摘要：文章以 OpenStack 云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，以物理服務(wù)器上部署的農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺為依托，根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)季節(jié)性、周期性，將部署在物理服務(wù)器上的農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺遷移到基于 OpenStack 云計(jì)算的平臺上，實(shí)現(xiàn)彈性計(jì)算。把數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)保存到OpenStack云計(jì)算平臺上，通過數(shù)據(jù)分析引擎對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)提供決策和支持。

關(guān)鍵詞：OpenStack；云計(jì)算技術(shù)；農(nóng)業(yè)信息化；服務(wù)平臺；彈性計(jì)算

中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，但與美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家相比，還不是一個(gè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國。從農(nóng)業(yè)大國向農(nóng)業(yè)強(qiáng)國跨步邁進(jìn)的過程中，農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)將會給農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來巨大的推動力，對其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也具有十分重要的促進(jìn)意義，因此，農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)必將成為我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重中之重，也將是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分^［1］。農(nóng)業(yè)信息化是指以現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)和手段，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的信息進(jìn)行加工和處理，繼而提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，在現(xiàn)代社會發(fā)揮著越來越重要的作用 ^［2］。

1 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺存在的問題

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺一般安裝于Windows操作系統(tǒng)或Linux操作系統(tǒng)上，采用 Browser/Server 或者 Client/server架構(gòu)。訪問農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺時(shí)，用戶使用瀏覽器或客戶端軟件進(jìn)行訪問，這種方式存在以下問題。

1.1 靈活性差

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受自然環(huán)境和地理環(huán)境影響，具有季節(jié)性和周期性的特點(diǎn)，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對IT 資源的需求也呈現(xiàn)較大的彈性波動。而物理服務(wù)器在資源調(diào)配和擴(kuò)展時(shí)靈活性較低，難以快速適應(yīng)業(yè)務(wù)彈性需求的變化。

1.2 可靠性不高

物理服務(wù)器可能存在單點(diǎn)故障的問題，如果沒有適當(dāng)?shù)娜哂嗯渲?，一旦物理服?wù)器發(fā)生故障，可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺長時(shí)間不能被使用。

1.3 故障恢復(fù)時(shí)間長

物理服務(wù)器在面臨系統(tǒng)故障時(shí)，恢復(fù)起來需要很長時(shí)間，導(dǎo)致業(yè)務(wù)系統(tǒng)長時(shí)間不能被使用。

1.4 安全性挑戰(zhàn)

物理服務(wù)器需要企業(yè)自行維護(hù)安全措施，包括防火墻、入侵檢測系統(tǒng)、審計(jì)等，這需要專業(yè)的知識和持續(xù)性的監(jiān)控。

1.5 資源利用率低

物理服務(wù)器硬件配置過高，超出了實(shí)際工作負(fù)載的需求，無法充分利用其所有硬件資源，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

2 云計(jì)算和OpenStack

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)已進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)環(huán)節(jié)。在農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源、提高農(nóng)產(chǎn)品市場競爭力、改善農(nóng)民生活、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)管理和服務(wù)成為農(nóng)業(yè)信息化研究的重點(diǎn)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)深度融合已成為一個(gè)熱門研究重點(diǎn)。

云計(jì)算是由虛擬化、網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算等技術(shù)結(jié)合應(yīng)用發(fā)展而來的。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)研究院給出的定義，云計(jì)算是一種用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)訪問，以按需付費(fèi)的、便捷的、自助的方式獲取計(jì)算資源（如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用軟件和服務(wù)等），這些資源來自一個(gè)共享的、可自定義配置的虛擬資源池，用戶能夠通過最小的管理代價(jià)或者與服務(wù)提供方快速交互地獲取和釋放。^［3-4］。

OpenStack是一個(gè)開源的云計(jì)算平臺，主要用于構(gòu)建和管理公有云或私有云環(huán)境。它由多個(gè)模塊組成，提供計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，可以幫助企業(yè)和組織實(shí)現(xiàn)資源的虛擬化和自動化管理。OpenStack目標(biāo)是提供實(shí)施簡單、可大規(guī)模擴(kuò)展、豐富、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的云計(jì)算管理平臺^［5］。

