农业物联网及XMPP技术介绍0724(张卫)

农业物联网及 XMPP 张卫 北京市农林科学院农业科技信息研究所 汇报提纲 XMPP 协议 二 XMPP应用于农业物联网 三 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 1、什么是物联网 物联网（ The Internet of things）：通过射频识别（ RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。两层含义 （ 1） 物联网的核心和基础仍是互联网；（ 2）网络的终端由 pc机扩展到任何物品 物联网 =互联网 +传感网络 农业物联网就是指在农业中应用的物联网。 农 业 物 联 网 一 2、物联网的发展 1999年 MIT Auto-ID Center提出物联网概念 ，即把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别与管理。 2004年日本总务省提出 u-Japan构想 ，希望 2010年将日本建设成一个“ Anytime, Anywhere, Anything, Anyone” 都可以上网的环境。 同年，韩国政府制定了 u-Korea战略 ，韩国信通部发布了 数字时代的人本主义： IT839战略 以具体呼应 u-Korea。 2005年 11月在突尼斯举行的信息社会世界峰会 (WSIS)上，国际电信联盟 (ITU)发布了 ITU互联网报告 2005：物联网 。指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（ RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将更加广泛的应用。 2008年 11月 IBM提出“智慧的地球”概念 ，即“互联网 +物联网 =智慧地球”，如果在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，不仅能够在短期内有力的刺激经济、促进就业，而且能够在短时间内为国家打造一个成熟的智慧基础设施平台。 农 业 物 联 网 一 2009年 6月欧盟委员会提出针对物联网行动方案 ，方案明确表示在技术层面给予大量资金支持，在政府管理层面将提出与现有法规相适应的网络监管方案。 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 2010年 1月 5日，国家发改委委托中国工程院启动了“物联网发展战略规划研究”重大咨询研究专项 “ 精细农牧业物联网发展战略规划”（ 14个专项之一）。 2010年 1月 13日，中国工程院启动了“物联网及其在重要领域的应用”，包括“物联网在农业领域的应用”（ 8个课题之一）。 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 3、农业物联网发展的背景 （ 1）农业需要物联网 我国人均耕地面积不到 1.5亩，耕地面积减少不可逆转，18亿亩红线面临考验；耕地质量差，中低等级农田占 65%以上。 我国人均水资源量 2200立方米，为全球平均水平的 1/4。 10亿多亩耕地无灌溉条件，北方干旱、南方季节性干旱、水灾经常发生。 农业用水占总用水量的 70%，灌溉水利用率 47%（发达国家 75%）。 农 业 物 联 网 一 我国每立方米生产粮食不足 1.0kg，而发达国家达到2.0kg以上。 生态环境问题日益突出，将成为制约我国农业持续发展的主要因素。 1977 2005年，我国化肥用量增长了 700%，过量施肥带来环境风险。 农产品安全是我国政府和百姓关注的问题。化肥 /农药大量使用，污染日益严重；亚硝酸盐、重金属等有毒物质进入食物链，危及人类健康。 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 （ 2）技术为农业物联网的发展提供了可能 中国互联网接入的基础条件迅速发展 农 业 物 联 网 一 以 IPv6为代表的下一代互联网技术。 以 ZigBee、 RFID为代表的短距离无线技术。 以 TD-CDMA、 WCDMA、 CDMA2000为代表的 3G通讯技术。 4G技术的研究和发展。 芯片技术的发展。处理器速度，每 18个月翻一番；存储 密度每 12个月翻一番；网络速度，每 9个月翻一番，无线 传感器产品价格，每 18个月降低 50%。 精细农业的核心是指实时地获取地块中每个小区土壤、农作物的信息，诊断作物的长势和产量在空间上差异的原因，并按每一个小区做出决策，准确地在每一个小区上进行灌溉、施肥、喷药，以达到最大限度地提高水、肥和杀虫剂的利用效率，增加产量，减少环境的污染的目的。 