CN109673232A - 一种基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于节水灌溉智能化管理技术领域，涉及一种基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，系统采用层状结构架构，包括：用户层、应用层、网关层、微服务层、数据层、物联层和资源层。系统将业务拆分为小粒度微服务，解决单块架构耦合程度高、维护成本高和可靠性低的问题；结合分布式部署，提升处理请求能力，可伸缩性更强，性能优势明显；根据工程规模、作物种类和投资水平，面向实际，灵活调整功能组合，便于快速升级，解决开发周期长、投资高和维护升级困难等问题，提升通用与适应性。微服务覆盖滴灌系统运行、维护、灌溉、施肥、施药、农机和农艺等环节，全面提升滴灌系统运行管理水平，发挥平台信息化优势，提升节水、增效和提质水平。

Description

一种基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统

技术领域

本发明属于节水灌溉智能化管理技术领域，涉及一种基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统。

背景技术

滴灌技术是一种精量高效的灌溉技术，由于其具有全管道化灌溉的特性，是实现灌溉自动化和信息化的良好平台，可由计算机程序代替人工进行灌溉、施肥、施药以及滴灌系统的维护管理。随着互联网、物联网和云计算等新兴信息技术的应用，滴灌控制系统的形式已经由早期的现场控制、有线采集和定时执行，发展为远程控制、无线监测和智慧决策。滴灌控制系统根据传感设备采集的作物与土壤参数，进行智能化灌溉施肥决策，并对灌溉系统进行远程化、无线化控制；同时在远程服务器上进行决策和处理，工程现场仅需要布置传感设备和执行设备。用户通过联网电脑和手机等设备，可随时随地进行滴灌系统管理；由此，可有效提升滴灌系统的管理水平，降低生产劳动强度，进一步发挥滴灌技术节水、增产和增收的优势，增加规模化滴灌系统的效益。

但目前具有上述特征的技术方案还存在一些不足之处。一是目前的技术方案，为便于开发与管理，管理软件系统平台的架构形式采用传统的单块架构，即将应用程序的所有功能都打包成一个应用，每个应用是最小的交付和部署单元,应用部署后，在同一进程中运行。如目前的某种农田土壤墒情监测与智能灌溉云服务平台，该平台以上述形式实现了墒情监测和智能灌溉等远程云服务，具有易于部署和测试等优点。但是其采用的单块架构存在以下几项缺点：组件耦合程度过高，业务维护成本高、升级困难；功能耦合程度过高，可伸缩性差，部署不够灵活；代码庞大，协同开发效率低，交付周期长；组件出现无法恢复的故障时，整个节点处于不可用状态，稳定性、可靠性较低。

并且，我国不同滴灌用户的种植规模、投资水平、作物品种和地理区位存在较大差异；所以对于智慧滴灌服务功能的需求不同，导致所使用的灌溉施肥决策模型也不相同。例如，新疆规模化大田滴灌系统主要侧重于进行大面积滴灌系统的远程自动化控制和节约人力成本，而南方经济作物需要更精量化的水肥调控，以提升作物的产量和品质。现有滴灌管理平台的开发思路多为：采用单块架构，针对特定滴灌工程定制开发，无法针对不同用户需求灵活部署，且成本较高，通用性差，后期维护和升级扩展的工作量大；同时重复开发的现象严重，不利于技术的进一步推广应用。

滴灌技术也是一种以滴灌灌溉系统为基础平台，融合灌溉、施肥、农艺和农机等技术的综合高效农业生产技术。但现有的技术方案多针对滴灌灌溉和施肥控制环节，例如某种智慧节水灌溉云系统，其基于云服务的智能化节水灌溉自动控制系统实现现地自动滴灌、智能控制、数据监测与显示和远程智能灌溉等功能，但对于农机、农艺、滴灌运行维护和信息服务等其他环节的支撑力度不够，难以进一步发挥滴灌系统精量高效的技术优势。而这需要从滴灌的整个生产环节对滴灌系统的管理水平进行有效提升，从而实现节水、省工、增产、提质和增收的技术目标。

微服务是一种将大型复杂的单体架构应用划分为一组微小服务的架构，每个微服务根据其负责的具体业务职责提炼为单一的业务功能，可以有效地降低业务的耦合程度；与此同时，每一种微服务又能在架构中相互配合、密切协同，有效降低应用的复杂度、提高功能复用、缩短开发周期和适应资源弹性伸缩。本发明基于微服务架构的上述优点，将滴灌智能化管控中的常见服务进行划分，提出一种智慧滴灌云服务管理系统，为提升滴灌技术的智慧管理水平提供有效的解决方案。

本发明所述一种基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，具有以下特点：

(1)本发明提出一种基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，将智慧滴灌业务划分为自动控制、智能决策、生产辅助和维护管理等耦合程度较低，但又可以通过协议相互配合的服务模块，解决单块架构组件存在的耦合程度过高、维护成本高和可靠性低等问题。

(2)将智慧滴灌业务划分为自动控制、智能决策和生产辅助等微服务后，每项微服务可独立、隔离地运行；在分布式环境下，使智慧滴灌业务拆分为粒度较小的服务，从而获得易于部署、可扩展性强的优点，也提升了处理请求的能力，可伸缩性也更强，性能优势也明显。

(3)基于微服务架构所构建的智慧滴灌云服务系统，根据滴灌工程规模、作物种类和投资水平等因素，面向工程实际需求，灵活调整系统的功能组合及所选用的决策模型，解决现有平台中存在的工程定制开发周期长、投资高和维护升级困难等问题，提升了智慧滴灌系统的通用性与适应性。

(4)提出了由生产辅助、安全运行和产品选择等帮助滴灌用户高效安全地掌握滴灌系统运行的服务模块，涉及安装、运行、维护、灌溉、施肥、施药、农机和农艺等全滴灌技术环节，全面提升滴灌系统的运行管理水平，发挥智慧滴灌云服务管理系统的信息化优势，进一步提升滴灌系统节水、增效和提质的水平。