3 基于OpenStack云計(jì)算技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺

鑒于OpenStack 具備開源、免費(fèi)及易于部署等多個(gè)優(yōu)勢，根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的周期性、季節(jié)性以及對計(jì)算資源需求的不同特點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)業(yè)信息化的需求，本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于OpenStack云計(jì)算技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺。該平臺由物理層、OpenStack 云計(jì)算基礎(chǔ)層、OpenStack云計(jì)算管理層、OpenStack云計(jì)算用戶層4個(gè)部分組成。

3.1 物理層

物理層數(shù)據(jù)采集設(shè)備由傳感器、圖像視頻采集設(shè)備和檢測儀器等設(shè)備組成。土壤濕度傳感器均勻地部署于土壤中，用于測量土壤水分含量，根據(jù)設(shè)置的閾值結(jié)合決策系統(tǒng)智能地判斷灌溉澆水程度，以保證農(nóng)作物健康成長所需的水分供應(yīng)。溫度傳感器和濕度傳感器用于監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境的溫度和濕度，根據(jù)檢測結(jié)果決定是否要對農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)作物進(jìn)行溫度和濕度調(diào)控。水質(zhì)傳感器用于監(jiān)測水源質(zhì)量，檢測水中各種物理、化學(xué)和生物特性，用于評估河流、湖泊、水井、泉水水質(zhì)，確保灌溉和家畜飲用水的安全，同時(shí)幫助決策者和管理者采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀Ｗo(hù)水資源。光譜傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測作物健康狀況、土壤營養(yǎng)成分、植物水分含量等，從而更好地確定作物的健康狀況、生長階段、土壤和環(huán)境條件。根據(jù)作物的營養(yǎng)需求和生長狀況，光譜傳感器可以幫助農(nóng)民精確地控制施肥和灌溉，避免資源浪費(fèi)并提高農(nóng)作物產(chǎn)量。智能攝像頭等圖像視頻采集設(shè)備采集田間地頭的實(shí)時(shí)圖像，通過高分辨率圖像監(jiān)測農(nóng)田的整體狀況并記錄農(nóng)作物生長軌跡，同時(shí)通過圖像分析檢測到的農(nóng)作物的病蟲害情況。檢測儀器對農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留、重金屬、水分含量、食品質(zhì)量、微生物、農(nóng)產(chǎn)品色澤等進(jìn)行檢測，確保農(nóng)產(chǎn)品符合安全標(biāo)準(zhǔn)，避免最終對消費(fèi)者造成健康危害。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過傳感器、監(jiān)控設(shè)備和檢測儀器收集原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用于農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化實(shí)施、農(nóng)作物健康檢測、農(nóng)作物生長自動化控制、食品安全控制等，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。采集到的數(shù)據(jù)會被傳輸并保存到OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層，通過數(shù)據(jù)分析引擎對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘其有用的信息，為實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)提供決策和管理。

3.2 OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層

OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層硬件由一系列服務(wù)器組成，服務(wù)器擔(dān)任控制節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在資源不足的情況下，控制節(jié)點(diǎn)安裝Nova計(jì)算服務(wù)后也可轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算節(jié)點(diǎn)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大資源的使用范圍。控制節(jié)點(diǎn)是OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層的核心，主要負(fù)責(zé)管理OpenStack系統(tǒng)并控制整個(gè)云計(jì)算平臺的運(yùn)行。計(jì)算節(jié)點(diǎn)是OpenStack中計(jì)算資源提供者，主要功能是用于創(chuàng)建云主機(jī)并把云主機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)。這些云主機(jī)用于保存和處理數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供的數(shù)據(jù)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與自然環(huán)境、氣候和地理?xiàng)l件息息相關(guān)，設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)周期與農(nóng)作物的生長周期基本一致，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對不同類型的 IT 資源的需求呈現(xiàn)出較大的彈性波動。在農(nóng)作物生長期間，是采集土壤、水文、氣象、農(nóng)作物等數(shù)據(jù)的關(guān)鍵時(shí)期，需要較多計(jì)算資源；而在農(nóng)作物收獲期間，對數(shù)據(jù)的采集則沒有生產(chǎn)期間那么頻繁。OpenStack云計(jì)算技術(shù)能夠根據(jù)農(nóng)作物生產(chǎn)的季節(jié)性和周期性來實(shí)現(xiàn)彈性計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)自動擴(kuò)展或縮小資源來滿足業(yè)務(wù)平峰時(shí)計(jì)算資源不被浪費(fèi)，業(yè)務(wù)高峰時(shí)計(jì)算資源能夠自動擴(kuò)展。