3、农业物联网应用案例 （ 1）精细农业 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 例如某些农业的精细化要求： 喜温植物不能长期忍受 5度以下的低温， 10度以下停止生长，如黄瓜，西葫芦，茄果类，菜豆等。 耐热蔬菜生长温度要求在 20至 30度，要求昼夜温差不低于 10度。 以西红柿种植为例：以色列采用精细化种植的西红柿可以实现亩产 50吨，而北京平谷东高村的农户，亩产仅在 7吨左右。 实现精细化农业的前提是环境数据的精细化控制，这必然要求农户购买环境监测设备。 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 （ 2）农产品追溯系统 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 （ 3）水产养殖测控 农 业 物 联 网 一 基于水位、水温、溶解氧、 pH、浊度等水体环境的监测数据，开发养殖品种针对性的水质管理决策系统、基于饵料配方模型和投喂率及投喂量模型的水产品精细喂养决策专家系统。水质管理按决策系统可以通过 RTU远程控制补放水、水温加热、增氧等条件，使水体环境保持水产品最适宜生长状态，大幅度提高产量和效率。水产品精细喂养决策专家系统实现饲料喂养的精细化、自动化。 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 （ 4）无线监测的农业物联网 农 业 物 联 网 一 无线监测的农业物联网由传感器、无线采集器、智能网关、无线控制器、监控管理系统 5个基本部件组成。 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 农 业 物 联 网 一 4、物联网目前存在的问题 中国在 物联网 产业还是相对比较落后的，一个重要原因是标准体系不完善。相关标准比较分散，各个标准组织缺乏统一的协调，而且 物联网 尤其需要各种标准的 协调发展。好在我国已经先后成立了国家 传感器 网络工作组、网络技术工作组和中国 物联网标准联合工作组。当务之急是把这些标准组织协调统一起来。 刘韵洁 院士 ： 1、物联网中，各系统互不通信，不能实现信息共享，达不到物物联网的要求。 农 业 物 联 网 一 我理解为： 精细农业监测系统 农产品追溯系统 水产养殖测控 无线监测的农业物联网 X X X X 2、物联网中缺少非常直观的视频和音频通讯。 农 业 物 联 网 一 3、缺少统一的数据格式和标准，很难实现标准化生产，从而影响物联网的应用和发展。 农 业 物 联 网 一 互联网发展到今天，标准化问题解决的非常好，全球进行传输的协议 TCP/IP协议，路由器协议，终端的构架与操作系统，都解决的非常好，因此，我们可以在世界任何角落使用电脑，连接到互联网中去，很方便上网。物联网发展过程中，传感、传输、应用各个层面会有大量的技术出现，可能会采用不同的技术方案。如果各行其是，结果将是灾难的，大量的小而破的专用网，相互无法联网，不能形成规模经济，不能形成整合的商业模式，也不能降低研发成本。因此，尽快统一技术标准，形成一个管理机制，这是物联网马上就要面对问题；这和第一问题相关联，政府应该有专门的部门来管理和协调，出台相应的政策和法规，统一、协调标准。 农 业 物 联 网 一 精细农业监测系统 农产品追溯系统 水产养殖测控 无线监测的农业物联网 XMPP 5、解决问题的方案 XMPP XMPP XMPP XMPP技术 二 XMPP： The Extensible Messaging and Presence Protocol(可扩展通信与现场协议 ) XMPP（可扩展消息处理现场协议）是基于可扩展标记语言（ XML）的协议，它用于 即时消息 （ IM）以及在线现场探测。它在促进服务器之间的准即时操作。这个协议可能最终允许 因特网 用户向因特网上的其他任何人发送即时消息，即使其操作系统和 浏览器 不同。 1、 XMPP协议简介 XMPP技术 二 2、 XMPP目前的应用 (1) 即时通信 XMPP技术 二 (2)视频会议或远程双向视频咨询诊断 XMPP技术 二 (3) Google Talk XMPP技术 二 3、 XMPP组成 XMPP的前身是 Jabber，一个开源形式组织产生的网络即时通信协议。 XMPP目前被 IETF国际标准组织完成了标准化工作，标准化的核心结果分为两个部分： 核心的 XML流传输协议。 基于 XML流传输的扩展协议。 XMPP技术 二 （ 1）核心的 XML流传输协议 XMPP的核心流传输协议使得 XMPP能够形成一个比以往网络通信更规范的平台，借助于 XML易于解析和阅读以及通用性的特性， XMPP协议的应用前景十分诱人。 XMPP的核心数据包类型有 Precense、 Message、 IQ，此外加上初始化 stream时，用到的 Stream数据包。 