发明内容

本发明所提出的智慧滴灌云服务管理系统是一种通过互联网向滴灌用户提供滴灌系统控制、数据监测、运行维护、智能决策和辅助管理等服务的软件即服务(Software asa service，SaaS)类云服务系统，所述系统部署于服务提供商的服务器上，滴灌用户通过连接互联网的，位于PC的WEB终端与位于智能手机的移动应用APP终端，即可对滴灌系统进行智慧化的管理。

本发明技术方案的思路是将微服务架构思想运用到系统构建的过程中，将滴灌技术应用中的核心业务构建成相互耦合程度较低的微服务模块(微服务单元)，每项微服务模块可以独立运行与部署，微服务模块之间，微服务模块与用户之间通过轻量级的协议和数据进行通信与调用。同时，本发明技术方案中的智慧滴灌云服务管理系统具备负载均衡、服务发现、服务容错、监控报警和认证等功能。

滴灌用户可以根据所管理滴灌工程的规模与需求进行微服务选择，降低平台使用成本，缩短部署时间。将因地区、作物而异的水、肥决策模型及其参数也封装成微服务，滴灌用户根据所属地区及所种植作物进行选择。同时，系统也支持针对滴灌用户的特殊需求定制开发，开发时无需对系统整体进行调整，只需对某项微服务模块进行修改或定制开发，可有效缩短开发时间。

同时本发明技术方案充分考虑系统的伸缩性能，充分考虑整个滴灌系统的分布式部署，为系统规模化的发展进行了设计，使技术方案可以同时为若干滴灌工程、不同层次需求的滴灌用户、不同终端的滴灌用户同时提供服务，实现同一系统对多工程、多滴灌用户和多终端的支持。

所述系统可以连接和控制滴灌控制系统中的土壤水分传感器、气象参数传感器和作物生理指标传感器等数据采集设备，以及电磁阀、水泵和施肥机等执行设备，并选择适应于规模化农田的无线远距离通讯和无电源供电条件下的通讯方式与协议，具体技术方案如下：

一种基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，所述智慧滴灌云服务管理系统的总体架构为层状结构，包括：用户层、应用层、网关层、微服务层、数据层、物联层和资源层；

所述用户层与应用层进行通讯，所述应用层与网关层进行通讯，所述网关层分别与微服务层、物联层进行通讯，所述微服务层与数据层进行通讯，所述数据层与物联层进行通讯；所述网关层与外部因特网络连接，用于获取外部网络资源；

所述资源层为智慧滴灌云服务管理系统的其它层提供运行的服务器和云平台网络环境等外在资源，包括：公有云、私有云、物理机和虚拟机；

所述用户层包括：滴灌用户；所述滴灌用户包括：滴灌工程用户和滴灌工程管理员；所述滴灌工程管理员包括：为农户提供技术服务的农业专家和后台人员；

所述滴灌工程用户分属于不同的滴灌工程，通过终端使用所述智慧滴灌云服务管理系统；所述终端包括：位于PC的WEB终端与位于智能手机的移动应用APP终端；所述滴灌工程管理员负责智慧滴灌云服务管理系统的运行、维护和后台管理；

所述应用层用于：将所述智慧滴灌云服务管理系统的服务展示给滴灌工程用户，并进行交互，所述应用层包括：智慧滴灌云服务管理平台WEB客户端、智慧滴灌云服务管理平台移动APP以及根据具体需求扩展的其他形式与内容的应用；

所述网关层先将滴灌用户的需求经由应用层，发送给微服务层中的服务注册中心，服务注册中心将微服务层中的若干微服务模块接口地址，经由应用层返回给滴灌用户；所述微服务模块用于提供微服务；

所述“将微服务层中的若干微服务模块接口地址，经由应用层返回给滴灌用户”是指：将获取微服务模块的方式传递给滴灌用户，即提供给滴灌用户连接到微服务模块的具体方式；

然后，网关层通过调用相应的微服务模块或微服务模块聚合结果，以处理相应的请求；所述微服务模块聚合结果将细服务粒度的微服务模块集成、编排、组合成滴灌用户所请求的服务与功能；

所述网关层还具有认证授权、服务监控、熔断限流、负载均衡、缓存和协议转换等功能；

所述认证授权用于：鉴定滴灌用户的请求是否符合其权限，以返回符合其权限要求内的合法请求，并提供安全防护；

所述服务监控用于：监视每项微服务的工作状态，及时发现，并处理出现异常的微服务，当某项微服务出现故障或异常后，及时返回空值或缺省值或返回缓存中故障微服务的熔断结果；

所述熔断限流功能为：当某项微服务发生故障后，发生故障的微服务称为故障微服务；网关层向故障微服务的调用方返回一个错误响应，调用方主动熔断故障微服务，以防止线程因调用故障微服务，而被长时间占用不释放；同时，限定对故障微服务的并发访问；

所述故障微服务为：发生故障的微服务；

所述负载均衡为：当网关层以及微服务层运行在分布式部署环境时，将网关层和微服务层的工作任务进行平衡、分摊到资源层中的多个服务器上进行执行；

所述缓存功能是指：随着智慧滴灌云服务管理系统性能要求的增长或者由于微服务被重复调用的需要，在一定时间间隔内，缓存微服务的执行结果，为被频繁请求的微服务快速返回结果，或缓存故障微服务的熔断结果；

所述协议转换功能是指：对Web协议与非Web友好协议进行相互转换；

所述Web协议包括：http协议；所述非Web友好协议包括：轻量级RPC协议；

所述微服务层包括：若干微服务模块(微服务单元)和服务注册中心；

所述若干微服务模块将智慧滴灌云服务管理系统中的业务粒度精细划分，进行独立的开发、运行、维护和管理，并根据滴灌用户的请求对不同微服务进行组合，为滴灌用户提供相应的功能；

