農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及XMPP技術(shù)介紹0724(張衛(wèi))

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及 XMPP 張衛(wèi) 北京市農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)科技信息研究所 匯報提綱 XMPP 協(xié)議 二 XMPP應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 三 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 1、什么是物聯(lián)網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)（ The Internet of things）：通過射頻識別（ RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。兩層含義 （ 1） 物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍是互聯(lián)網(wǎng)；（ 2）網(wǎng)絡的終端由 pc機擴展到任何物品 物聯(lián)網(wǎng) =互聯(lián)網(wǎng) +傳感網(wǎng)絡 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是指在農(nóng)業(yè)中應用的物聯(lián)網(wǎng)。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 2、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 1999年 MIT Auto-ID Center提出物聯(lián)網(wǎng)概念 ，即把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別與管理。 2004年日本總務省提出 u-Japan構(gòu)想 ，希望 2010年將日本建設成一個“ Anytime, Anywhere, Anything, Anyone” 都可以上網(wǎng)的環(huán)境。 同年，韓國政府制定了 u-Korea戰(zhàn)略 ，韓國信通部發(fā)布了 數(shù)字時代的人本主義： IT839戰(zhàn)略 以具體呼應 u-Korea。 2005年 11月在突尼斯舉行的信息社會世界峰會 (WSIS)上，國際電信聯(lián)盟 (ITU)發(fā)布了 ITU互聯(lián)網(wǎng)報告 2005：物聯(lián)網(wǎng) 。指出無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網(wǎng)主動進行交換。射頻識別技術(shù)（ RFID）、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)將更加廣泛的應用。 2008年 11月 IBM提出“智慧的地球”概念 ，即“互聯(lián)網(wǎng) +物聯(lián)網(wǎng) =智慧地球”，如果在基礎建設的執(zhí)行中，植入“智慧”的理念，不僅能夠在短期內(nèi)有力的刺激經(jīng)濟、促進就業(yè)，而且能夠在短時間內(nèi)為國家打造一個成熟的智慧基礎設施平臺。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 2009年 6月歐盟委員會提出針對物聯(lián)網(wǎng)行動方案 ，方案明確表示在技術(shù)層面給予大量資金支持，在政府管理層面將提出與現(xiàn)有法規(guī)相適應的網(wǎng)絡監(jiān)管方案。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 2010年 1月 5日，國家發(fā)改委委托中國工程院啟動了“物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究”重大咨詢研究專項 “ 精細農(nóng)牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃”（ 14個專項之一）。 2010年 1月 13日，中國工程院啟動了“物聯(lián)網(wǎng)及其在重要領(lǐng)域的應用”，包括“物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用”（ 8個課題之一）。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 3、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景 （ 1）農(nóng)業(yè)需要物聯(lián)網(wǎng) 我國人均耕地面積不到 1.5畝，耕地面積減少不可逆轉(zhuǎn)，18億畝紅線面臨考驗；耕地質(zhì)量差，中低等級農(nóng)田占 65%以上。 我國人均水資源量 2200立方米，為全球平均水平的 1/4。 10億多畝耕地無灌溉條件，北方干旱、南方季節(jié)性干旱、水災經(jīng)常發(fā)生。 農(nóng)業(yè)用水占總用水量的 70%，灌溉水利用率 47%（發(fā)達國家 75%）。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 我國每立方米生產(chǎn)糧食不足 1.0kg，而發(fā)達國家達到2.0kg以上。 生態(tài)環(huán)境問題日益突出，將成為制約我國農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要因素。 