基于IPv6的大田种植监控在智慧农业物联网中的应用研究与设计

尹华国 邹承俊 张清峰

[摘           要]  农业信息化是现代农业发展的必由之路。步入21世纪后，传统农业向现代农业转型升级，要把物联网等新兴技术应用到农业中去。随着物联网技术如传感器设备在农业中的大量使用，传统IPv4协议的网络存在地址资源匮乏、安全等多种问题。采用IPv6协议解决方案能很好地解决传统技术瓶颈问题。采用基于IPv6协议的6LoWPAN物联网技术实现大田种植监控应用，实现大田墒情自动预报、灌溉用水量智能决策，节约用水，提高水肥利用率，减少环境污染，真正实现智慧农业。

[关    键   词]  IPv6;6LoWPAN;智慧农业;农业物联网

[中图分类号]  S126                 [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2019）30-0120-03

一、引言

（一）現代农业与物联网技术

随着我国农业现代化进程加快，农业生产面临资源、环境、市场等诸多因素的影响和制约，环境与食品安全越来越被人们重视。因此，物联网技术对促进传统农业向现代农业的转型升级，转变农业生产方式和农民增收都有着重要意义。

随着物联网技术在农业生产中的不断发展与应用，大田种植监控智能化管理可利用大田种植区域分布的各类传感器监测点远程在线采集土壤墒情、养分、气象等信息，同时结合种植的农作物生长生理特点，实现大田墒情自动预报、精准把握灌溉时间和灌溉量智能决策。智慧化管理也可实现远程、自动控制灌溉设备等功能，准确施肥、合理灌溉，节约用水，提高水肥利用率，减少环境污染。通过农业物联网实现全面感知、智能控制功能实现农业生产过程信息化、自动化与智能化，最终实现高效智慧的农业物联网。

（二）物联网网络发展的困境

物联网广泛的应用既带来了巨大的商业潜力，又带来技术方面的挑战。

1.地址及资源限制。目前，物联网在组网方式绝大部分都是采用传统的IPv4协议地址的寻址方式来进行物联网节点的寻址，随着互联网快速发展，它的最大问题是网络地址资源是有限的，这已不能很好地满足物联网对网络地址的庞大需求。同时，传统DHCP的分配方式对服务器提出了极其苛刻的性能要求。

2.传统的IPv4的可移动性先天不足造成了物联网的移动能力的瓶颈。

3.物联网节点的安全性和传输可靠性对物联网不同应用场景提出更高要求。

由于IPv6拥有巨大的地址空间，具有几乎可以不受限制地提供IP地址，解决IP地址耗尽危机，每件物品都可以直接编址，从而确保端到端连接的可能性。另外，IPv6采用无状态地址分配方案，能很好地解决高效率地址分配问题。IPv6协议在设计之初就充分考虑对移动性的支持，它把IPsec协议嵌入基础协议栈中，通信时通过加密通信信息和过程等解决方案对网络安全和可靠性传输技术有很好的技术支持。

二、基于IPv6的大田种植监控物联网总体方案

（一）利用双栈技术实现IPv4向IPv6过渡

IPv6是互联网演进升级的必然趋势。从IPv4向IPv6发展过程中经历了纯IPv4阶段、IPv4向IPv6过渡阶段、纯IPv6阶段。目前，常见的IPv4转换到IPv6的解决方案主要有IPv4/IPv6双协议栈、隧道技术以及地址翻译技术。

“双栈”是指在网元中同时运行IPv4和IPv6两个协议栈，它既可以接收、处理、收发IPv4的分组，同时也能接收、处理、收发IPv6的分组数据包。

对终端主机，“双栈”可根据需要来对业务产生的数据进行IPv4/IPv6封装。

对路由器，“双栈”能在一个路由器设备中维护IPv6和IPv4两套路由器协议栈，使得路由器既能与IPv4主机通信，也能与IPv6主机通信，分别支持独立的IPv6和IPv4路由协议，按照各自路由协议进行计算，维护不同路由表。

结合本项目的实际情况和特点，“双栈”技术是最为彻底的网站支持IPv6升级改造技术，具有访问效果好，适用结构不复杂的网络结构。因此，项目最后采用“双栈”技术来实现两种网络的转换问题。

（二）基于6LoWPAN的大田种植监控物联网系统总体架构设计

6LowPAN是基于IPv6的无线自组网协议标准，它是Zigbee发展到一定阶段的产物。Zigbee联盟基于6LowPAN推出最新的Zigbee IP协议标准是无线自组网的物联网技术发展的新阶段。