所述服务注册中心用于：负责微服务的发现、注册、更新、刷新、监控与同步；

所述微服务模块通过服务注册中心进行注册，服务注册中心将微服务模块的软件接口与访问地址记录在服务注册中心的服务列表中，以便于调用过程中精确定位微服务模块的接口；

所述数据层为各项微服务提供数据库支持；所述数据库包括：传感数据库、设备数据库、决策参数数据库和工程信息数据库等多种不同类型的下属数据库，用于存储不同类型的数据；

所述工程信息数据库存储滴灌用户基本信息；

所述物联层包括：滴灌系统中负责数据采集的物联网设备和对执行设备进行控制的物联网设备；

所述数据采集包括：作物生长环境数据采集、作物生理指标数据采集、土壤养分数据采集以及滴灌系统运行数据采集；

所述负责数据采集的物联网设备包括：传感器与数据采集器；

所述传感器包括：土壤水分传感器、气象参数传感器、作物生理指标传感器和土壤养分传感器；

所述数据采集器包括：土壤水分传感器数据采集器和气象数据采集器；

所述作物生长环境数据包括：土壤水分、气温、风速、湿度、CO₂浓度和光照；所述作物生理指标数据包括：冠层温度、叶面温度和茎粗；所述滴灌系统运行数据包括：管道压力、流量和能耗；

所述对执行设备进行控制的物联网设备包括：水泵控制器、电控阀门控制器(电磁阀控制器，即电磁阀的阀门控制器)、施肥机控制器、过滤器控制器、滴灌加气设备控制器、滴灌加酸加氯设备控制器以及滴灌加温设备控制器等；所述过滤器控制器包括：自动反冲洗过滤器控制器；

所述物联层中的物联网设备采用窄带物联网(NB-IoT)技术，通过移动蜂窝网络传递数据与指令；

所述NB-IoT技术具有低功耗、广覆盖、低成本和容量大的技术特点，解决了智慧滴灌采集与控制设备在大规模的滴灌工程中传输距离不够、耗电快、待机时间短和通讯模块成本高的问题；

所述物联网设备采用CoAP协议进行通讯；所述CoAP协议是一种基于REST架构并针对物联网设备优化的协议，该协议是专门为智慧滴灌此类通讯量小、功耗控制要求高的受约束设备专用的互联网应用程序协议；

所述CoAP协议协议采用短连接的方式，进一步降低物联网设备的工作能耗，同时提升在田间网络连接质量较差的条件下，物联网设备运行的可靠性。

在上述技术方案的基础上，根据常见的智能化滴灌系统运行和管理的技术需求，将智慧滴灌云服务管理系统提供的业务划分为10项微服务，每项微服务均单独运行；所述微服务可根据实际需求及技术发展进行扩展，不仅局限于下述10项服务；每项微服务对应一个微服务模块；

所述微服务模块包括：数据监测模块、设备控制模块、设备管理模块、数据可视化服务模块、灌溉决策模块、施肥决策模块、安全运行模块、生产辅助模块、专家咨询模块和视频监控模块；

所述数据监测模块用于：将物联网设备采集的作物生长环境数据、作物生理指标数据、土壤养分数据以及滴灌系统运行数据呈现给滴灌用户，确保滴灌用户实时掌握滴灌系统的状态；

所述设备控制模块用于：控制滴灌系统中所安装执行设备的启动(开启)、停止(关闭)、运行时间和运行模式；

所述执行设备包括：水泵、电控阀门、施肥机、过滤器、滴灌加气设备、滴灌加酸加氯设备以及滴灌加温设备等；所述过滤器包括：自动反冲洗过滤器；

所述运行模式包括：手动运行模式、定时运行模式和智能运行模式；所述手动运行模式为：滴灌用户通过终端对执行设备进行启动、停止以及运行时间的设置；所述定时运行模式为：滴灌用户通过终端对执行设备的运行时间、频率以及周期进行设定，使执行设备按照设定的计划，按时运行；所述智能运行模式为：滴灌用户选配对应的灌溉决策模块和施肥决策模块，根据采集的作物生长环境数据、作物生理指标数据、土壤养分数据以及滴灌系统运行等数据，对执行设备行闭环控制，以保证作物获得理想的生长环境和生长状态；

所述闭环控制的输入包括：理想的作物生长环境数据和理想的作物生理指标数据、理想的土壤养分数据等数据；闭环控制的输出为：控制执行设备的启动、停止、运行时间、频率和周期等；闭环控制的反馈包括：采集的作物生长环境数据、作物生理指标数据、土壤养分数据以及滴灌系统运行等数据；

所述设备管理模块为：对物联层中的物联网设备进行维护与管理；所述维护与管理操作包括：读取物联网设备基本信息、添加物联网设备、删除物联网设备和设置物联网设备的运行参数等；

所述数据可视化服务模块提供地理信息(GIS)类型服务，采用插值法将滴灌系统的信息与参数以地图形式直观地展示在不同地图图层上；所述滴灌系统的信息与参数包括：滴灌系统管网分布、物联网设备和执行设备的分布、作物种植情况；

所述数据可视化服务模块还将滴灌系统的信息与参数通过统计图表的形式展示给滴灌用户，并提供数据分析功能，以直观的形式对历史数据进行分析统计，也通过统计图表的形式，将历史数据变化情况展示给滴灌用户；

所述统计图表的形式包括：条形图、折线图和散点图等形式；

所述灌溉决策模块为滴灌系统灌溉执行提供决策支持服务，根据滴灌用户需求与滴灌系统建设投资水平，选择与组合不同的灌溉决策模型；

所述灌溉决策模型包括：基于土壤水分平衡方法类模型和作物日耗水量计算模型；

所述灌溉决策模型的输入内容(属于决策参数)包括：传感器自动获取或人工输入的作物生长环境数据、土壤养分数据、作物生理指标数据，从滴灌用户基本信息中获取的作物类型、土壤类型和地理位置参数等；所述灌溉决策模型的输入内容存储于决策参数数据库；

