下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究

引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的不斷發(fā)展，以及移 動(dòng)終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量的不斷增加，基于IP協(xié)議的設(shè)備 對(duì)IP地址有極大的需求，而如今所用的IPv4地址已經(jīng)分配 完畢，無法應(yīng)對(duì)人們對(duì)IP地址的更多需求。同IPv4相比較， IPv6有巨大的地址容量，更好的安全性和高效的路由報(bào)表， 另外在移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)管理以及服務(wù)質(zhì)量等方面都有明顯改進(jìn)， 并且已經(jīng)在主流設(shè)備中獲得廣泛支持。因此，IPv6替代IPv4 成為下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)是大勢(shì)所趨，迫在眉睫。

IPv6協(xié)議作為下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，已經(jīng)受到我國(guó)相關(guān) 部門和企業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。2012年，工信部頒布了關(guān)于《基于 IPv6的下一代互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)》的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)結(jié) 合我國(guó)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的具體情況制定，規(guī)定了基于IPv6的下一 代互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)及總體技術(shù)要求。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委等七部 委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于下一代互聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展建設(shè)的意見》， 將我國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)分階段部署，大大促進(jìn)了 CNGI在我國(guó)的 發(fā)展與普及。目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)著手架設(shè)IPv6網(wǎng)絡(luò)，并 且提供基于IPv6的各類增值業(yè)務(wù)和接入服務(wù)。

1智能農(nóng)業(yè)發(fā)展背景

目前，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與全球同處于起步階段，初步具 備了一定的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用基礎(chǔ)，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已逐步遍及各個(gè)領(lǐng)域，如智能家居、智能交通、 智能農(nóng)業(yè)、智慧城市等，其中智能農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中十分重 要的組成部分。

本文介紹的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域推出的遠(yuǎn)程環(huán)境 檢測(cè)系統(tǒng)，它通過實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)溫度、土壤溫濕度、CO,濃度、 濕度信號(hào)以及光照、葉面濕度、露點(diǎn)溫度等環(huán)境參數(shù)，自動(dòng)開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備。通過布放監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào), 用戶可以通過計(jì)算機(jī)或者手機(jī)，隨時(shí)查看農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)狀并對(duì)其進(jìn) 行處理。實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)控制和智能化管理 提供科學(xué)依據(jù)。隨著當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 為實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)提供了可能。

2 IPv6網(wǎng)絡(luò)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 IPv6在智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的主要意義

本文以某地市建設(shè)的智能農(nóng)業(yè)項(xiàng)目為例，介紹IPv6技術(shù) 在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。該項(xiàng)目是將各種類型的傳感器覆蓋到該 農(nóng)場(chǎng)的種植范圍區(qū)域內(nèi)，然后將其在各個(gè)生產(chǎn)大棚內(nèi)進(jìn)行部 署，通過省中心平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在同一平臺(tái)上對(duì)多個(gè)大棚的數(shù)據(jù)和設(shè) 備進(jìn)行分析及控制。各種傳感器的數(shù)據(jù)通過大棚數(shù)據(jù)采集機(jī), 經(jīng)上聯(lián)的BRAS和SR上行至省中心平臺(tái)服務(wù)器。

在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)匯聚和與服務(wù)器遠(yuǎn)程通信的過程中, IPv6技術(shù)的應(yīng)用為拓展設(shè)備應(yīng)用部署數(shù)量和空間提出了新的 思路和解決辦法，能應(yīng)對(duì)IPv4地址不足的瓶頸。該思路主要 表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

IPv6網(wǎng)絡(luò)具有足夠的地址量，能確保任意通信終端 都能擁有公有IP地址，能更開的開展和支持多樣化業(yè)務(wù)。該 農(nóng)場(chǎng)在業(yè)務(wù)終端應(yīng)用IPv6網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的傳感采集設(shè) 備和控制器設(shè)備進(jìn)行IPv6格式地址惟一性標(biāo)識(shí)，以區(qū)分現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備所屬的使用單位、安裝位置、設(shè)備類型。