采用6Lowpan的无线物联网网络可使大田种植区域的传感器节点可进行统一寻址、使物联网与IPv6网络深度融合，真正实现大田种植监控智慧管理的农业物联网与互联网的无缝连接，实现信息共享。

按照物联网感知层、网络层、应用层三个层面自底向上的思路进行研究工作。基于6LowPAN的大田种植监控智慧管理系统总体架构设计如图1所示。

基于6LoWPAN的大田种植监控物联网系统由一个6LowPAN路由器（即网关）、多个运行IPv6协议栈的PanNodeX节点模组、一台互联网服务器以及管控应用软件组成的物联网管控服务器构成。其中一个6LowPAN路由器网关可以带N个PanNodeX节点模组，它们组成一个无线自组织的MESH网络，每一个节点拥有唯一的IPv6地址。

本研究项目主要完成任务是感知层的PanNodeX节点模组设计、网络层的IPv4/IPv6环境搭建和应用层的物联网服务器的管控平台开发等工作。

（三）感知层的PanNodeX节点模组设计

模组在物联网产业链上的所处的位置，如图2所示：由于通信模组的作用是承载了端到端、端到后台服务器的数据交互，是用户数据传输的通道，是物联网终端的核心部件之一。

由于节点通信模组是将基带芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，并提供标准接口的功能模块，各类终端借助无线模组可以实现通信功能。

感知层节点在物联网终端完成大田种植区域的环境信息采集，经过6LoWPAN网络传输汇聚到边界网关，由边界网关对数据进行转发处理，最后将信息发送到服务器，再由服务器端对监测信息进行存储、处理、分析和深度挖掘等一系列任务。

PanNodeX节点模组不仅可完成数据传输的功能，而且针对特定传感器，可以根据相关资源自行实现其IO控制，节点模组采用AT指令进行配置，用户可以先将模组设置为配置模式，配置好相关的参数，然后再将模块设置为应用模式，在应用模式，串口发送的数据将直接转发给服务器。

在互联网上的物联网终端用户也可以通过发送控制信令，经过一个相反的传输过程将信令送到物联网监控终端节点实现远程控制。最终实现对设备访问、控制及有效管理，同时也实现大田作物环境信息自动检测和远程设备智能控制与智慧灌溉功能。

（四）网络传输层优化与互联互通

科技园区大田区域的物联网采用基于IPv6的6LowPan传输网络。通过采用支持运行IPv4/IPv6双协议栈的边界路由器（无线网关）接入法来实现无线组网的方式。边界路由器对内可实现网关和节点模组间的网络建立、通信与维护，该节点模组可与多个传感器终端节点相连;对外可实现与IPv4或IPv6的互联网进行互联互通。当物联网内部的节点模组要访问互联网服务器的时候，通过6LowPAN网关内部集成的NAPTPT协议，建立一个NAT表，将IPv6地址轉换为IPv4地址去访问互联网服务器;而当互联网服务器返回数据时，查询NAT表，将数据返回给NAT表记录的节点，使得外部网络中的设备可对传感区域进行控制与管理，实现远程物体感知与控制功能。

三、应用层中物联网服务器管控平台设计

基于现代农业与节水灌溉自动控制技术，通过利用物联网的智能感知等技术对大田农作物用水、施肥统一调控，实现作物定时、定量精准灌溉，同时结合农作物种植区域的土壤墒情和气象信息监测，实现对灌溉用水实时监测与动态管理，达到节肥、节水、节时和节力功效。

基于IPv6的大田智慧管理系统将园区特定种植区域内的生长环境信息通过土壤温湿度、气象站等传感器来采集数据，然后，系统把这些数据与用户的种植作物模型设定的需要灌溉和停止灌溉的上下限数据进行比较，判断是否需要进行灌溉，有效实现灌溉水的自动与智慧化。

大田种植监控智慧管理系统的功能包含5个模块即实时数据采集、数据查询与加工、智能报警与设备联动、后台管理（如图3所示）。

（一）实时数据采集功能

现场环境数据采集：通过前端传感器等设备，实时采集大田区域内空气温湿度、土壤温湿度、光照度等数据，将采集的现场环境相关数据传输至管理系统，方便管理人员实时掌握现场情况并及时做出相应的处理。

（二）数据处理与分析

1.数据处理功能包括信息展示和导出功能。信息展示功能：实时曲线：将系统采集到的数据以实时曲线的方式显示出来，以便及时了解现场信息;历史曲线：可显示出各测量参数的日、月、季、年参数变化曲线，根据该曲线分析各参数变化对作物生长的影响，并提供数据统计报表、线图，让数据显示更加直观，可对历史曲线、报表进行打印。数据导出：系统数据导出形式多样的数据格式，如TXT、Excel等格式以方便第三方软件进行数据后期的二次处理。