所述灌溉决策模型的输出内容包括以下两种情况：

当滴灌用户选配执行设备时，为：对执行设备的命令；

当滴灌用户没有选配执行设备时，则将灌水时间、灌水量等输出内容以文本建议的形式呈现给滴灌用户，为滴灌用户滴灌灌水提供支持；

所述施肥决策模块为滴灌系统施肥执行提供决策支持服务，根据滴灌用户需求与滴灌系统建设投资水平，选择与组合不同的施肥决策模型；

所述施肥决策模型包括：基于土壤养分平衡方法模型和基于作物表观形态的施肥模型；

所述施肥决策模型的输入内容(属于决策参数)包括：传感器自动获取或人工输入的土壤养分数据、作物生理指标数据，从滴灌用户基本信息中获取的作物类型、土壤类型和地理位置参数等；所述施肥决策模型的输入内容存储于决策参数数据库；

所述土壤养分数据由滴灌用户从田间取土样进行监测化验或通过土壤养分传感器采集得到；

所述施肥决策模型的输出内容包括以下两种情况：

当滴灌用户选配执行设备时，为：面向执行设备的命令；

当滴灌用户没有选配执行设备时，则以文本建议的形式呈现用户，为用户滴灌施肥提供支持；

由于滴灌灌水器的堵塞严重影响滴灌系统的灌水质量与工程寿命。目前，滴灌研究人员已经提出了成熟的堵塞控制方法与方案。

所述安全运行模块通过为滴灌用户提供灌水器堵塞风险控制预警与方法来控制滴灌灌水器堵塞问题的发生；

所述安全运行模块的输入量包括：滴灌系统的水源类型、滴灌灌水器类型和滴灌系统运行参数；所述滴灌系统运行参数包括：滴灌系统工作流量和滴灌系统压力参数；

所述滴灌系统的水源类型和滴灌灌水器类型由滴灌用户进行人工设定；所述滴灌系统运行参数由负责采集滴灌系统运行参数的传感器获得；

所述安全运行模块的输出内容为：滴灌系统堵塞量化风险和具体实施措施；

在实际的生产中，科研人员根据长期的实验示范经验，总结获得了高效的作物管理措施进行生产。

所述生产辅助模块包括：作物管理措施；

所述作物管理措施包括：滴灌生产灌溉制度、施肥方案、农机技术、农艺措施和滴灌施肥设备参数；

所述滴灌生产灌溉制度包括：推荐灌水时间、灌溉次数和灌溉量，所述施肥方案包括：推荐肥料类型、肥料施用量和肥料施用时间，所述农机技术包括：农机具选型方案和农机具使用方法，所述农艺措施包括：作物栽培措施、植保措施和病虫害防治措施，所述滴灌施肥设备参数包括：滴灌灌水器类型、滴灌灌水器流量、滴灌灌水器滴头间距、滴灌灌水器布设方案、施肥装备类型和滴灌灌水器防堵塞维护保养措施；

在生产辅助模块中，将所述作物管理措施根据地区、作物种类、作物管理措施的实施时间赋予相应的标签；

当滴灌用户输入作物的名称和播种时间后，生产辅助模块自动判断输入作物当前处于哪一生长阶段，并按照作物管理措施形成的标签查找相应的作物管理措施，并将相应的作物管理措施提供给滴灌用户；

当到达作物预期成熟阶段时，生产辅助模块自动通过经网关层接入的外部因特网络获取所种植作物的市场行情价格，并通过生产辅助模块向滴灌用户进行推送；

为了提升智慧滴灌云技术的社会化服务能力，最终实现提升滴灌工程用户管理水平的目标，为滴灌工程用户提供与农业专家沟通交流的途径。

所述专家咨询模块为：当滴灌工程用户在日常生产管理中遇到生产辅助模块无法解决的问题时，通过向农业专家咨询，以解决问题；

所述咨询的方式包括：在线即时交流与离线提问；

若咨询的农业专家在线，咨询的方式为：在线即时交流；

所述在线即时交流的方式为：滴灌工程用户自主选择交流的农业专家；

若咨询的农业专家不在线，咨询的方式为：离线提问；

所述离线提问的方法步骤为：

A、滴灌工程用户选择问题分类、作物类型和作物所处的地区，并通过终端将选择结果发送给后台人员；

所述问题分类包括：作物生产和滴灌系统管理；

B、滴灌工程用户对问题进行描述，并通过终端将问题描述发送给后台人员；

C、后台人员根据滴灌工程用户的选择和问题描述，将问题分配转发给对应问题领域的农业专家；

D、农业专家登录自己的账户进行解答问题；

E、解答问题的信息推送到滴灌工程用户的终端上，以方便滴灌工程用户及时查看；

所述视频监控模块为：先通过视频监控设备对滴灌系统进行视频监控；再通过中间件将视频监控设备厂商提供的视频监控设备通讯协议转换为视频监控模块协议，最后通过视频监控模块将滴灌系统视频监控的画面通过网关层，接入应用层，展示给滴灌用户。

在上述技术方案的基础上，所述滴灌用户与应用层采用http协议进行通讯，所述应用层与网关层采用http协议进行通讯；所述微服务模块与其他微服务模块、注册服务中心、网关层、数据层之间，通过符合REST原则的协议或RPC协议进行通讯与调用；所述网关层与物联层的通讯协议为CoAP协议。

