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基于IPv6的大田种植监控在智慧农业物联网中的应用研

2020-06-28 | 所属栏目: 来稿选登 | 阅读次数:

作者：尹华国邹承俊张清峰本文字数：2460
　　[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。

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