支持多源感知數(shù)據(jù)集成的奶牛場物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

范蓓蕾，史 云，張保輝，段玉林

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點實驗室，北京100081）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動了奶牛生產(chǎn)向智能化、規(guī)?；较虬l(fā)展［1-2］。物聯(lián)網(wǎng)感知終端作為真實數(shù)據(jù)的直接來源，實現(xiàn)了對牛舍環(huán)境、奶牛生理狀況等信息的自動獲取，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)［3］。隨著無線射頻、傳感網(wǎng)絡(luò)、Zigbee等技術(shù)的發(fā)展，感知終端從有線傳輸向無線傳輸、單一網(wǎng)關(guān)向多網(wǎng)關(guān)、單一網(wǎng)絡(luò)向異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展，形成了具有不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、不同數(shù)據(jù)格式的多種感知終端產(chǎn)品［4-7］。感知終端具有封閉性與自治性，加上目前通信與數(shù)據(jù)格式尚無統(tǒng)一的標準，感知終端與其上層物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)自成體系，形成一個個信息孤島，異構(gòu)感知終端及其系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享困難［8］。

為了解決感知終端異構(gòu)性造成的數(shù)據(jù)不兼容等問題，國內(nèi)外學(xué)者分別從協(xié)議、網(wǎng)關(guān)、軟件系統(tǒng)等角度開展相關(guān)研究工作。開放地理信息聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，OGC）在2005年提出傳感器網(wǎng)絡(luò)整合框架以實現(xiàn)多源傳感器的數(shù)據(jù)整合和服務(wù)［9］，為了解決異構(gòu)傳感器接入和解析問題，IEEE1451.2標準及相應(yīng)技術(shù)被提出并應(yīng)用到傳感器接入和協(xié)議轉(zhuǎn)換中［10］。陳彥彬等采用ModBus協(xié)議開發(fā)智能網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)支持Zigbee、433RF、WIFI等不同通信協(xié)議的感知終端的數(shù)據(jù)接入［11］。王新等從軟件實現(xiàn)角度，設(shè)計了一種基于TCP/IP的網(wǎng)管數(shù)據(jù)接口程序，通過規(guī)范化傳感器上傳信息和標準化入庫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)異構(gòu)感知終端的接入和數(shù)據(jù)解析問題［12］。

在奶牛場物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，相關(guān)學(xué)者在奶牛場環(huán)境監(jiān)測［13］、牛只個體監(jiān)測［14］方面分別取得了諸多成果，但異構(gòu)感知終端的數(shù)據(jù)集成應(yīng)用研究較少［15］。文章從奶牛場感知數(shù)據(jù)監(jiān)測特點出發(fā)，圍繞奶牛場異構(gòu)感知數(shù)據(jù)接入、解析和操作方法，探索了基于REST資源架構(gòu)在奶牛場物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，分別實現(xiàn)了面向異構(gòu)感知終端數(shù)據(jù)接入和解析的虛擬網(wǎng)管服務(wù)接口、面向資源本體的資源描述上下文模型和統(tǒng)一操作接口，實現(xiàn)了奶牛場異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該文針對奶牛場物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中傳感終端來源多樣化、協(xié)議不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不易共享等問題，基于表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移（Representational State Transfer，REST）模式設(shè)計了面向異構(gòu)感知數(shù)據(jù)集成的物聯(lián)網(wǎng)資源架構(gòu)（圖1），從通信層、資源層、服務(wù)層到應(yīng)用層自下而上提出多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的技術(shù)和方法，分別研究面向多源異構(gòu)感知終端的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)操作等關(guān)鍵技術(shù)。

與常見的3層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)相比［16］，REST物聯(lián)網(wǎng)資源架構(gòu)通過引入資源層和服務(wù)層，將物聯(lián)網(wǎng)中的所有設(shè)備、協(xié)議、數(shù)據(jù)等作為資源，并通過分配唯一的URI（Uniform Resource Identifier）實現(xiàn)對資源的統(tǒng)一管理。這種框架模型通過采用HTTP、XML、HTML、URI等互聯(lián)網(wǎng)標準協(xié)議，具有響應(yīng)速率高、性能穩(wěn)定、服務(wù)集成難度低等特點［17-18］。