在上述技术方案的基础上，所述应用层与网关层采用遵循REST原则的http协议进行通讯。

在上述技术方案的基础上，所述限定对故障微服务的并发访问的方法为：限制单位时间内对故障微服务调用请求的并发数，对超过限制的调用请求拒绝。

在上述技术方案的基础上，所述数据库层采用分布式部署方式，其规模和数量根据智慧滴灌云服务管理系统的规模进行扩展，并具备负载均衡功能；所述应用层的应用根据具体需求扩展；在所述微服务层中，随着滴灌用户需求的发展，开发部署新的微服务模块；滴灌用户根据需求订购微服务模块。

一种应用基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统进行微服务调用的方法，包括以下步骤：

S1、滴灌用户通过终端提出微服务调用请求；

S2、所述微服务调用请求通过应用层传输给网关层；

S2、网关层向服务注册中心查询服务列表，获取调用微服务的软件接口访问地址；

S3、当所述步骤S2中的调用微服务不需要调用其他微服务时，执行相应的微服务；

在上述过程中，网关层主要起到负载均衡和路由的功能。

当所述步骤S2中的调用微服务需要调用其他微服务时，进行以下步骤：

S41、步骤S2中的调用微服务向网关层发送调用其他微服务的请求；

S42、网关层向服务注册中心查询服务列表，获取到需要调用的其他微服务的软件接口访问地址；

S43、执行其他微服务；

S44、其他微服务执行完毕，返回步骤S2中的调用微服务，继续执行步骤S2中的调用微服务。

在上述技术方案的基础上，所述微服务通过向服务注册中心定期发送心跳消息，维持与服务注册中心的长链接，进行微服务的刷新与监控；

所述服务注册中心通过比较心跳信息的发送频率是否超过设定的阈值，确定微服务是否存在故障；如果发现微服务存在故障，将故障微服务及时从服务列表中剔除；

所述心跳信息包括：微服务根据服务注册中心的服务列表，校验微服务接口与访问地址的请求；服务注册中心返回校验结果；

如果服务注册中心返回的校验结果与微服务的实际接口与访问地址不同，则微服务接口与访问地址发生变化；

接口与访问地址发生变化的微服务再次向服务注册中心进行注册，以更新服务注册中心的服务列表。

在上述技术方案的基础上，为防止整个智慧滴灌云服务管理系统中只有一个服务注册中心,而导致节点崩溃，所述微服务层采用分布式方案部署若干个服务注册中心；当其中一个服务注册中心的服务列表发生变化时，服务注册中心通过其同步功能向其他服务注册中心发送广播，实现不同服务注册中心中服务列表的同步。

在上述技术方案的基础上，所述服务注册中心之间的同步功能采用Gossip协议进行通讯。

本发明的有益技术效果如下：

(1)本发明所述的智慧滴灌云服务管理系统将常用的高聚合度单块架构按照业务需求，划分为不同组合的若干微服务，解决单块架构组件存在的耦合程度过高、维护成本高和可靠性低等问题，微服务架构结合分布式部署，提升了处理请求的能力，可伸缩性更强，性能优势明显。

(2)将智慧滴灌业务拆分为粒度较小的服务，根据滴灌工程规模、作物种类和投资水平，面向工程实际需求，灵活调整平台的功能组合，同时便于快速升级迭代，解决现有平台中存在的工程定制开发周期长、投资高和维护升级困难等问题，提升智慧滴灌云服务管理系统的通用性与适应性。

(3)按照智慧滴灌技术业务划分为不同的微服务模块，覆盖滴灌系统中的运行、维护、灌溉、施肥、施药、农机和农艺等全技术环节，全面提升滴灌系统运行的管理水平，发挥智慧滴灌云服务管理系统的信息化优势，进一步提升滴灌系统节水、增效和提质的水平。

附图说明

本发明有如下附图：

图1.本发明所述智慧滴灌云服务管理系统架构示意图。

图2.滴灌用户调用微服务模式示意图。

图3.微服务间互相调用模式示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的叙述。

以构建一个管理若干滴灌工程的智慧滴灌云服务管理系统为例，对本发明的具体工作过程与原理进行具体说明。

该智慧滴灌云服务管理系统部署于公共云平台，所有基础资源由公共云平台服务商提供。应用层由“智慧滴灌云服务管理平台WEB客户端”、“智慧滴灌云服管理平台移动APP”组成。本例中主要以工程规模较大，在滴灌工程田间安装有物联网设备的“A滴灌工程”及其滴灌用户人员群体“用户A”和工程规模较小，在滴灌工程田间未安装物联网设备的“B滴灌工程”及其滴灌用户人员群体“用户B”进行说明。

1)实施例1：系统的构建与工作流程

在智慧滴灌云服务管理系统中，各层次参见图1。所构建的微服务及其业务内容见技术方案。

在本例中，每一项微服务被独立开发、部署、运行在独立的云平台主机上。每项微服务部署完成后，主动向微服务层的服务注册中心发送注册信息，将微服务的软件接口信息与地址更新到服务注册中心的服务列表中。

其中，“A滴灌工程”在使用系统时，主要通过本系统实现田间滴灌系统的自动化控制，平台为“A滴灌工程”进行服务时，提供“数据监测”、“灌溉决策”、“设备管理”和“设备控制”。其中，“B滴灌工程”在使用平台时，主要通过本系统实现田间滴灌系统的辅助管理，系统为“B滴灌工程”进行服务时，提供“生产辅助”和“专家咨询”功能。故“A滴灌工程”与“B滴灌工程”所需功能不同，仅需调用不同微服务即可，无需订购所有微服务模块，按照需求灵活获取服务，既节约了成本，又避免了重复开发。

当“A滴灌工程”的滴灌用户登录智慧滴灌云服务管理系统后，使用所述系统读取田间物联网设备设备采集到的数据，并基于这些数据进行灌溉决策，将灌溉决策获得的灌水时间和灌水量通过田间控制电控阀门的物联网设备进行执行。在此过程中，滴灌用户通过终端和应用层的“智慧滴灌云服管理平台WEB客户端”和“智慧滴灌云服管理平台移动APP”进行操作，然后，由应用层采用http协议发送一系列请求到达网关层。