移動(dòng)IPv6技術(shù)的應(yīng)用使網(wǎng)絡(luò)終端具有移動(dòng)性，給用 戶帶來了極大的方便。智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)用戶可以通過智能手機(jī)、 PDA、PC等終端，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，隨時(shí)隨地高效、精準(zhǔn)地 控制相應(yīng)的農(nóng)業(yè)設(shè)施，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)而言, 傳輸時(shí)延是一個(gè)極其重要的參數(shù)，在這方面，IPv4很難處理, IPv6的解決辦法則有可取之處。

IPsec作為是IPv6必備的安全機(jī)制，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全有

很好的保障。IPsec在IP層提供安全服務(wù)，使用IPsec協(xié)議能 對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，確保業(yè)務(wù)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的安全通信。對(duì) 于IPv4來說，IPsec安全協(xié)議只是可選字段，但是對(duì)于IPv6 來說，IPsec是必選字段，這樣大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

在IPv4-IPv6的不斷演進(jìn)的進(jìn)程中，IPv6協(xié)議提供了一 個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過對(duì)IPv6地址逐級(jí)細(xì)分規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備IPv6地址協(xié)議配置的不斷更新，它讓各種多樣化的終端更方 便的接入IP網(wǎng)，并且相比IPv4在終端的移動(dòng)性和安全性有了很 大改進(jìn)，最終將為物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用推廣帶來突破性飛躍。

2.2 IPv6組網(wǎng)方式

2.2.1 IPv4向IPv6的過渡技術(shù)

雖然IPv6技術(shù)能徹底解決IP地址枯竭的問題，但是由 于IPv4已經(jīng)得到大量的應(yīng)用，并且IPv6協(xié)議不能兼容IPv4 協(xié)議，IPv6網(wǎng)絡(luò)對(duì)于IPv4網(wǎng)絡(luò)不可能是簡(jiǎn)單的替換，因而需 要實(shí)現(xiàn)IPv4/IPv6長(zhǎng)期共存過程中的平穩(wěn)過渡。在該智能農(nóng)業(yè) 系統(tǒng)建設(shè)的過程中，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的IPv4/ IPv6過渡技術(shù)，進(jìn)行混合組網(wǎng)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)實(shí)施。如何實(shí) 現(xiàn)IPv4和IPv6的的無縫結(jié)合及平滑過渡成為下一代互聯(lián)網(wǎng)演 進(jìn)過程中的難點(diǎn)，各種過渡技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

NAT444

NAT444是IPv6過渡時(shí)期的重要技術(shù)，NAT444就是二 級(jí)NAT，CPE 一級(jí)的NAT44地址轉(zhuǎn)化(私網(wǎng)IPv4」——私網(wǎng) IPv4_2),網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(例如BRAS) 一級(jí)NAT44地址轉(zhuǎn)化(私 網(wǎng)IPv4_2——公網(wǎng)IPv4),共二級(jí)NAT地址轉(zhuǎn)化。NAT444 雖然擁有成熟可靠、部署簡(jiǎn)單以及節(jié)省投資等優(yōu)勢(shì)，但從長(zhǎng) 遠(yuǎn)來看，由于NAT技術(shù)不能從根本上解決地址短缺的問題, 而且會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，NAT444并不能推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)向 IPv6的演進(jìn)，因此是初期過渡方案。

公網(wǎng)雙棧

這是升級(jí)的BRAS設(shè)備，設(shè)備支持IPv4、IPv6雙棧，用 戶側(cè)無須進(jìn)行改造。BRAS設(shè)備為用戶分配公網(wǎng)IPv4地址和 IPv6地址。用戶訪問IPv4應(yīng)用時(shí)，采用BRAS分配的公網(wǎng) IPv4地址實(shí)現(xiàn)訪問。用戶訪問IPv6應(yīng)用時(shí)，采用BRAS分配 的IPv6地址實(shí)現(xiàn)訪問。

輕型雙棧(DS-Lite)