2.数据分析功能：数据挖掘是对现场采集的数据进行深入分析，对历史时间内的温度、湿度变化进行分析，诊断出农作物不同生长周期、不同的季节生产的最佳温度、湿度等，给农业专家的远程指导、现场管理人员的协调指挥提供数据依据;与特定作物预定阈值进行对比，判断当前条件是否满足农作物生长的需求，并做出相应的决策动作;对数据横向纵向对比，预测农作物生长状态是否良好、是否存在病虫害隐患、初步预期产量等。

（三）智能预警功能

报警形式：系统提供阈值设置功能，根据种植品种、农业专家意见，设置最佳的作物生长环境参数。当作物生长过程某些参数出现异常时，系统自动控制相关设备进行智能调节，确保最适宜作物生长的温室环境。如果自动调控不能达到目标，系统会通过短信、动画、声音等形式在PC端或手机客户端等显示预警信息。

报警控制：用户可设定某些参数指标的上限和下限，高于或低于阀值范围都会产生报警信息，并在上位机中控平台和现场控制节点显示出来。

故障通知：现场控制节点出现故障时可及时以中心服务器平台、手机短信、报警信息等方式通知管理者。

（四）设备远程控制功能

设备远程控制：用户在任何时间、任何地点通过手机、PC终端软件可实现对大田种植区域的各种设备进行远程控制。

智慧灌溉及施肥控制：水灌溉与施肥采用一套管线系统，根据植物生长模式，可通过自动、手动方式进行操作。

（五）系统后台管理功能

用户管理功能：规定用户使用权限，非用户不能登录系统，保证系统安全。可设置权限对用户和密码进行修改。分两级权限，即设备察看权限、参数修改权限。用户管理方面主要完成用户的增加、删除、修改、登录等，提供账户管理及权限管理功能。

設备管理功能：获得相应权限的用户可以对远程信息采集设备、控制设备进行参数设置，如采集周期，上报数据周期等，并可对各种设备运行状态进行监测及管理。当仪器设备出现异常、损坏，系统会通过短信告知相关人员，使设备工作尽快恢复正常。

阀值参数设定：根据种植品种、农业专家意见，设置最佳的作物生长环境参数;对所要实现自动控制的参数（温湿度、光照度等）进行设定，以满足自动控制要求。

自定义控制模式：根据具体控制和监测需要，定制一些相应的监测项目及控制内容，可通过计算机屏幕实现控制设备的自动及手动转换。自动：根据用户设定的参数（温度、时间）对电磁阀等设备控制。手动：通过鼠标操作实现各种控制设备的开启、关闭和启停，实现远程强制手动控制操作。

备用冗余功能：为避免设备故障及异常带来不便，影响作物的生长，设备可进行扩展冗余，当设备出现故障时，辅助设备进行切换。从而实现连续无故障运行，增加系统稳定性和可靠性。

云端数据存储：管理系统可对接区县级“智慧农业综合服务大数据平台”，相关农业部门可及时了解该基地农作物生产的整体情况，为其研究、制定相关政策和指导意见提供科学依据。

基于IPv6的6LoWPAN的组网技术虽然在国内外是比较流行的，但是它还处于发展初期，目前存在一些技术问题需要解决，如无状态地址分配安全、缓冲安全更新等问题，这些还在不断完善，尤其是把它应用于农业行业中还有待充分挖掘。

基于IPv4协议的通信模块和大田智慧管理系统已比较完善，但是基于IPv6的通讯模组却很少见，还需不断探索。正是因为IPv6技术具有先天优势，它才能很好地解决物联网中地址资源、网络安全和移动性等问题，6LoWPAN技术必将在农业物联网中得到非常广泛的应用。

参考文献：

[1]苑乐.无线传感器网络路由协议设计与实现[D].北京：北京交通大学，2011.

[2]马军锋，张恒升.一物一地址万物皆在线：IPv6在物联网中的应用[EB/OL].http：//www.cnii.com.cn/index/content/2011-05/05/content_872490.htm，2011-05-15.

[3]Jean-PhilIPpe Vasseur， Adam Dunkels.基于IP的物联网架构、技术与应用[M].田辉，译.北京：人民邮电出版社，2011：197-198.

[4]陈仲华.IPv6技术在物联网中的应用[J].物联网技术与应用，2001（3）.

[5]王晓喃，钱焕延.6LoWPAN无线传感器网络有状态地址配置方案[J].计算机应用研究，2011，28（10）.

◎编辑 武生智