网关层首先对滴灌用户的权限进行检测，权限合法后(即符合其权限)，由网关层向微服务层的服务注册中心发送查询请求，查询到“数据监测”、“灌溉决策”、“设备管理”、“设备控制”几项微服务的软件接口及其地址后，通过网关层的路由功能，请求到达具体微服务，并为应用层返回具体结果；网关层与应用层进行通讯，所使用的协议为遵循REST原则的http协议。

以“灌溉决策”为例，本项微服务在工作时，需要从“数据监测”微服务中调用从滴灌系统田间采集到的数据，因此，“灌溉决策”微服务通过网关层向服务注册中心查询，查询到“数据监测”微服务的软件接口及地址后，调用相应的微服务。微服务之间相互调用所使用的协议为符合REST原则的http协议。

微服务在调用过程中，所需要的数据库资源均通过网关层调用数据库层的数据资源实现。

其中“A滴灌工程”中所使用的物联网层设备使用NB-IoT协议通讯模块开发，通过系统的网关层进行协议转化与路由功能，与网关层所使用的通讯协议为CoAP协议。

2)实施例2：微服务层中服务注册中心的运行

如图2所示，微服务通过向服务注册中心定期发送心跳消息，维持与服务注册中心的长链接，进行微服务刷新与监控。服务注册中心通过比较心跳信息的发送频率，确定微服务是否存在故障；如果发现微服务存在故障，将故障微服务及时从服务列表中剔除。同时服务注册中心更新列表，并使用Gossip协议向其他服务注册中心广播消息，以同步列表。

微服务向服务注册中心发送的心跳信息中包含向服务注册中心中服务列表校验当前接口与访问地址的请求，如果服务注册中心返回的校验结果与微服务的实际接口与访问地址不同，说明微服务软件接口与访问地址发生变化，此时微服务将再次向服务注册中心进行注册，以更新服务注册中心的服务列表，并使用Gossip协议向其他服务注册中心广播消息，同步服务列表。

如图3所示，当微服务需要调用其他微服务时，进行以下步骤：

S41、微服务向网关层发送调用其他微服务的请求；

S42、网关层向服务注册中心查询服务列表，获取到需要调用的其他微服务的软件接口访问地址；

S43、执行其他微服务；

S44、其他微服务执行完毕，返回原微服务，继续执行原微服务。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，其特征在于：所述智慧滴灌云服务管理系统的总体架构为层状结构，包括：用户层、应用层、网关层、微服务层、数据层、物联层和资源层；

所述用户层与应用层进行通讯，所述应用层与网关层进行通讯，所述网关层分别与微服务层、物联层进行通讯，所述微服务层与数据层进行通讯，所述数据层与物联层进行通讯；所述网关层与外部因特网络连接，用于获取外部网络资源；

所述资源层为智慧滴灌云服务管理系统的其它层提供运行的服务器和云平台网络环境外在资源，包括：公有云、私有云、物理机和虚拟机；

所述用户层包括：滴灌用户；所述滴灌用户包括：滴灌工程用户和滴灌工程管理员；所述滴灌工程管理员包括：为农户提供技术服务的农业专家和后台人员；

所述滴灌工程用户分属于不同的滴灌工程，通过终端使用所述智慧滴灌云服务管理系统；所述终端包括：位于PC的WEB终端与位于智能手机的移动应用APP终端；所述滴灌工程管理员负责智慧滴灌云服务管理系统的运行、维护和后台管理；

所述应用层用于：将所述智慧滴灌云服务管理系统的服务通过应用层中的智慧滴灌云服务管理平台WEB客户端和智慧滴灌云服务管理平台移动APP展示给滴灌工程用户，并进行交互；

所述网关层先将滴灌用户的需求经由应用层，发送给微服务层中的服务注册中心，服务注册中心将微服务层中的若干微服务模块接口地址，经由应用层返回给滴灌用户；所述微服务模块用于提供微服务；

然后，网关层通过调用相应的微服务模块或微服务模块聚合结果，以处理相应的请求；所述微服务模块聚合结果将细服务粒度的微服务模块集成、编排、组合成滴灌用户所请求的服务与功能；

所述网关层还具有认证授权、服务监控、熔断限流、负载均衡、缓存和协议转换功能；

所述熔断限流功能为：当某项微服务发生故障后，网关层向故障微服务的调用方返回一个错误响应，调用方主动熔断故障微服务，以防止线程因调用故障微服务，而被长时间占用不释放；同时，限定对故障微服务的并发访问；

所述故障微服务为：发生故障的微服务；

所述微服务层包括：若干微服务模块和服务注册中心；

所述若干微服务模块将智慧滴灌云服务管理系统中的业务粒度精细划分，进行独立的开发、运行、维护和管理，并根据滴灌用户的请求对不同微服务进行组合，为滴灌用户提供相应的功能；

所述服务注册中心用于：负责微服务的发现、注册、更新、刷新、监控与同步；

所述微服务模块通过服务注册中心进行注册，服务注册中心将微服务模块的软件接口与访问地址记录在服务注册中心的服务列表中，以便于调用过程中精确定位微服务模块的接口；

所述数据层为各项微服务提供数据库支持；所述数据库包括：传感数据库、设备数据库、决策参数数据库和工程信息数据库，用于存储不同类型的数据；

所述工程信息数据库存储滴灌用户基本信息；

所述物联层包括：滴灌系统中负责数据采集的物联网设备和对执行设备进行控制的物联网设备；

所述数据采集包括：作物生长环境数据采集、作物生理指标数据采集、土壤养分数据采集以及滴灌系统运行数据采集；

所述负责数据采集的物联网设备包括：传感器与数据采集器；

所述传感器包括：土壤水分传感器、气象参数传感器、作物生理指标传感器和土壤养分传感器；

所述数据采集器包括：土壤水分传感器数据采集器和气象数据采集器；

所述作物生长环境数据包括：土壤水分、气温、风速、湿度、CO₂浓度和光照；所述作物生理指标数据包括：冠层温度、叶面温度和茎粗；所述滴灌系统运行数据包括：管道压力、流量和能耗；