1977 2005年，我國化肥用量增長了 700%，過量施肥帶來環(huán)境風險。 農(nóng)產(chǎn)品安全是我國政府和百姓關(guān)注的問題?；?/農(nóng)藥大量使用，污染日益嚴重；亞硝酸鹽、重金屬等有毒物質(zhì)進入食物鏈，危及人類健康。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 （ 2）技術(shù)為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了可能 中國互聯(lián)網(wǎng)接入的基礎條件迅速發(fā)展 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 以 IPv6為代表的下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。 以 ZigBee、 RFID為代表的短距離無線技術(shù)。 以 TD-CDMA、 WCDMA、 CDMA2000為代表的 3G通訊技術(shù)。 4G技術(shù)的研究和發(fā)展。 芯片技術(shù)的發(fā)展。處理器速度，每 18個月翻一番；存儲 密度每 12個月翻一番；網(wǎng)絡速度，每 9個月翻一番，無線 傳感器產(chǎn)品價格，每 18個月降低 50%。 精細農(nóng)業(yè)的核心是指實時地獲取地塊中每個小區(qū)土壤、農(nóng)作物的信息，診斷作物的長勢和產(chǎn)量在空間上差異的原因，并按每一個小區(qū)做出決策，準確地在每一個小區(qū)上進行灌溉、施肥、噴藥，以達到最大限度地提高水、肥和殺蟲劑的利用效率，增加產(chǎn)量，減少環(huán)境的污染的目的。 3、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用案例 （ 1）精細農(nóng)業(yè) 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 例如某些農(nóng)業(yè)的精細化要求： 喜溫植物不能長期忍受 5度以下的低溫， 10度以下停止生長，如黃瓜，西葫蘆，茄果類，菜豆等。 耐熱蔬菜生長溫度要求在 20至 30度，要求晝夜溫差不低于 10度。 以西紅柿種植為例：以色列采用精細化種植的西紅柿可以實現(xiàn)畝產(chǎn) 50噸，而北京平谷東高村的農(nóng)戶，畝產(chǎn)僅在 7噸左右。 實現(xiàn)精細化農(nóng)業(yè)的前提是環(huán)境數(shù)據(jù)的精細化控制，這必然要求農(nóng)戶購買環(huán)境監(jiān)測設備。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 （ 2）農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 （ 3）水產(chǎn)養(yǎng)殖測控 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 基于水位、水溫、溶解氧、 pH、濁度等水體環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)，開發(fā)養(yǎng)殖品種針對性的水質(zhì)管理決策系統(tǒng)、基于餌料配方模型和投喂率及投喂量模型的水產(chǎn)品精細喂養(yǎng)決策專家系統(tǒng)。水質(zhì)管理按決策系統(tǒng)可以通過 RTU遠程控制補放水、水溫加熱、增氧等條件，使水體環(huán)境保持水產(chǎn)品最適宜生長狀態(tài)，大幅度提高產(chǎn)量和效率。水產(chǎn)品精細喂養(yǎng)決策專家系統(tǒng)實現(xiàn)飼料喂養(yǎng)的精細化、自動化。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 （ 4）無線監(jiān)測的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 無線監(jiān)測的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由傳感器、無線采集器、智能網(wǎng)關(guān)、無線控制器、監(jiān)控管理系統(tǒng) 5個基本部件組成。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 4、物聯(lián)網(wǎng)目前存在的問題 中國在 物聯(lián)網(wǎng) 產(chǎn)業(yè)還是相對比較落后的，一個重要原因是標準體系不完善。相關(guān)標準比較分散，各個標準組織缺乏統(tǒng)一的協(xié)調(diào)，而且 物聯(lián)網(wǎng) 尤其需要各種標準的 協(xié)調(diào)發(fā)展。好在我國已經(jīng)先后成立了國家 傳感器 網(wǎng)絡工作組、網(wǎng)絡技術(shù)工作組和中國 物聯(lián)網(wǎng)標準聯(lián)合工作組。當務之急是把這些標準組織協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來。 劉韻潔 院士 ： 1、物聯(lián)網(wǎng)中，各系統(tǒng)互不通信，不能實現(xiàn)信息共享，達不到物物聯(lián)網(wǎng)的要求。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 我理解為： 精細農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng) 農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng) 水產(chǎn)養(yǎng)殖測控 無線監(jiān)測的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) X X X X 2、物聯(lián)網(wǎng)中缺少非常直觀的視頻和音頻通訊。