,物联网信息中心向下接入各种资源,向上支撑各种应用,物联网信息中心本身由两部分构成,分别是信息资源汇聚中心和信息资源应用服务中心,如下:

(1)信息资源汇聚中心,将逻辑区域内布设的各种传感设备以及设备采集到的农作物生长发育情况,以及指导农民种植的科技信息资源及第三方服务(包括种子及农机具肥料供应信息、农作物需求信息、物流服务信息、加工服务信息等),提供存储及管理服务,并通过统一的组织整理,在农场主、专家、管理人员等多类用户之间共享使用,扩大农业信息资源的利用率及开发利用范围。

(2)信息资源应用服务中心,根据不同的用户需求,对汇聚的资源进行综合加工处理,构造面向农业的各类应用服务,包括作物生长情况查看服务、土壤养分分析服务、土壤湿度分析服务、生长环境信息汇聚及综合评估、作物产量预测等,并为应用服务的构造提供可靠、高效的共性技术支撑

2.2.1 信息资源汇聚中心

信息资源汇聚中心面向农场主、专家、管理人员等多类用户,提供一个统一的农业信息资源生产、存储、组织、管理及发布平台。农业信息资源在这里特指农作物种植、加工、存储、运输、销售等过程中产生的各类可数字化及已数字化的信息资源以及第三方提供的相关服务资源。

信息资源汇聚中心一方面支持标准化的方式接入各类资源,进行一体化管理,其中,接入的传感设备接口采用Restful Web Services,数据标准采用EEML、CSV等标准格式;另一方面,以信息资源为基础,提供几类应用构造工具,用以支撑应用服务的构造,包括支持四种类型的应用构造,传感信息汇聚类、blog、twitter等嵌入类、临界预警类以及基于API开发应用等。

 

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图2. 信息资源汇聚中心的技术方案

l        多源多元、动态变化的农业信息资源数据接入

系统支撑的农业信息资源包括如下几类:

(1)    传感设备的元数据,包括设备的物理地址、访问接口、数据格式等;

(2)    传感设备动态采集到的原始数据,包括文本、音频、视频、图片等数据,根据采集频率,数据动态变化;

(3)    对原始数据进行分析处理、提取出的有价值数据,如基地内土壤的CO2含量等;

(4)    第三方提供的服务,如物流服务、农机具肥料供应服务等。

这些资源具有如下特点:

(1)多源性。在农田里采集的实时动态信息,来源于多个传感器,每个传感器都是一个信息源,而且还包括若干第三方提供的服务,所以信息来源广泛;

(2)数据格式异构。农业信息资源包括多种类型的数据,例如数据库、Excel文件、文本文件、音视频文件及图片文件等。单纯就传感器而言,也包括多种类别,不同类别的传感器所捕获、传递的信息内容和信息格式会存在差异;

(3)信息内容实时变化。传感器按一定的频率周期性的采集环境信息,数据随着采集频率动态变化。

为了实现来自不同传感设备、不同提供方的信息资源数据的集中管理,在数据接入时需要满足一致性和完整性要求,数据管理和应用要统一。

对于传感设备的接入,采用Restful Web Services + EEML作为标准化的接口方式接入各类传感资源,该标准也是Arduino、Pachube等产品所采纳和使用的传感器接入方式,具有成为事实工业标准的潜在前景。

对于其他信息资源,在本项目中主要支持两种信息资源数据的接入模式,即物理上的接入和逻辑上的接入,其中物理上的接入又包括完全迁移到农业信息资源汇聚中心进行资源的数字化生产和在自有环境进行生产并在安全生产信息资源中心进行同步接入两种形式。

l        农业信息资源一体化管理

为了有效使用多个来源、多种格式的数据,需要对这些资源进行一体化的管理,其基本目标包括:支持管理人员进行信息资源的审核、组织、分类、标引等加工工作,实现对不同单位提供的信息资源的目录和内容两方面的融合,建立农业信息资源汇聚中心统一的资源组织体系和用户浏览接口。面临挑战如下:

(1)信息量大。数量众多的传感器,按照一定的频率定时采集信息,不仅仅会有文本数据,还会有音视频等特殊数据,对这些动态变化的海量信息进行组织管理是要解决的首要问题。

(2)信息完整性。不同的应用可能会使用传感器采集到的部分信息,存储的时候必须保证信息的完整性,以适应不同的应用需求。

(3)信息易用性。信息量规模的扩大导致信息的维护、查找、使用的困难也迅速增加,从海量信息中方便的使用需要的信息,要求提供易用性保障。

本系统中,对信息资源的存储与管理方面,主要考虑搭建海量信息的云存储方案,同时考虑新增传感器的动态接入,以及传感信息的可控共享方案;

在传感信息的分析与处理方面,主要包括传感信息中重现模式的挖掘与提取方法,遥感信息的分类及可视化方案,多源传感信息的聚类与融合方法,以及新型数据分析算法的接入方案等;

对信息资源的组织方面,本系统提供多种组织方式,包括以农作物为核心进行数据的组织、以农场主为核心进行数据组织、以农作物流通环节为核心进行数据组织等等,通过对农业信息资源的组织和有序化管理,对应用提供全面支撑;在技术实现上,包括四种组织呈现方式,分别是:基于Tag的组织与呈现方式、基于GoogleMap的组织与呈现方式、基于监控对象的组织与呈现方式,以及用户个性化的组织与呈现方式。

l        农业信息资源的开发利用

资源汇聚中心对外提供应用开发工具,支持四类农业物联网应用的开发,分别是:传感信息汇聚类、Twitter嵌入类、临界报警类和用户自定义类。

在构造应用时,首先利用资源呈现界面或接口找到资源,使用开发工具构造应用,其中前三类应用通过在Web页面上的鼠标拖拽、点击,以及对页面的配置,实现应用的构造,能够使用iGoogle的用户都可以这三类应用的构造。用户自定义类应用是指用户将中间件提供的API(主要是访问传感信息的API)嵌入到自己的应用程序或脚本中而形成的应用,主要面向具备Web应用开发能力的用户。