所述对执行设备进行控制的物联网设备包括：水泵控制器、电控阀门控制器、施肥机控制器、过滤器控制器、滴灌加气设备控制器、滴灌加酸加氯设备控制器以及滴灌加温设备控制器；所述过滤器控制器包括：自动反冲洗过滤器控制器；

所述物联层中的物联网设备采用窄带物联网技术，通过移动蜂窝网络传递数据与指令；

所述物联网设备采用CoAP协议进行通讯；

所述CoAP协议协议采用短连接的方式。

2.如权利要求1所述的基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，其特征在于：所述微服务模块包括：数据监测模块、设备控制模块、设备管理模块、数据可视化服务模块、灌溉决策模块、施肥决策模块、安全运行模块、生产辅助模块、专家在线和视频监控模块，每项微服务模块均单独运行；

所述数据监测模块用于：将物联网设备采集的作物生长环境数据、作物生理指标数据、土壤养分数据以及滴灌系统运行数据呈现给滴灌用户，确保滴灌用户实时掌握滴灌系统的状态；

所述设备控制模块用于：控制滴灌系统中所安装执行设备的启动、停止、运行时间和运行模式；

所述执行设备包括：水泵、电控阀门、施肥机、过滤器、滴灌加气设备、滴灌加酸加氯设备以及滴灌加温设备；所述过滤器包括：自动反冲洗过滤器；

所述运行模式包括：手动运行模式、定时运行模式和智能运行模式；所述手动运行模式为：滴灌用户通过终端对执行设备进行启动、停止以及运行时间的设置；所述定时运行模式为：滴灌用户通过终端对执行设备的运行时间、频率以及周期进行设定，使执行设备按照设定的计划，按时运行；所述智能运行模式为：滴灌用户选配对应的灌溉决策模块和施肥决策模块，根据采集的作物生长环境数据、作物生理指标数据、土壤养分数据以及滴灌系统运行数据，对执行设备行闭环控制；

所述闭环控制的输入包括：理想的作物生长环境数据和理想的作物生理指标数据、理想的土壤养分数据；闭环控制的输出为：控制执行设备的启动、停止、运行时间、频率和周期；闭环控制的反馈包括：采集的作物生长环境数据、作物生理指标数据、土壤养分数据以及滴灌系统运行数据；

所述设备管理为模块：对物联层中的物联网设备进行维护与管理；所述维护与管理操作包括：读取物联网设备基本信息、添加物联网设备、删除物联网设备和设置物联网设备的运行参数；

所述数据可视化服务模块提供地理信息类型服务，采用插值法将滴灌系统的信息与参数以地图形式直观地展示在不同地图图层上；所述滴灌系统的信息与参数包括：滴灌系统管网分布、物联网设备和执行设备的分布、作物种植情况；

所述数据可视化服务模块还将滴灌系统的信息与参数通过统计图表的形式展示给滴灌用户，并提供数据分析功能，以直观的形式对历史数据进行分析统计，也通过统计图表的形式，将历史数据变化情况展示给滴灌用户；

所述统计图表的形式包括：条形图、折线图和散点图；

所述灌溉决策模块为滴灌系统灌溉执行提供决策支持服务，根据滴灌用户需求与滴灌系统建设投资水平，选择与组合不同的灌溉决策模型；

所述灌溉决策模型包括：基于土壤水分平衡方法类模型和作物日耗水量计算模型；

所述灌溉决策模型的输入内容包括：传感器自动获取或人工输入的作物生长环境数据、土壤养分数据、作物生理指标数据，从滴灌用户基本信息中获取的作物类型、土壤类型和地理位置参数；所述灌溉决策模型的输入内容存储于决策参数数据库；

所述灌溉决策模型的输出内容包括：

当滴灌用户选配执行设备时，为：对执行设备的命令；

当滴灌用户没有选配执行设备时，则将灌水时间、灌水量以文本建议的形式呈现给滴灌用户；

所述施肥决策模块为滴灌系统施肥执行提供决策支持服务，根据滴灌用户需求与滴灌系统建设投资水平，选择与组合不同的施肥决策模型；

所述施肥决策模型包括：基于土壤养分平衡方法模型和基于作物表观形态的施肥模型；

所述施肥决策模型的输入内容包括：传感器自动获取或人工输入的土壤养分数据、作物生理指标数据，从滴灌用户基本信息中获取的作物类型、土壤类型和地理位置参数；所述施肥决策模型的输入内容存储于决策参数数据库；

所述土壤养分数据由滴灌用户从田间取土样进行监测化验或通过土壤养分传感器采集得到；

所述施肥决策模型的输出内容包括：

当滴灌用户选配执行设备时，为：面向执行设备的命令；

当滴灌用户没有选配执行设备时，则以文本建议的形式呈现用户，为用户滴灌施肥提供支持；

所述安全运行模块通过为滴灌用户提供灌水器堵塞风险控制预警与方法来控制滴灌灌水器堵塞问题的发生；

所述安全运行模块的输入量包括：滴灌系统的水源类型、滴灌灌水器类型和滴灌系统运行参数；所述滴灌系统运行参数包括：滴灌系统工作流量和滴灌系统压力参数；

所述滴灌系统的水源类型和滴灌灌水器类型由滴灌用户进行人工设定；所述滴灌系统运行参数由负责采集滴灌系统运行参数的传感器获得；

所述安全运行模块的输出内容为：滴灌系统堵塞量化风险和具体实施措施；

所述生产辅助模块包括：作物管理措施；

所述作物管理措施包括：滴灌生产灌溉制度、施肥方案、农机技术、农艺措施和滴灌施肥设备参数；

所述滴灌生产灌溉制度包括：灌水时间、灌溉次数和灌溉量，所述施肥方案包括：肥料类型、肥料施用量和肥料施用时间，所述农机技术包括：农机具选型方案和农机具使用方法，所述农艺措施包括：作物栽培措施、植保措施和病虫害防治措施，所述滴灌施肥设备参数包括：滴灌灌水器类型、滴灌灌水器流量、滴灌灌水器滴头间距、滴灌灌水器布设方案、施肥装备类型和滴灌灌水器防堵塞维护保养措施；