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 3、缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和標準，很難實現(xiàn)標準化生產(chǎn)，從而影響物聯(lián)網(wǎng)的應用和發(fā)展。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到今天，標準化問題解決的非常好，全球進行傳輸?shù)膮f(xié)議 TCP/IP協(xié)議，路由器協(xié)議，終端的構(gòu)架與操作系統(tǒng)，都解決的非常好，因此，我們可以在世界任何角落使用電腦，連接到互聯(lián)網(wǎng)中去，很方便上網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，傳感、傳輸、應用各個層面會有大量的技術(shù)出現(xiàn)，可能會采用不同的技術(shù)方案。如果各行其是，結(jié)果將是災難的，大量的小而破的專用網(wǎng)，相互無法聯(lián)網(wǎng)，不能形成規(guī)模經(jīng)濟，不能形成整合的商業(yè)模式，也不能降低研發(fā)成本。因此，盡快統(tǒng)一技術(shù)標準，形成一個管理機制，這是物聯(lián)網(wǎng)馬上就要面對問題；這和第一問題相關(guān)聯(lián)，政府應該有專門的部門來管理和協(xié)調(diào)，出臺相應的政策和法規(guī)，統(tǒng)一、協(xié)調(diào)標準。 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 一 精細農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng) 農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng) 水產(chǎn)養(yǎng)殖測控 無線監(jiān)測的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) XMPP 5、解決問題的方案 XMPP XMPP XMPP XMPP技術(shù) 二 XMPP： The Extensible Messaging and Presence Protocol(可擴展通信與現(xiàn)場協(xié)議 ) XMPP（可擴展消息處理現(xiàn)場協(xié)議）是基于可擴展標記語言（ XML）的協(xié)議，它用于 即時消息 （ IM）以及在線現(xiàn)場探測。它在促進服務器之間的準即時操作。這個協(xié)議可能最終允許 因特網(wǎng) 用戶向因特網(wǎng)上的其他任何人發(fā)送即時消息，即使其操作系統(tǒng)和 瀏覽器 不同。 1、 XMPP協(xié)議簡介 XMPP技術(shù) 二 2、 XMPP目前的應用 (1) 即時通信 XMPP技術(shù) 二 (2)視頻會議或遠程雙向視頻咨詢診斷 XMPP技術(shù) 二 (3) Google Talk XMPP技術(shù) 二 3、 XMPP組成 XMPP的前身是 Jabber，一個開源形式組織產(chǎn)生的網(wǎng)絡即時通信協(xié)議。 XMPP目前被 IETF國際標準組織完成了標準化工作，標準化的核心結(jié)果分為兩個部分： 核心的 XML流傳輸協(xié)議。 基于 XML流傳輸?shù)臄U展協(xié)議。 XMPP技術(shù) 二 （ 1）核心的 XML流傳輸協(xié)議 XMPP的核心流傳輸協(xié)議使得 XMPP能夠形成一個比以往網(wǎng)絡通信更規(guī)范的平臺，借助于 XML易于解析和閱讀以及通用性的特性， XMPP協(xié)議的應用前景十分誘人。 XMPP的核心數(shù)據(jù)包類型有 Precense、 Message、 IQ，此外加上初始化 stream時，用到的 Stream數(shù)據(jù)包。 XMPP技術(shù) 二 （ 2）基于 XML流傳輸?shù)臄U展協(xié)議 擴展協(xié)議按來源分為兩類：由 JSF( Jabber Software Foundation, Jabber軟件基金會 )制定的擴展協(xié)議；非 JSF制定的擴展協(xié)議。 按應用分： socket傳輸協(xié)議，群組聊天協(xié)議，訂閱與發(fā)布協(xié)議，有特征協(xié)商協(xié)議、視頻通信協(xié)議、音頻通信協(xié)議、 P2P擴展等。 XMPP技術(shù) 二 （ 1）采用 JID（ Jabber Identifier）即userhost/resource 結(jié)構(gòu)，類似于郵件系統(tǒng)，最常用來標識一個即時消息用戶，表示用戶名，用戶所連接的服務器，以及這個用戶用于連接的資源 (比如特定類型的客戶端軟件 )。 （ 2） XMPP開放的 XML協(xié)議包括三個頂級 XML元素： ，通信內(nèi)容。 ，是否在線。 (info/query)，請求信息。 4、 XMPP 格式 An Introduction to XML Chunbin 2010 98.0 The Performance of DataBase John 1996 56.0 XMPP技術(shù) 二 （ 1）開放且可擴展 首先， XMPP的 Jabber社區(qū)由 JSF領(lǐng)導，沒有限制其他人的參與。通過郵件列表和討論組，任何人都可以對正在制定的標準提出自己的建議，這樣有利于將業(yè)界最優(yōu)秀的技術(shù)力量集中起來，制定出符合大多數(shù)開發(fā)者要求的規(guī)范。 