下一代互联网技术在智能农业中的应用研究

引言

随着移动互联网、物联网和云计算的不断发展，以及移 动终端设备、网络设备数量的不断增加，基于IP协议的设备 对IP地址有极大的需求，而如今所用的IPv4地址已经分配 完毕，无法应对人们对IP地址的更多需求。同IPv4相比较， IPv6有巨大的地址容量，更好的安全性和高效的路由报表， 另外在移动性、网络管理以及服务质量等方面都有明显改进， 并且已经在主流设备中获得广泛支持。因此，IPv6替代IPv4 成为下一代互联网协议已经是大势所趋，迫在眉睫。

IPv6协议作为下一代互联网协议，已经受到我国相关 部门和企业的重点关注。2012年，工信部颁布了关于《基于 IPv6的下一代互联网体系架构》的通信行业标准，该标准结 合我国运营商网络的具体情况制定，规定了基于IPv6的下一 代互联网组网架构及总体技术要求。根据国家发改委等七部 委联合发布的《关于下一代互联网“十二五”发展建设的意见》， 将我国下一代互联网分阶段部署，大大促进了 CNGI在我国的 发展与普及。目前，国内运营商已经着手架设IPv6网络，并 且提供基于IPv6的各类增值业务和接入服务。

1智能农业发展背景

目前，我国物联网发展与全球同处于起步阶段，初步具 备了一定的技术、产业和应用基础，呈现出良好的发展态势。 物联网应用已逐步遍及各个领域，如智能家居、智能交通、 智能农业、智慧城市等，其中智能农业是物联网应用中十分重 要的组成部分。

本文介绍的智能农业系统是在农业领域推出的远程环境 检测系统，它通过实时采集温室内温度、土壤温湿度、CO,浓度、 湿度信号以及光照、叶面湿度、露点温度等环境参数，自动开启或者关闭指定设备。通过布放监控设备实时采集视频信号, 用户可以通过计算机或者手机，随时查看农场现状并对其进 行处理。实时采集的数据对环境进行自动控制和智能化管理 提供科学依据。随着当今互联网技术、物联网技术的蓬勃发展， 为实现基于物联网的智能农业管理系统提供了可能。

2 IPv6网络在智能农业中的应用实践

2.1 IPv6在智能农业应用中的主要意义

本文以某地市建设的智能农业项目为例，介绍IPv6技术 在智能农业中的应用。该项目是将各种类型的传感器覆盖到该 农场的种植范围区域内，然后将其在各个生产大棚内进行部 署，通过省中心平台实现在同一平台上对多个大棚的数据和设 备进行分析及控制。各种传感器的数据通过大棚数据采集机, 经上联的BRAS和SR上行至省中心平台服务器。

在现场设备数据汇聚和与服务器远程通信的过程中, IPv6技术的应用为拓展设备应用部署数量和空间提出了新的 思路和解决办法，能应对IPv4地址不足的瓶颈。该思路主要 表现在以下三个方面：

IPv6网络具有足够的地址量，能确保任意通信终端 都能拥有公有IP地址，能更开的开展和支持多样化业务。该 农场在业务终端应用IPv6网关设备，可对现场的传感采集设 备和控制器设备进行IPv6格式地址惟一性标识，以区分现场 设备所属的使用单位、安装位置、设备类型。

移动IPv6技术的应用使网络终端具有移动性，给用 户带来了极大的方便。智能农业系统用户可以通过智能手机、 PDA、PC等终端，实时采集的数据，随时随地高效、精准地 控制相应的农业设施，提高农业生产效率。对实时业务而言, 传输时延是一个极其重要的参数，在这方面，IPv4很难处理, IPv6的解决办法则有可取之处。

IPsec作为是IPv6必备的安全机制，对网络安全有

很好的保障。IPsec在IP层提供安全服务，使用IPsec协议能 对传输数据进行加密，确保业务应用层数据的安全通信。对 于IPv4来说，IPsec安全协议只是可选字段，但是对于IPv6 来说，IPsec是必选字段，这样大大增强了网络的安全性。