OpenStack 是一個(gè)開源的云計(jì)算管理平臺項(xiàng)目，它由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)不同的功能。其中，Nova提供計(jì)算服務(wù)，負(fù)責(zé)管理云主機(jī)生命周期。Neutron提供網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，包括虛擬網(wǎng)絡(luò)、子網(wǎng)、路由器、浮動IP等。Swift用于存儲和檢索大量靜態(tài)數(shù)據(jù)，它是一個(gè)開源的對象存儲系統(tǒng)，用于存儲和檢索大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，能提供高可用、可擴(kuò)展且可靠的對象存儲解決方案，適用于歸檔、大數(shù)據(jù)分析和多媒體內(nèi)容交付。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)既可以存放在云主機(jī)中，也可以存放在Swift對象存儲中。Cinder提供塊存儲服務(wù)和持久化塊存儲資源，可以附加到云主機(jī)上。Glance提供鏡像服務(wù)，用于存儲和檢索云主機(jī)鏡像。Keystone提供身份服務(wù)，包括身份驗(yàn)證、授權(quán)和服務(wù)的目錄。Horizon提供儀表板服務(wù)和基于Web的用戶界面，用于管理OpenStack資源。Heat提供編排服務(wù)，允許用戶通過模板定義和協(xié)調(diào)云資源的集合。Ceilometer提供監(jiān)控和計(jì)量服務(wù)，用于收集OpenStack中資源的使用數(shù)據(jù)。

OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層采用OpenStack Train版本。在搭建之前，須進(jìn)行一定的規(guī)劃和準(zhǔn)備，以保障OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層能支持用戶、虛擬機(jī)、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)量。硬件的規(guī)劃須確定合適的服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在所有的服務(wù)器上安裝操作系統(tǒng)后，配置靜態(tài)IP地址、主機(jī)名和域名；在控制節(jié)點(diǎn)上安裝并配置Keystone 認(rèn)證模塊、Glance鏡像模塊、Nova 計(jì)算模塊、Neutron網(wǎng)絡(luò)模塊、Dashboard界面模塊、Cinder塊存儲模塊、Swift對象存儲模塊、Ceilometer監(jiān)控模塊和Heat編排模塊；在計(jì)算節(jié)點(diǎn)上安裝并配置Nova計(jì)算模塊、Neutron網(wǎng)絡(luò)模塊、Dashboard界面模塊、Cinder塊存儲模塊、Swift對象存儲模塊、Ceilometer 監(jiān)控模塊和Heat編排模塊。OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層常用模塊安裝好后，須構(gòu)建內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)并安裝、配置路由器，使得內(nèi)外部網(wǎng)絡(luò)通過路由器建立連接。最后，在OpenStack云計(jì)算平臺上創(chuàng)建云主機(jī)，把數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)保存在云主機(jī)或者Swift對象存儲中。為應(yīng)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中IT 資源需求出現(xiàn)較大的彈性波動，使用 Heat 編排服務(wù)定義應(yīng)用程序和基礎(chǔ)設(shè)施的模板。配置Ceilometer監(jiān)控工具來收集指標(biāo)并根據(jù)這些指標(biāo)設(shè)置觸發(fā)自動伸縮條件，使用heat和Ceilometer監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源和存儲資源的自動擴(kuò)展與縮小。

OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層可以存儲和處理各種農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括傳感器數(shù)據(jù)、氣象信息、圖像數(shù)據(jù)、視頻文件以及檢測結(jié)果等，以結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化形式存儲在OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層上。OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層通過冗余和負(fù)載均衡技術(shù)來應(yīng)對硬件故障和高流量訪問，以確保平臺數(shù)據(jù)始終能夠被實(shí)時(shí)讀寫。OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層具有極高的可擴(kuò)展性，通過添加更多的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，線性地增加資源，來處理更多的用戶和工作負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)水平擴(kuò)展。通過增強(qiáng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件能力（如增加CPU、內(nèi)存、存儲）來提升性能，以實(shí)現(xiàn)垂直擴(kuò)展。通過橫向和縱向擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)自動彈性擴(kuò)展，以應(yīng)對日益增長的數(shù)據(jù)需求。OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層具備極高的可靠性，通過定期的數(shù)據(jù)備份，能夠有效防止數(shù)據(jù)的丟失或損壞，從而確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。通過身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密、門禁、入侵檢測、審核，防止未經(jīng)授權(quán)的人員訪問敏感農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)。