其次， XMPP技術(shù)框架本身就考慮到其開放和擴展性，以 XMPP為出發(fā)點和根基，可以衍生出其他許多豐富的應用。 5、 XMPP 的優(yōu)點 XMPP技術(shù) 二 JSF通過 Jabber Enhancement Proposal 過程，已經(jīng)并將陸續(xù)推出 XMPP的擴展標準，使 IM應用更為成熟和穩(wěn)定，也讓其他需要即時傳輸?shù)膽猛脐惓鲂隆?再次， XMPP協(xié)議還可以比較容易地通過 XML語言與其他系統(tǒng)，如 QQ、 MSN等進行通信。 （ 2）即集中，又不失靈活 系統(tǒng)采用 C/S的網(wǎng)絡模式，同時服務器之間能夠通訊，使得所有的通訊都能得到很好的管理和控制，同時跨機構(gòu)互聯(lián)也能應用，具有分布式特點。 XMPP技術(shù) 二 （ 3）將更多的功能遷移到服務器端 這是 XMPP特別強調(diào)的設計理念，它使得客戶端開發(fā)變得簡單，也正由于這一特點，基于 XMPP的客戶機端的實現(xiàn)有非常多的選擇，不管是 Linux系統(tǒng)、還是 windows桌面系統(tǒng)，乃至新興的移動開發(fā)平臺，都能很好的實現(xiàn) XMPP，使得 IM隨時隨地發(fā)生的理念成為可能，開發(fā)者可以選擇適合自己的開發(fā)平臺和開發(fā)語言，而結(jié)果是用戶有了更多的選擇，這對于 XMPP技術(shù)的推廣和應用非常重要。 XMPP應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 三 目前，物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個廣泛認同的體系結(jié)構(gòu)，最具有代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是歐美支持的 EPCGlobal體系架構(gòu)和日本的泛在 ID中心 (Ubiquitous ID center)UID體系架構(gòu)。 （ 1） EPCGlobal “物聯(lián)網(wǎng) ” 體系架構(gòu) 1、物聯(lián)網(wǎng)標準協(xié)議研究狀況 XMPP應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 三 XMPP應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 三 EPC Global是由美國統(tǒng)一代碼協(xié)會（ UCC）和國際物品編碼協(xié)會（ EAN）于 2003年 9月共同成立的非營利性組 織，與眾多成員企業(yè)共同制訂一個統(tǒng)一的開放技術(shù)標準EPC。 EPC系統(tǒng)由 EPC編碼體系、射頻識別系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡系統(tǒng) 3部分組成，主要包括 6個方面。 XMPP應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 三 XMPP應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 三 （ 2） UID體系結(jié)構(gòu) 日本在電子標簽方面的發(fā)展，始于 20世紀 80年代，2003年成立 UID中心，設立在東京大學，并得到日本政府經(jīng)產(chǎn)省和總務省以及大企業(yè)的支持，包括微軟件、索尼、三菱、日立、東芝、夏普、富士通、 NTT、大日本印刷等，其目的是為了建立和普及自動識別“物品”所需的基礎技術(shù)，最終實現(xiàn)“計算無處不在”的理想環(huán)境。 XMPP應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 三 XMPP應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 三 UID技術(shù)體系架構(gòu)由泛在識別碼 (uCode)、泛在通信器、信息系統(tǒng)服務器和 ucode解析服務器等 4部分組成。UID使用 uCode作為現(xiàn)實世界物品和場所的標識， UC從uCode電子標簽中讀取 uCode，獲取這些設施的狀態(tài)，并控制它們， UC類似于 PDA終端。 UID能在多種行業(yè)中得到廣泛應用，關(guān)鍵是 UID是將現(xiàn)實世界用 uCode標簽的物品、場所等各種實體和虛擬世界中存儲在信息服務器中的各種相關(guān)信息聯(lián)系起來，實現(xiàn)“物物互聯(lián)”，而且 UID是一個開放的架構(gòu)，它的規(guī)范是對大眾公開的。 XMPP應用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 三 綜合上述的兩個物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議存在明顯的不足，是他們只規(guī)范了基于 RFID等相關(guān)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)互通問題，而沒有解決所有的，如傳感器數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、嵌入式信息、數(shù)據(jù)信息等物聯(lián)信息的互通問題，其中一個協(xié)議還是不公開的，另一個協(xié)議雖然公開，但描述非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)比較困難。 （ 1）物聯(lián)網(wǎng)中，各系統(tǒng)不通信，不能實現(xiàn)信息共享，達不到物物聯(lián)網(wǎng)的要求。