在IPv4-IPv6的不断演进的进程中，IPv6协议提供了一 个全新的网络平台，通过对IPv6地址逐级细分规划和网络设 备IPv6地址协议配置的不断更新，它让各种多样化的终端更方 便的接入IP网，并且相比IPv4在终端的移动性和安全性有了很 大改进，最终将为物联网的大规模应用推广带来突破性飞跃。

2.2 IPv6组网方式

2.2.1 IPv4向IPv6的过渡技术

虽然IPv6技术能彻底解决IP地址枯竭的问题，但是由 于IPv4已经得到大量的应用，并且IPv6协议不能兼容IPv4 协议，IPv6网络对于IPv4网络不可能是简单的替换，因而需 要实现IPv4/IPv6长期共存过程中的平稳过渡。在该智能农业 系统建设的过程中，需要根据实际应用场景选择合适的IPv4/ IPv6过渡技术，进行混合组网技术方案的设计实施。如何实 现IPv4和IPv6的的无缝结合及平滑过渡成为下一代互联网演 进过程中的难点，各种过渡技术应运而生。

NAT444

NAT444是IPv6过渡时期的重要技术，NAT444就是二 级NAT，CPE 一级的NAT44地址转化(私网IPv4」——私网 IPv4_2),网络设备(例如BRAS) 一级NAT44地址转化(私 网IPv4_2——公网IPv4),共二级NAT地址转化。NAT444 虽然拥有成熟可靠、部署简单以及节省投资等优势，但从长 远来看，由于NAT技术不能从根本上解决地址短缺的问题, 而且会增加网络结构的复杂性，NAT444并不能推进网络向 IPv6的演进，因此是初期过渡方案。

公网双栈

这是升级的BRAS设备，设备支持IPv4、IPv6双栈，用 户侧无须进行改造。BRAS设备为用户分配公网IPv4地址和 IPv6地址。用户访问IPv4应用时，采用BRAS分配的公网 IPv4地址实现访问。用户访问IPv6应用时，采用BRAS分配 的IPv6地址实现访问。

轻型双栈(DS-Lite)

轻型双栈可通过IPv6隧道承载IPv4流量，要求终端、 网络、认证等各个环境必须IPv6就绪，有效促进IPv6推广 和部署。相对于常规双栈，DS-Lite在BRAS和家庭网关之间 只需启用IPv6协议，分配IPv6地址，终端的IPv4地址由家 庭网关自行分配。访问IPv4业务的流量在家庭网关出口封装 到IPv6隧道中传输，在局端通过DS-Lite网关设备解封装， 并对私有地址进行NAT。访问IPv6业务的流量在网络中直 接转发。运营商的BRAS无需为终端用户规划、部署和分配 IPv4地址，因此称为轻型双栈。

2.2.2 IPv4/IPv6混合组网实例及演进方案

该地市新建的智能农业系统通新增视频监控设备及各类 传感器，组建传感器网络，并通过无线接入的方式，由3G路 由器上传至智能农业采集机，采集机通过承载网络上联至智 能系统农业省中心平台的应用系统，进行相关管理。

该智能农业系统采用部署IPv4 /IPv6的混合组网的应用 解决方案。该方案主要从以下两个技术方面实现：

IPv6传感器网络业务终端

在IPv6传感器网络业务终端各类传感器采集的数据通过 ZigBee无线传输模式上传，ZigBee发送模块将传感器的采集 数据传送到ZigBee边缘网关，ZigBee网关把数据传给IPv6 网关适配。IPv6边缘网关将所有的底层设备进行IPv6地址适 配并进行协议栈适配，在IPv6网关上，配置了 IPv6/IPv4双 栈协议，网关可以通过IPv6链路与平台IPv6服务器通信，也 可以通过IPv4链路与平台IPv4服务器通信。