2.2.2 信息资源应用服务中心

根据农业物联网的建设和应用需求,以汇聚的农业信息资源为基础,对其进行加工和综合处理,构造面向农业的各类应用服务,包括作物生长情况查看服务、土壤养分分析服务、土壤湿度分析服务、生长环境信息汇聚及综合评估、作物产量预测等,并为应用服务的构造提供可靠、高效的共性技术支撑,以满足不同层次不同职责范围人员的业务需求。

 

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图3. 信息资源服务中心

以汇聚的农业信息资源为基础,根据不同的用户需求,构造面向农业的各类应用服务,目前系统中构造的应用服务可以分为三类:

1)实时监控类应用:通过传感设备获取的实时动态信息,对作物生长、加工、储运、销售等环境的单项监控或综合监控。以樱桃生产监控为例,在物联网信息中心界面上,将樱桃地块上布设的所有传感器拖拽到一个单独的窗口中,就可以实时监控传感器动态采集的数据;

2)统计分析类应用:以物联网信息中心中的数据为基础,可以构造统计分析类应用。又可以分为两类,一类是基于监控数据的分析,其中预警服务是典型的基于监控数据的统计分析类应用,通过定制业务规则和标准,一旦监控数据出现异常,将通过短信等方式进行预警;另一类是基于历史数据的统计分析,通过对物联网信息中心中存储的历史数据进行分析,可以分析预测趋势、辅助决策等等,如产量预估、作物选择、生长模型修正等都属于这类服务;

3)共享协作类应用:为满足一些复杂的业务需求,将相关设备、数据进行关联及无缝集成。以食品安全为例,涉及生产、流通、销售等多个环节中不同的企业,从消费者或者监管部门观点来看,生产过程中使用的农药量、运输过程中的温度控制情况等都是他们所关心的,所以将这些相关数据联系起来,提供面向终端用户或者监管部门的食品溯源服务,才能实现食品安全保障的目标。

2.2.3 场景示例

为了提高食品安全保障,北京市的家乐福超市需要对销售的樱桃提供以下信息:生产过程中农药施用的信息和运送过程中的贮藏温度信息。以小汤山现代农业示范基地生产的樱桃为例,在生产过程中,小汤山农业基地使用自动施肥系统,根据药物浓度传感器捕获的信息控制施肥的数量;运输过程由中海物流使用保温车完成,其中使用自动恒温控制系统,通过温度传感器实时捕获车内贮藏室的温度,并自动调节;按前面提到的食品安全保障要求,为提高信息的真实性,家乐福超市需要从小汤山农业基地的自动施肥系统和中海物流的恒温控制系统中分别取得原始的施肥和温控信息。

物联网信息中心为满足上述需求在基础设施层面提供支撑。一方面,信息中心让各个企业发布自己的传感器成为可能,另一方面,信息中心为不断变化的集成需求提供方便的操作手段,具体操作过程如下图:

 

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图4 物联网信息中心应用场景 

如图,在物联网信息中心的支持下,可以更加方便的实现应用之间动态的交互与集成,按上面场景,操作模式如下:1.传感设备的发布,由企业自主完成,小汤山农业基础、中海物流等各企业将传感器发布到信息中心中,传感数据由信息中心托管,省去了自己购买设备、组织人力、后期维护等繁琐操作;2.物联网信息中心对发布的资源统一管理,呈现给使用者;3、按需集成,家乐福超市的工作人员根据进货渠道,选择相关企业的共享设备,直接得到所需信息。在这种操作模式下,无法集成的将逐步被淘汰。

这种操作模式的好处主要体现在如下两点:

1、实现了传感器的发布与共享,与Web上发布文档进行对照,Web实现了对文档、音频、视频等资源的发布与共享,在物联网信息中心的支持下,发布与共享的资源进一步扩展到普通物品的相关信息。

2、对共享资源任意组合,集成相应的信息,适应动态的集成需求。以家乐福的农产品采购为例,在信息中心的支撑下,可以随机集成所选合作伙伴的相关信息。

3 总结

本文选取农业领域作为背景,以打造物联网基础设施的思路,提出了一个物联网智能中心解决方案,通过对多源、分布、异构资源的汇聚、整合、分析与再加工,促进物联网资源的广泛共享和高效使用。

物联网智能信息中心使得物联网应用不再直接面对底层的传感设备,而是搭建在提供共享设备、数据及公共服务的物联网基础设施之上,既能有效避免重复建设、确保应用之间互联互通,又能通过服务的重用极大的提高应用的构建速度和质量。该方案改变了传统物联网应用的生产方式,探索了一种搭建物联网应用的新模式。

当然,很多问题都具有多面性,技术手段并不能代替业务关系的理顺和管理体制的完善。物联网信息中心的建设也不是一蹴而就的事情,从小范围的示范区建设入手,逐步扩大,将会避免或减少由业务或体制壁垒所带来的诸多问题。

 

(作者:杨冬菊、张程)