OpenStack 云計(jì)算基礎(chǔ)層是農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺的基礎(chǔ)平臺，能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者、農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理者、政府部門和農(nóng)業(yè)科研人員提供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲，從而為農(nóng)業(yè)實(shí)踐和決策提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 OpenStack云計(jì)算管理層

OpenStack云計(jì)算管理層具有數(shù)據(jù)分析引擎功能，是農(nóng)業(yè)信息服務(wù)平臺分析和處理農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的核心平臺，它通過刪除無效數(shù)據(jù)、填補(bǔ)缺失值、糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)、刪除重復(fù)數(shù)據(jù)等方法預(yù)處理采集到的原始數(shù)據(jù)，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時(shí)，對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，從而提供更加全面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息。OpenStack云計(jì)算管理層利用統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等多種大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，挖掘農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的有用信息，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)機(jī)、農(nóng)產(chǎn)品檢測、病蟲害預(yù)測、水資源管理、市場分析預(yù)測等功能提供數(shù)據(jù)支撐。而且，能夠處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，為農(nóng)業(yè)勞動者、研究人員和決策者提供更有效的農(nóng)業(yè)實(shí)踐、資源管理和政策決策等方面的建議及信息^［6］。由此可見，OpenStack云計(jì)算管理層的應(yīng)用對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源分配、增強(qiáng)市場競爭力以及促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

3.4 OpenStack云計(jì)算用戶層

OpenStack云計(jì)算用戶層具有用戶界面的功能，是農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺的前端部分，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與平臺的互動交流，具有農(nóng)業(yè)決策支持、農(nóng)業(yè)信息化管理和數(shù)據(jù)可視化的功能。OpenStack云計(jì)算用戶層通過圖標(biāo)、圖形、地圖、表格、儀表盤、時(shí)間序列等方式可視化地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，使用戶能夠更容易地理解和解釋數(shù)據(jù)，更加直觀和準(zhǔn)確地監(jiān)控農(nóng)田和農(nóng)作物的生長狀態(tài)。用戶界面具有決策系統(tǒng)，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果制定智能決策，幫助用戶提高決策的質(zhì)量和效率。同時(shí)，能夠創(chuàng)建和管理計(jì)劃，從而提高農(nóng)場運(yùn)營效率。OpenStack云計(jì)算用戶層可以設(shè)置閾值，一旦平臺中的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值，可以通過短信或者App向用戶發(fā)送通知和警告，提醒用戶注意突發(fā)事件。

4 結(jié)語

基于OpenStack云計(jì)算技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺能夠解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)平臺中存在的靈活性差、可靠性不高、故障恢復(fù)時(shí)間長、資源利用率低等問題，該平臺能有效促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的深度融合，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化水平，為農(nóng)業(yè)工作者提供高效的農(nóng)業(yè)實(shí)踐和決策。OpenStack云計(jì)算基礎(chǔ)層能夠彈性存儲和處理農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析引擎利用各種大數(shù)據(jù)技術(shù)從大量的數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供決策和幫助；用戶界面能夠?qū)崿F(xiàn)用戶與平臺的互動交流，對農(nóng)業(yè)決策支持、農(nóng)業(yè)信息化管理和數(shù)據(jù)可視化起到積極的支撐作用。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Design and implementation of agricultural information service platform based on OpenStack cloud computing technology

YANG Jianbing^1，2， WANG Dong^1，2， CHEN Lili^1，2

（1.Nantong College of Science and Technology， Nantong 226007， China;

2.Jiangsu Province Engineering Research Center of Agricultural and Rural Pollution Prevention Technology and Equipment， Nantong 226007， China）

Abstract：The article is based on OpenStack cloud computing technology， using an agricultural information service platform deployed on physical servers. Considering the seasonality and cyclical nature of agricultural product production， the platform is migrated to an OpenStack-based cloud computing platform for elastic computing. Data from collection devices is stored on this platform， analyzed by an analysis engine， and used to support smart agriculture.

Key words：OpenStack; cloud computing technology; agricultural informatization; service platform; elastic calculation