基于物联网的农村信息化应用解决方案

【摘要】文章提出了一种基于TD-SCDMA第三代移动通信网的物联网解决方案，可提供灾害预警、远程交互诊断、多媒体信息以及农产品溯源等农村信息化服务。该方案适合于大范围联网，结合TD-SCDMA的高带宽、b_T行时隙灵活配比等关键技术，可较好地满足各类农村信息化应用需求。

【关键词】物联网农村信息化灾害预警远程交互诊断农产品溯源

1　引言

“物联网”是近几年最为流行的词汇，世界主要经济体均视物联网为“以科技创新改变本国经济和社会发展结构、提升国家竞争优势、应对金融危机”的工具，一致确定物联网是未来下一代信息化领域发展的战略制高点。

我国“十二五”规划也将物联网确定为新兴战略产业之一，从政府、企业界到学术界都对物联网颇为关注并投入了足够的资源。可以看出，物联网技术及其应用面临难得的历史机遇。物联网技术的价值，必定需依附于应用场景来体现，也就是说在特定行业的应用将为物联网技术提供展示的舞台。本文就物联网技术在农村信息化领域的应用方案进行了综述，并就其未来的发展方向进行了展望。

2　物联网的应用现状

物联网就是“物物相连的互联网”。国际电信联盟(ITU)《1TU互联网报告2005：物联网》报告指出，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RFID、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。美国IBM提出的“智慧地球”概念指出，将感应器嵌入电网、铁路、公路、建筑等各种物体中，并且通过现有网络链接，形成物联网。虽然不同实体对物联网的定义有差异，但其本质是相同的，主要体现在两点：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。

物联网的发展过程其实是整个社会信息化的过程，需要政府、企业等多方面推动。尽管物联网已迎来战略发展机遇期，但其发展需要跨过众多门槛。物联网发展面临的机遇与挑战如下：

(1)信息流转的不同层面如何有机地结合在一起

典型的物联网应用包含“传感层、传输层、信息处理层”，与“物”直接相连的是传感层，就是我们通常说的传感网。传输层要解决从传感网获取信息的流转问题，就目前的技术而言，互联网是首选。而基于固定网络的Inte rnet在接入层面存在着灵活性欠佳的不足，因此移动互联网势必成为传输层的发展方向。信息处理层将作为信息处理的中枢。三个层面的有机结合将是发展物联网应用的关键之一。

(2)标准不统一

物联网应用领域面临的主要问题是标准化。目前RFID，WSN等技术领域还没有一套完整的国际标准，各厂家的设备往往不能实现互操作，这是制约物联网应用推广的一个问题。

3　基于物联网技术的农村信息化解决方案

目前我国农业处于迅速发展期，加快农业信息化建设，是衔接小农户与大市场的重要手段，是提升农业装备水平和科技含量的重要途径。

2GHz TD-SCDMA移动通信网是我国自有知识产权的第三代移动通信系统，相比第二代系统，TD技术具有更好的传输带宽，同时它具备灵活的上下行时隙配置能力，可以灵活地分配无线资源，为不同的业务需求提供服务。TD网络“自由移动、高带宽、灵活配置资源”的能力，正好可以满足农业生产信息化的需求。

下文提出了一种基于TD-SCDMA的物联网解决方案，为农村提供灾害预警、远程交互诊断、多媒体信息和农产品溯源服务。

如图1所示，本方案主要由接入层、传输层和应用层组成。

无线传感网在农村试验区域进行部署，与农田中部署的大量传感器相连，传感器的主要任务是从农田、大棚中采集温度、湿度、二氧化碳浓度、土壤含水量以及通过现场摄像设备采集的视频等信息，然后通过传感网进行汇总。考虑到试验区的范围较大，传感网采用基于Ziqbee技术的网络组网方案。在试验区内设定一台主控设备，该主控设备与TD-SCDMA数据传输模块直接相连，传感网的数据可以通过该主控结点接入TD-SCDMA无线接入网。当所需覆盖的农田面积超过了255个传感器可以覆盖的面积时，还可以通过网络协调器进行连接，从而支持超过64000个Zigbee网络节点。

TD-SCDMA为农村信息化应用提供了良好的传输通道，传感网采集的农田基础信息可以通过无线网传送到信息处理服务器。从而节省了传输层面的网络建设费用。TD-SCDMA移动通信网具有大范围联网的特征，支持灵活的上下行时隙配比设置，可以为上行业务提供更多的传输通路，因此该技术较适合于上下行业务量不对称的应用。而农业基础信息的上传业务属于典型的上下行不对称业务。

TD-SCDMA无线接入网可以通过移动互联网直接接入应用服务器，从而完成信息处理层的主要功能。本方案将为用户提供四种基础业务：农业灾害预警、远程交互诊断、多媒体信息以及农产品溯源。信息处理层设置一个通用服务平台，提供业务的统一接入，应用平台将不同的业务接入各自的业务系统。

该方案综合使用了无线传感网、第三代移动通信系统、移动互联网等关键技术，构建了一套完整的农村信息化物联网解决方案。

本方案为用户主要提供下列业务：

(1)灾害预警类业务

依托TD-SCDMA与农业灾害防治信息库相连，结合灾害多媒体信息采集技术、GIS、GPS以及数字化视频监控系统等信息技术手段，全面反映该地区的农业生产环境质量情况和灾害发生发展趋势，构建旱灾、病害灾短期、中期和长期预警系统。

