精准农业信息物理融合系统的事件模型研究

　　摘要:信息物理融合系统(CPS)具有严格的实时性和空间约束，根据其事件驱动性，对CPS时空事件模型进行了描述，并依据精准农业的特点对CPS体系结构中的组成部件(物理世界、传感器、计算(控制)单元、执行器、计时器)建立了时空事件模型，并以精准农业大棚的洒水事件闭环过程为例对每一部件进行了分析，证明这些事件模型可以用于精准农业中的基本事件。

　　关键词:精准农业信息物理融合系统事件模型时空特性

　　引言

　　信息物理融合系统(Cyber-physicalsystem，CPS)是计算、通信与控制技术的有机与深度融合，实现计算资源与物理资源的紧密结合与协调的下一代智能系统［1］。CPS中关键问题的攻克，能够有力地支持物联网技术的深入应用。

　　1相关研究工作

　　CPS系统涉及物理世界和信息世界之间的密切相互作用，一个世界的某些变化必定会在另一个世界以时间敏感或空间敏感的方式反映出来。把所关注的状态称为“事件”，把监测到事件后期望的预定义的操作称为“行为”。因此，每一个CPS任务都可以表示为“事件—行为”。

　　2CPS时空事件模型描述

　　许多学者都给出过“事件”的定义。WordNet中给出了很宽泛的“事件”定义:在特定地点和时间发生的某件事。一些语言学家给出了事件及其语义结构的定义，常包括目的、时间和外在条件［15］。事件这一概念虽然仍在探讨中，但一般认为:事件不仅是时空目标状态开始或终结的标志，而且还表示状态变化的原因［16］。Ying等对时空事件模型进行了定义和分析［10，12］，本文在其研究的基础上对时空事件的定义等进行综合和改进。

　　3面向精准农业应用的CPS事件建模

　　精准农业技术是基于农田内部小区作物生长环境时空差异性，实施精准变量投入，实现作物生产的检测和控制［17］。精准农业应用的典型CPS体系结构中可以分为5类组件，即物理世界、传感器、计算(控制)单元、执行器和计时器，如图1所示［18］，下面就每一部分进行具体的事件建模分析。

　　3.1物理世界的事件建模

　　在物理世界中，物理实体和物理环境都可以看作是物理世界中的对象，称为物理对象。精准农业中物理实体包括各种植被、作物、病虫草害和农机具等，物理环境包括大气、土壤、阳光等。不管物理实体还是物理环境都应该具备以下几个特征:①拥有唯一的标识，以区别其他物理实体或物理环境。②拥有一定的物理属性，对物理世界中所有属性的一个赋值，认为是物理世界的一个状态。③允许被感知和改变，即属性值可通过主动或被动的方式由传感器获取，并且可通过执行器来改变。

　　3.2传感器的事件建模

　　农田信息采集是精准农业的关键技术，传感器是最主要的信息采集设备。每种传感器通常只涉及同一类的物理对象，它们按照一定的时间频率获取或发送所感知的数据。

　　3.3计算(控制)单元的事件建模

　　农田信息管理和分析并进行决策是精准农业实施的关键步骤，计算(控制)单元负责对目标监测区域发出各项环境指标的查询请求命令，并对收集上来的数据进行分析处理，然后进行决策分析，最后以系统输出的形式反馈给执行器执行。精准农业CPS被用来监测和控制物理环境时，需要大量的数据在传感器和执行器间传递，尤其是大面积的数据检测，可以把CPS的计算单元作分布式部署，分步把监测到的数据转换成信息进行处理，与执行器通过网络化分别实现协同决策与协同控制，再设置一个最高级别的总控制单元来管理分布的计算控制单元［20］。

　　4案例分析

　　以农业大学农业实验大棚中50m×15m的区域作为试验田，布置6个土壤温湿度传感器、6个大气温湿度传感器、2个光照传感器，土壤微量元素含量测定于采样后在实验室进行，所以没有布置土壤养分传感器。拓扑图如图2所示。

　　6个土壤温湿度传感器用A1～A6来表示，6个大气温湿度传感器用B1～B6来表示，2个光照传感器用C1和C2来表示。整个试验田被平均分成6个区域，从左上到右下依次为Ｒ1～Ｒ6，每个温湿度传感器位于每片区域的中心。以洒水事件为例对事件模型进行详细分析，其他事件模型与此类似。

　　5结束语

　　本文依据CPS的事件驱动性，根据精准农业的特征在已有研究的基础上对精准农业CPS时空事件模型进行了初探，并在分析CPS体系结构的基础上，对每一个组成部分分别进行事件模型研究。本事件模型不仅可以捕捉在分布式和异构的环境中有关事件的基本信息，也说明事件可以由信息和物理领域中不同的组件和设备构成，有利于整个系统的实现。但是模型建立中没有考虑特殊情况，如某个传感器的损坏或电力耗尽，天窗、风扇、喷水器或暖气开关的损坏，大规模的农业数据进入计算控制单元造成的数据处理减缓或失败，需要进一步优化事件模型。从实际应用的层面看，文中的CPS模型还没能够优化解决农业智能化环节的具体问题，需要制定相应的规则，它的应用方法还有待进一步深入研究和探索。

　　参考文献

　　1ＲajkumarＲ，LeeI，ShaL，etal．Cyberphysicalsystems:thenextcomputingrevolution［C］∥Proceedingsofthe47thDesignAutomationConference，DAC2010，2010:731－736．

　　2LeeEA．Cyberphysicalsystems:designchallenges［C］∥200811thIEEEInternationalSymposiumonObjectOrientedＲeal-TimeDistributedComputing(ISOＲC)，2008:363－369．

　　3WangYunbo，VuranMehmetC，GoddardS．Cyber-physicalsystemsinindustrialprocesscontrol［J］．ACMSIGBEDＲeview，2008，5(1):1－2．

　　4McCarthyD，DayalU．Thearchitectureofanactivedatabasemanagementsystem［J］．SIGMODＲecord，1989，18(2):215－224．

　　5ChakravarthyS．Sentinel:anobject-orientedDBMSwithevent-basedrules［J］．SIGMODＲecord，1997，26(2):572－575．

　　6GatziuS，DittrichKＲ．Detectingcompositeeventsinactivedatabasesystemsusingpetrinets［C］∥ＲIDS’94:Proceedingsofthe4thInternationalWorkshoponActiveDatabaseSystems，1994:2－9．

　　聂娟1，2孙瑞志1曹振丽3邓雪峰1杨昊4

《精准农业信息物理融合系统的事件模型研究》

上一篇：精准农业教学问题分析与改革探究

下一篇：玉米收割机开发现状与长远意义探析