承载网络组网方式

根据实际网络环境和智能农业系统业务特点，综合分析 后，由于现阶段智能农业产业的发展还属于发展初期，应用 较为贫乏，因而目前该智能农业系统承载网络是采用双协议栈 技术来实现IPv4/IPv6混合组网方案，该方案主要是对原有 IPv4网络进行升级改造，传输线路启动双栈协议，IPv4/IPv6 共享网络资源，IPv4和双栈用户共存，当出现IPv6信息源时, 双栈用户优先使用IPv6。具体实施方案包括网络硬件基础设 施的升级支持和配置、各终端的升级支持及应用系统的升级 支持，将终端侧和业务侧与智能农业平台相连的骨干网路由器， 该地市的出口路由器以及BRAS设备启用双栈协议，此外还需 要运营商将该链路各节点配好IPv6地址及路由表。具体的组 网情况如图1所示。

(3) IPv4/IPv6 混合组网演进方案

虽然该农场采用的双协议栈技术很好地解决了 IPv6的业 务，但是该技术依然需要消耗IPv4地址，不能解决IPv4地 址紧缺问题，随着智能农业系统业务终端数量逐渐增多，必 然会造成IPv4地址的紧张。而DS-Lite过渡技术运营商只需 要给用户分配纯IPv6地址，不需要消耗公网IPv4地址，DS- Lite 以IPv6为基础，可以加速和推进IPv6产业链的发展，是 智能农业产业发展中期阶段的一种可选技术。

随着智能农业产业大规模的应用以及各类 IPv6 应用丰富后，由于业务终端的数量大规模的增加，流量达到一定量级，可以考虑新建一张 IPv6 网络，原有 IPv4 网络升级为 IPv4/IPv6 双栈网络，新建网络与原有网络物理隔离。随着物联网应用的普及，各类 IPv6 新增用户或具有 IPv6 需求的用户接入到新建的 IPv6 网络中，新建的 IPv6 网络只需支持 IPv6 的基础路由协议和体系标准，满足快速提供 IPv6 服务与业务的需求，IPv4/IPv6 双栈网络可以通过 IPv4/IPv6 骨干路由器访问新建的纯 IPv6 网络，从而保持原有网络与业务的稳定运行。具体组网情况如图 2 所示。

3 基于 IPv6 网络在智能农业应用中的功能实现

3.1 无线传感器数据采集系统

在 IPv6 技术的支持下，该农场通过在大棚内部署各类传感装置，时刻收集到农作物生长的各种环境变化。各类传感器包括光照度传感器、空气温湿度传感器、土壤水分传感器、空气二氧化碳传感器、土壤盐分传感器、光合有效传感器，并投入使用水温、水位、水 PH 值、水溶解氧传感器。传感器采集的数据通过 ZigBee无线采集系统上传至ZigBee 边缘网关。ZigBee 边缘网关将数据上传至 IPv6 网关进行 IPv6 地址适配。用户可以在智能农业中心平台上或通过手机、计算机等终端查看现场的实时采集的数据 ,并且在界面上可显示实时采集数据的曲线图。图 3 所示是某农场大棚传感器采集的数据图例。

3.2 智能农业视频监控系统

该农场对大棚内部署视频传感器（IPCam），用于采集大棚内的视频信号。同时，还部署无线控制器，一体化控制器。控制器与控制设备相连，接收控制指令并输出高低电平电压 ；一体化控制器除具备控制器功能之外，还可以实现本地手动/ 远程控制的模式切换，并有本地手动控制按钮，本地手动控制和远程控制二者互斥。智能农业中心平台通过控制器与农业大棚现有的控制系统实现对接，实现对风机、天窗、遮阳布、外遮阳、水帘、灌溉设施等的控制。同时用户也可以在权限范围内进行远程的图像访问，实现多点、在线、便捷的监测。图 4所示是其视频监控的实时界面。

5 总 结

基于 IPv6 技术的下一代互联网与物联网是未来社会发展的必然产物，本文以某地市建设的智能农场为例，简单介绍了基于 IPv6 在智能农业中应用的功能实现，分析了 IPv6 的过渡技术及具体组网方案。通过分析可以得出对于未来 IPv6 技术的大规模的应用还有很多工作要做，需要各个设备生产商、电信运营商、IT 企业、技术支持部门等多方面的配合，最终实现各种业务在 IPv6 平台上的承载。

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