(2)远程交互诊断类业务

该业务主要为农户、农技专家提供互相沟通的桥梁TD用户可通过TD终端接入后台农业专家的服务现场，接受专家提供技术咨询。可实现专家与专家之间、专家与现场之间视频会话交互、历史视频的调度、多用户会话顺序的控制以及决策信息的融合处理与发送，增强远程诊断的可视性，从而更加有效地共享远程专家资源。

(3)多媒体信息类业务

信息类业务内置智能化搜索引擎，以现场直播或节目轮播的形式，发送到分布各地的TD-SCDMA终端，实现节目的本地点播和离线交流，可为农村用户提供全方位、多层次、个性化的远程视频信息类农业生产培训服务。

(4)农产品溯源业务

该业务通过多媒体信息采集终端快速采集农产品视频和生产履历信息，并通过TD-SCDMA网络实时上传信息到农产品溯源应用系统。消费者可使用TD-SCDMA终端设备输入产品追溯码查询有关的信息。

(1)可实现全国大范围联网

农田环境数量庞大，且实际情况各不相同，但是共同点都是不具备方便的固定接入能力，而移动通信网在这种环境下可以提供数平方公里到几十平方公里的通信 网覆盖，解决了特殊地形(如跨越河流、丘陵、茂密植被)的网络覆盖。

中国移动的TD-SCDMA已经实现了全国联网，用户可以在任意地点方便地接入统一的后台服务器，便于应用的集成和应用的分发。

(2)建设成本低

中国移动已经建成并投入运营了全国性的TD―SCDMA网络，无需新建有线传输网络，只需将大田、手持等终端设备通过TD-SCDMA模块连入TD-SCDMA网络，即可实现整个系统的互联互通。其中农民只需投入无线传感网、TD-SCDMA模块及通信相关费用。

(3)TD-SCDMA具有较高的带宽，支持丰富的数据业务

TD-SCDMA通信网络具备高速业务接入能力，可以为系统提供足够的上下行带宽，在R5版本，理论峰值的终端数据下载速率能够达到1.6Mbps，目前现网已升级为HSDPA，理论峰值的终端下载速率能够达到2，8Mbps。后期网络可通过升级到HSUPA获得更高的带宽，可以满足更为丰富的农村信息化应用。

(4)灵活的时隙配比，适应不同的上下行业务需求

TD-SCDMA的时隙配比非常灵活，在网络侧，可对每载频的时隙配比进行修改，满足不同的上下行业务需求，使网络更适合该农田数据传输的实际要求.

(1)无线传感网组网

本方案的感知层采用基于zigBee传感网的组网方式，依据现场条件可以采用星形组网或网状拓扑结构组网。方案中采用的传感器主要是温湿度、二氧化碳传感器等环境监测类传感器结点。每一个传感器的采集数据量很小，可设置数据采集采用轮训方式，主控结点收集一次数据后再统一接入TD-SCDMA网络。

以一个TD-SCDMA小区为例，在农村通常的覆盖范围为2km。那么以200m为间隔部署一个传感器来计算，大概需要1 30个传感器。假设每一个传感器每次采集数据后传送的数据量为50个字节，每1个小时完成一轮采集，同时将数据汇总到主控结点，那么一轮的信息量为6.5kB。目前TD的上行平均速率为134.4kbit／s，完全能够满足传感器的数据承载需求。

(2)业务能力分析

试验区内的TD基站采用3／3／3配置，上下行时隙采用2：4配比，下行3个时隙配置为HSDPAI寸隙。R4单时隙空口峰值速率为128kbit／s，考虑开销，第二个上行时隙为64Kbit／s，那两个上行时隙的峰值速率合为192kbit／s，假设实际性能有70％的折损，上行带宽实际为134.4Kbit／s

HSDPA时隙单时隙空口峰值速率为563.2kbit／s，三个HSDPA时隙峰值速率约为1，68Mbit／s，另外一个R4的下行时隙为128kbit／s，那么下行四个时隙的峰值速率合计为1.8Mbit／s，考虑性能折损率为70％，所以下行带宽实际为1.2Mbit／s。

同时在线用户数是衡量设备和方案能力的常用指标，指在TD-SCDMA的一个调度周期(20ms)内可以同时发起业务的最大用户数。本文基于试验区基站的配置情况对不同承载业务的同时在线用户数进行了估算，详见表1。

4　总结及展望

文章提出了一种基于TD-SCDMA第三代移动通信网的物联网解决方案，该方案为农村信息化服务提供了良好支撑。无线传感网与移动互联网的有机结合为挖掘物联网的行业应用做了有益的探索。无线传感网灵活部署的特点适合于农田大范围部署、TD-SCDMA网络可以为传感网的数据提供灵活的无线接入。因此，通过移动互联网接入应用平台可以为用户提供多种类型的农业信息化服务。

该方案还有待进一步完善和深入，例如：如何实现无线传感网与TD-SCDMA的容量均衡?如何为用户提供更为丰富、灵活的农村信息化业务?

总之，目前物联网的发展还处于初级阶段，其主要应用仍然会是数据采集应用的扩展，短期内很难实现“物与物对话”，要大范围地应用到各个行业还要走较长的路。