輕型雙?？赏ㄟ^IPv6隧道承載IPv4流量，要求終端、 網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)證等各個(gè)環(huán)境必須IPv6就緒，有效促進(jìn)IPv6推廣 和部署。相對(duì)于常規(guī)雙棧，DS-Lite在BRAS和家庭網(wǎng)關(guān)之間 只需啟用IPv6協(xié)議，分配IPv6地址，終端的IPv4地址由家 庭網(wǎng)關(guān)自行分配。訪問IPv4業(yè)務(wù)的流量在家庭網(wǎng)關(guān)出口封裝 到IPv6隧道中傳輸，在局端通過DS-Lite網(wǎng)關(guān)設(shè)備解封裝， 并對(duì)私有地址進(jìn)行NAT。訪問IPv6業(yè)務(wù)的流量在網(wǎng)絡(luò)中直 接轉(zhuǎn)發(fā)。運(yùn)營(yíng)商的BRAS無需為終端用戶規(guī)劃、部署和分配 IPv4地址，因此稱為輕型雙棧。

2.2.2 IPv4/IPv6混合組網(wǎng)實(shí)例及演進(jìn)方案

該地市新建的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)通新增視頻監(jiān)控設(shè)備及各類 傳感器，組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過無線接入的方式，由3G路 由器上傳至智能農(nóng)業(yè)采集機(jī)，采集機(jī)通過承載網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)至智 能系統(tǒng)農(nóng)業(yè)省中心平臺(tái)的應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)管理。

該智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采用部署IPv4 /IPv6的混合組網(wǎng)的應(yīng)用 解決方案。該方案主要從以下兩個(gè)技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)：

IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)終端

在IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)終端各類傳感器采集的數(shù)據(jù)通過 ZigBee無線傳輸模式上傳，ZigBee發(fā)送模塊將傳感器的采集 數(shù)據(jù)傳送到ZigBee邊緣網(wǎng)關(guān)，ZigBee網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳給IPv6 網(wǎng)關(guān)適配。IPv6邊緣網(wǎng)關(guān)將所有的底層設(shè)備進(jìn)行IPv6地址適 配并進(jìn)行協(xié)議棧適配，在IPv6網(wǎng)關(guān)上，配置了 IPv6/IPv4雙 棧協(xié)議，網(wǎng)關(guān)可以通過IPv6鏈路與平臺(tái)IPv6服務(wù)器通信，也 可以通過IPv4鏈路與平臺(tái)IPv4服務(wù)器通信。

承載網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，綜合分析 后，由于現(xiàn)階段智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還屬于發(fā)展初期，應(yīng)用 較為貧乏，因而目前該智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)承載網(wǎng)絡(luò)是采用雙協(xié)議棧 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)IPv4/IPv6混合組網(wǎng)方案，該方案主要是對(duì)原有 IPv4網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造，傳輸線路啟動(dòng)雙棧協(xié)議，IPv4/IPv6 共享網(wǎng)絡(luò)資源，IPv4和雙棧用戶共存，當(dāng)出現(xiàn)IPv6信息源時(shí), 雙棧用戶優(yōu)先使用IPv6。具體實(shí)施方案包括網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)設(shè) 施的升級(jí)支持和配置、各終端的升級(jí)支持及應(yīng)用系統(tǒng)的升級(jí) 支持，將終端側(cè)和業(yè)務(wù)側(cè)與智能農(nóng)業(yè)平臺(tái)相連的骨干網(wǎng)路由器， 該地市的出口路由器以及BRAS設(shè)備啟用雙棧協(xié)議，此外還需 要運(yùn)營(yíng)商將該鏈路各節(jié)點(diǎn)配好IPv6地址及路由表。具體的組 網(wǎng)情況如圖1所示。

(3) IPv4/IPv6 混合組網(wǎng)演進(jìn)方案

雖然該農(nóng)場(chǎng)采用的雙協(xié)議棧技術(shù)很好地解決了 IPv6的業(yè) 務(wù)，但是該技術(shù)依然需要消耗IPv4地址，不能解決IPv4地 址緊缺問題，隨著智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)終端數(shù)量逐漸增多，必 然會(huì)造成IPv4地址的緊張。而DS-Lite過渡技術(shù)運(yùn)營(yíng)商只需 要給用戶分配純IPv6地址，不需要消耗公網(wǎng)IPv4地址，DS- Lite 以IPv6為基礎(chǔ)，可以加速和推進(jìn)IPv6產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，是 智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中期階段的一種可選技術(shù)。