在生产辅助模块中，将所述作物管理措施根据地区、作物种类、作物管理措施的实施时间赋予相应的标签；

当滴灌用户输入作物的名称和播种时间后，生产辅助模块自动判断输入作物当前处于哪一生长阶段，并按照作物管理措施形成的标签查找相应的作物管理措施，并将相应的作物管理措施提供给滴灌用户；

当到达作物预期成熟阶段时，生产辅助模块自动通过经网关层接入的外部因特网络获取所种植作物的市场行情价格，并通过生产辅助模块向滴灌用户进行推送；

所述专家咨询模块为：当滴灌工程用户在日常生产管理中遇到生产辅助模块无法解决的问题时，通过向农业专家咨询，以解决问题；

所述咨询的方式包括：在线即时交流与离线提问；

若咨询的农业专家在线，咨询的方式为：在线即时交流；

所述在线即时交流的方式为：滴灌工程用户自主选择交流的农业专家；

若咨询的农业专家不在线，咨询的方式为：离线提问；

所述离线提问的方法步骤为：

A、滴灌工程用户选择问题分类、作物类型和作物所处的地区，并通过终端将选择结果发送给后台人员；

所述问题分类包括：作物生产和滴灌系统管理；

B、滴灌工程用户对问题进行描述，并通过终端将问题描述发送给后台人员；

C、后台人员根据滴灌工程用户的选择和问题描述，将问题分配转发给对应问题领域的农业专家；

D、农业专家登录自己的账户进行解答问题；

E、解答问题的信息推送到滴灌工程用户的终端上，以方便滴灌工程用户及时查看；

所述视频监控模块为：先通过视频监控设备对滴灌系统进行视频监控；再通过中间件将视频监控设备厂商提供的视频监控设备通讯协议转换为视频监控模块协议，最后通过视频监控模块将滴灌系统视频监控的画面通过网关层，接入应用层，展示给滴灌用户。

3.如权利要求1所述的基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，其特征在于：所述滴灌用户与应用层采用http协议进行通讯，所述应用层与网关层采用http协议进行通讯；所述微服务模块与其他微服务模块、注册服务中心、网关层、数据层之间，通过符合REST原则的协议或RPC协议进行通讯与调用；所述网关层与物联层的通讯协议为CoAP协议。

4.如权利要求3所述的基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，其特征在于：所述应用层与网关层采用遵循REST原则的http协议进行通讯。

5.如权利要求1所述的基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，其特征在于：所述限定对故障微服务的并发访问的方法为：限制单位时间内对故障微服务调用请求的并发数，对超过限制的调用请求拒绝。

6.如权利要求2所述的基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统，其特征在于：所述数据库层采用分布式部署方式，其规模和数量根据智慧滴灌云服务管理系统的规模进行扩展，并具备负载均衡功能；所述应用层的应用根据具体需求扩展；在所述微服务层中，随着滴灌用户需求的发展，开发部署新的微服务模块；滴灌用户根据需求订购微服务模块。

7.一种应用基于微服务架构的智慧滴灌云服务管理系统进行微服务调用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、滴灌用户通过终端提出微服务调用请求；

S2、所述微服务调用请求通过应用层传输给网关层；

S2、网关层向服务注册中心查询服务列表，获取调用微服务的软件接口访问地址；

S3、当所述步骤S2中的调用微服务不需要调用其他微服务时，执行相应的微服务；

当所述步骤S2中的调用微服务需要调用其他微服务时，进行以下步骤：

S41、步骤S2中的调用微服务向网关层发送调用其他微服务的请求；

S42、网关层向服务注册中心查询服务列表，获取到需要调用的其他微服务的软件接口访问地址；

S43、执行其他微服务；

S44、其他微服务执行完毕，返回步骤S2中的调用微服务，继续执行步骤S2中的调用微服务。

8.如权利要求7所述的微服务调用的方法，其特征在于：所述微服务通过向服务注册中心定期发送心跳消息，维持与服务注册中心的长链接，进行微服务的刷新与监控；

所述服务注册中心通过比较心跳信息的发送频率是否超过设定的阈值，确定微服务是否存在故障；如果发现微服务存在故障，将故障微服务及时从服务列表中剔除；

所述心跳信息包括：微服务根据服务注册中心的服务列表，校验微服务接口与访问地址的请求；服务注册中心返回校验结果；

如果服务注册中心返回的校验结果与微服务的实际接口与访问地址不同，则微服务接口与访问地址发生变化；

接口与访问地址发生变化的微服务再次向服务注册中心进行注册，以更新服务注册中心的服务列表。

9.如权利要求7或8所述的微服务调用的方法，其特征在于：所述微服务层采用分布式方案部署若干个服务注册中心；当其中一个服务注册中心的服务列表发生变化时，服务注册中心通过其同步功能向其他服务注册中心发送广播，实现不同服务注册中心中服务列表的同步。

10.如权利要求9所述的微服务调用的方法，其特征在于：所述服务注册中心之间的同步功能采用Gossip协议进行通讯。