XMPP技术 二 （ 2）基于 XML流传输的扩展协议 扩展协议按来源分为两类：由 JSF( Jabber Software Foundation, Jabber软件基金会 )制定的扩展协议；非 JSF制定的扩展协议。 按应用分： socket传输协议，群组聊天协议，订阅与发布协议，有特征协商协议、视频通信协议、音频通信协议、 P2P扩展等。 XMPP技术 二 （ 1）采用 JID（ Jabber Identifier）即userhost/resource 结构，类似于邮件系统，最常用来标识一个即时消息用户，表示用户名，用户所连接的服务器，以及这个用户用于连接的资源 (比如特定类型的客户端软件 )。 （ 2） XMPP开放的 XML协议包括三个顶级 XML元素： ，通信内容。 ，是否在线。 (info/query)，请求信息。 4、 XMPP 格式 An Introduction to XML Chunbin 2010 98.0 The Performance of DataBase John 1996 56.0 XMPP技术 二 （ 1）开放且可扩展 首先， XMPP的 Jabber社区由 JSF领导，没有限制其他人的参与。通过邮件列表和讨论组，任何人都可以对正在制定的标准提出自己的建议，这样有利于将业界最优秀的技术力量集中起来，制定出符合大多数开发者要求的规范。 其次， XMPP技术框架本身就考虑到其开放和扩展性，以 XMPP为出发点和根基，可以衍生出其他许多丰富的应用。 5、 XMPP 的优点 XMPP技术 二 JSF通过 Jabber Enhancement Proposal 过程，已经并将陆续推出 XMPP的扩展标准，使 IM应用更为成熟和稳定，也让其他需要即时传输的应用推陈出新。 再次， XMPP协议还可以比较容易地通过 XML语言与其他系统，如 QQ、 MSN等进行通信。 （ 2）即集中，又不失灵活 系统采用 C/S的网络模式，同时服务器之间能够通讯，使得所有的通讯都能得到很好的管理和控制，同时跨机构互联也能应用，具有分布式特点。 XMPP技术 二 （ 3）将更多的功能迁移到服务器端 这是 XMPP特别强调的设计理念，它使得客户端开发变得简单，也正由于这一特点，基于 XMPP的客户机端的实现有非常多的选择，不管是 Linux系统、还是 windows桌面系统，乃至新兴的移动开发平台，都能很好的实现 XMPP，使得 IM随时随地发生的理念成为可能，开发者可以选择适合自己的开发平台和开发语言，而结果是用户有了更多的选择，这对于 XMPP技术的推广和应用非常重要。 XMPP应用于农业物联网 三 目前，物联网还没有一个广泛认同的体系结构，最具有代表性的物联网架构是欧美支持的 EPCGlobal体系架构和日本的泛在 ID中心 (Ubiquitous ID center)UID体系架构。 （ 1） EPCGlobal “物联网 ” 体系架构 1、物联网标准协议研究状况 XMPP应用于农业物联网 三 XMPP应用于农业物联网 三 EPC Global是由美国统一代码协会（ UCC）和国际物品编码协会（ EAN）于 2003年 9月共同成立的非营利性组 织，与众多成员企业共同制订一个统一的开放技术标准EPC。 EPC系统由 EPC编码体系、射频识别系统和信息网络系统 3部分组成，主要包括 6个方面。 XMPP应用于农业物联网 三 XMPP应用于农业物联网 三 （ 2） UID体系结构 日本在电子标签方面的发展，始于 20世纪 80年代，2003年成立 UID中心，设立在东京大学，并得到日本政府经产省和总务省以及大企业的支持，包括微软件、索尼、三菱、日立、东芝、夏普、富士通、 NTT、大日本印刷等，其目的是为了建立和普及自动识别“物品”所需的基础技术，最终实现“计算无处不在”的理想环境。 XMPP应用于农业物联网 三 XMPP应用于农业物联网 三 UID技术体系架构由泛在识别码 (uCode)、泛在通信器、信息系统服务器和 ucode解析服务器等 4部分组成。UID使用 uCode作为现实世界物品和场所的标识， UC从uCode电子标签中读取 uCode，获取这些设施的状态，并控制它们， UC类似于 PDA终端。 UID能在多种行业中得到广泛应用，关键是 UID是将现实世界用 uCode标签的物品、场所等各种实体和虚拟世界中存储在信息服务器中的各种相关信息联系起来，实现“物物互联”，而且 UID是一个开放的架构，它的规范是对大众公开的。 XMPP应用于农业物联网 三 综合上述的两个物联网协议存在明显的不足，是他们只规范了基于 RFID等相关技术的物联网互通问题，而没有解决所有的，如传感器数据、视频数据、嵌入式信息、数据信息等物联信息的互通问题，其中一个协议还是不公开的，另一个协议虽然公开，但描述非结构性数据比较困难。 （ 1）物联网中，各系统不通信，不能实现信息共享，达不到物物联网的要求。