隨著智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)大規(guī)模的應(yīng)用以及各類 IPv6 應(yīng)用豐富后，由于業(yè)務(wù)終端的數(shù)量大規(guī)模的增加，流量達(dá)到一定量級(jí)，可以考慮新建一張 IPv6 網(wǎng)絡(luò)，原有 IPv4 網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為 IPv4/IPv6 雙棧網(wǎng)絡(luò)，新建網(wǎng)絡(luò)與原有網(wǎng)絡(luò)物理隔離。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，各類 IPv6 新增用戶或具有 IPv6 需求的用戶接入到新建的 IPv6 網(wǎng)絡(luò)中，新建的 IPv6 網(wǎng)絡(luò)只需支持 IPv6 的基礎(chǔ)路由協(xié)議和體系標(biāo)準(zhǔn)，滿足快速提供 IPv6 服務(wù)與業(yè)務(wù)的需求，IPv4/IPv6 雙棧網(wǎng)絡(luò)可以通過 IPv4/IPv6 骨干路由器訪問新建的純 IPv6 網(wǎng)絡(luò)，從而保持原有網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行。具體組網(wǎng)情況如圖 2 所示。

3 基于 IPv6 網(wǎng)絡(luò)在智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在 IPv6 技術(shù)的支持下，該農(nóng)場(chǎng)通過在大棚內(nèi)部署各類傳感裝置，時(shí)刻收集到農(nóng)作物生長(zhǎng)的各種環(huán)境變化。各類傳感器包括光照度傳感器、空氣溫濕度傳感器、土壤水分傳感器、空氣二氧化碳傳感器、土壤鹽分傳感器、光合有效傳感器，并投入使用水溫、水位、水 PH 值、水溶解氧傳感器。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過 ZigBee無線采集系統(tǒng)上傳至ZigBee 邊緣網(wǎng)關(guān)。ZigBee 邊緣網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳至 IPv6 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行 IPv6 地址適配。用戶可以在智能農(nóng)業(yè)中心平臺(tái)上或通過手機(jī)、計(jì)算機(jī)等終端查看現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù) ,并且在界面上可顯示實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的曲線圖。圖 3 所示是某農(nóng)場(chǎng)大棚傳感器采集的數(shù)據(jù)圖例。

3.2 智能農(nóng)業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

該農(nóng)場(chǎng)對(duì)大棚內(nèi)部署視頻傳感器（IPCam），用于采集大棚內(nèi)的視頻信號(hào)。同時(shí)，還部署無線控制器，一體化控制器?？刂破髋c控制設(shè)備相連，接收控制指令并輸出高低電平電壓 ；一體化控制器除具備控制器功能之外，還可以實(shí)現(xiàn)本地手動(dòng)/ 遠(yuǎn)程控制的模式切換，并有本地手動(dòng)控制按鈕，本地手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制二者互斥。智能農(nóng)業(yè)中心平臺(tái)通過控制器與農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)有的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)、天窗、遮陽布、外遮陽、水簾、灌溉設(shè)施等的控制。同時(shí)用戶也可以在權(quán)限范圍內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程的圖像訪問，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、在線、便捷的監(jiān)測(cè)。圖 4所示是其視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)界面。

5 總 結(jié)

基于 IPv6 技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)是未來社會(huì)發(fā)展的必然產(chǎn)物，本文以某地市建設(shè)的智能農(nóng)場(chǎng)為例，簡(jiǎn)單介紹了基于 IPv6 在智能農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的功能實(shí)現(xiàn)，分析了 IPv6 的過渡技術(shù)及具體組網(wǎng)方案。通過分析可以得出對(duì)于未來 IPv6 技術(shù)的大規(guī)模的應(yīng)用還有很多工作要做，需要各個(gè)設(shè)備生產(chǎn)商、電信運(yùn)營(yíng)商、IT 企業(yè)、技術(shù)支持部門等多方面的配合，最終實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)在 IPv6 平臺(tái)上的承載。

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