信息物理系统事件驱动下的农业气象监测系统
丁承君1， 刘 强1,2， 田军强1， 朱雪宏1,2
【摘 要】摘要： 针对传统农业气象观测和当前传感器技术存在的不足，设计了一套基于信息物理系统(Cyber-physical system，CPS)的气象远程监测系统。针对信息物理系统时空特性，基于节点事件驱动方法，建立了3层信息物理系统模型，并给出了时空事件建模方法。该系统由边缘设备负责感知，云平台负责计算，通过事件-行为模式保证时空同步性，实现了气象信息采集、传输和处理的高度集成，同时在网络边缘处应用卷积神经网络实现设备电量识别以自适应采集频率。通过在河北工业大学测试点开展的采集试验和系统模型试运行结果表明，系统表现出较好的实时性、稳定性和时空同步性，农业气象信息的采集、传输、处理和远程监控等各项功能均可满足各级用户需求。 【期刊名称】江苏农业学报 【年(卷),期】2018(034)004 【总页数】10
【关键词】 信息物理系统； 农业气象； 事件驱动； 边缘设备； MQTT协议； 卷积神经网络
丁承君，刘 强，田军强，等. 信息物理系统事件驱动下的农业气象监测系统[J].江苏农业学报，2018，34(4)：825-834.
基金项目：天津市科技支撑计划项目(15ZXHLGX00210)；天津市产学研合作项目(14ZCZDSF00025)；天津市“863”成果转化项目(14RCHZGX00862) 中国是一个农业大国，而每年因气象因素带来的农业损失高达数百亿元[1]，气象观测预测系统在农业防灾减灾、农事生产活动中发挥重要作用。农业气象观
测大致可以分为传统农业气象观测和基于传感器技术的农业气象自动观测两种方法[2]，而从整体上看，中国农业气象观测仍以人工观测为主[3]，总体技术落后，主要表现在：①观测站点密度低；②观测项目种类少；③观测频率低；④观测误差较大。
目前国内外在智能监控系统相关方面的研究主要分为以下几种类型：1)基于单片机的控制系统[4]：它使用传感器实现气象参数的采集，并将信号送入单片机简单处理后通过执行器改变物理环境。这类控制系统受到单片机的运算能力限制，无法给出最优化的控制策略。2)基于虚拟仪器的监控系统[5-6]：它通过下位机进行感知，并将感知数据全部发送至上位机，由上位机的专家系统决策后给出控制指令至下位机。3)基于物联网架构的气象监测系统[7-9]。该类系统通过感知、传输、计算融合物理世界和信息世界，并给出控制策略。上述 3 类控制系统基本实现了气象环境的监测与控制，但由于系统未考虑感知信息和控制信息的时空属性，使得控制较为滞后，精度较低，能耗较高。
信息物理系统(Cyber-physical system，CPS)是通过计算、通信以及控制技术将信息世界与物理世界融为一体的新一代智能系统[10]。相比于物联网系统，CPS系统更注重物理进程和信息进程在时空状态上的同步性，这种特性要求CPS独特的建模方法能够应用于离散、非线性物理系统。
在CPS相关的模型研究方面，文献[11]在CPS建模中提出事件-行为的CPS时空驱动方法；文献[12]在该基础上提出一种基于格的CPS事件模型，对CPS事件定义结构统一化，并利用格理论给出了事件生成机制；文献[13]在面向对象PETRI网的基础上提出了传感器、执行器、控制器模型，缩小了系统状态空间，但没有从本质上解决时间带来的影响；文献[14]、[15]从状态机模型角度阐述
了CPS建模、应用的基本步骤，并对模型进行了验证分析。文献[16]在分析CPS建模方法时，提出了具有层级、时间并行特征，且可应用于模块化构造的混合系统模型。
综上所述，已有的研究工作主要对CPS中的事件模型和时空特性进行了考虑，初步实现CPS系统模型的构建。但涉及到具体异构系统构建上，尤其是复杂性节点、异步数据交换、模块化设计上仍需进一步综合考虑并加以完善。 本研究在前人研究的基础上，提出一种基于事件驱动的CPS时空建模方法，拟构建面向中小型气象站的CPS系统。
1 时空事件建模
本研究从农业实际应用的角度对已有的事件模型进行综合和改进，将农业气象信息感知到智能处理的过程描述为节点上的时间、事件与行为的形式化语言。本研究中提出的一种基于节点的CPS三层结构的CPS模型：物理层、传输层、信息层。1)物理层：物理层中的边缘设备被分为挂载若干传感器的采集单元和具有边缘计算能力的嵌入式计算单元。2)传输层：采集传输节点负责对不同采集单元上传的事件进行融合，控制传输节点负责接收来自其父节点的事件，分析并转化为控制事件，分配至相关的执行器。3)信息层：信息层在集中式大数据平台上建立云计算节点，负责接收来自传输节点的事件并调用相应计算模型后转换为信息下达。
如图1，要实现系统物理进程和数字进程的同步，必须使系统具有感知和反馈的能力，即系统利用传感器获取环境信息，并上传至计算机，计算机对数据形成决策信息并反馈至系统，系统再次感知，从而形成一个闭环进程，而闭环节点之间的状态空间转变需要一个离散模型来定义，这里我们定义了各层各节点
信息物理系统事件驱动下的农业气象监测系统