2 多源感知數(shù)據(jù)集成關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于中間件的數(shù)據(jù)接入方法

奶牛場物聯(lián)網(wǎng)的感知數(shù)據(jù)來源主要有3類。

（1）環(huán)境傳感器采集的數(shù)據(jù)，包括牛舍內(nèi)外溫濕度、氨氣等有害氣體濃度、PM2.5、光照強度等各種環(huán)境參數(shù)。

（2）生理傳感器采集的數(shù)據(jù)，包括奶牛體重、體況、溫度、姿勢等奶牛個體健康數(shù)據(jù)。

（3）視覺傳感器采集的視頻、圖像等數(shù)據(jù)。

為了實現(xiàn)不同來源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入和解析，基于中間件技術(shù)設(shè)計了支持異構(gòu)感知終端接入的虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口，并通過設(shè)備注冊、聯(lián)網(wǎng)通信和數(shù)據(jù)解析實現(xiàn)接口功能。

圖1 基于REST的物聯(lián)網(wǎng)資源架構(gòu)模型Fig.1 The IOT resource architecture model based on REST

（1）設(shè)備注冊

不同種類的感知終端通過各自的網(wǎng)關(guān)向虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口發(fā)送數(shù)據(jù)。為了識別不同感知終端的信息，虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口提供了設(shè)備注冊機制，動態(tài)采集注冊終端的數(shù)據(jù)和通信協(xié)議，如表1和表2所示注冊信息，實現(xiàn)虛擬網(wǎng)關(guān)對異構(gòu)終端的通信和解析支持。

表1 基礎(chǔ)信息注冊表Table 1 The data structure of basic information registration table

表2 注冊對象關(guān)系表Table 2 The table of relationships of registration objects

（2）聯(lián)網(wǎng)通信

為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)上層應(yīng)用對底層感知設(shè)備的兼容，數(shù)據(jù)接入服務(wù)建立了不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的終端接入互聯(lián)網(wǎng)的接口功能。以當前物聯(lián)網(wǎng)感知終端主流的TCP/IP入網(wǎng)方式為例，通過Socket異步非阻塞多線程方式，分別開發(fā)支持TCP和UDP等不同通信協(xié)議的聯(lián)網(wǎng)通信程序，以實現(xiàn)不同協(xié)議終端的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）數(shù)據(jù)解析

根據(jù)虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)中注冊的設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)議，對接入的數(shù)據(jù)進行格式匹配并解析，以自主研發(fā)的溫度傳感器終端數(shù)據(jù)格式為例，將其數(shù)據(jù)協(xié)議在表中注冊，其數(shù)據(jù)協(xié)議以Jason格式提供給虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)協(xié)議Jason格式Fig.2 Nodes data protocol format in Jason

虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口調(diào)用Jason交換格式對通過網(wǎng)絡(luò)接入的數(shù)據(jù)進行格式匹配和解析，從而獲取設(shè)備編號、感知數(shù)據(jù)等信息。

2.2 基于本體的多源感知數(shù)據(jù)集成

奶牛場獲取的感知數(shù)據(jù)是奶牛、牛床、牛舍等實體的描述，而實體之間相互聯(lián)系，但這種聯(lián)系是動態(tài)的，如奶牛在牛舍、擠奶廳、清洗間等不同位置停留，將使實體間的關(guān)系產(chǎn)生動態(tài)變化。為了描述數(shù)據(jù)與實體間、實體與實體之間存在的上下文交互關(guān)系，該文基于語義本體的知識建模方法，采用OWL（Ontology Web Language）本體描述語言和五元素知識表述法［19］建立奶牛場資源描述上下文模型，用來解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成問題。

定義奶牛場資源本體模型為：

式（1）中，Cdfr代表奶牛場資源（Dairy Farm Resources，dfr）的概念集合，Ac代表每一個概念的屬性集合，Rdfr代表奶牛場資源的關(guān)系集合，AR代表每一個關(guān)系的屬性集合，Hdrf代表概念間的關(guān)系結(jié)合。

概念集合Cdfr是奶牛場所有資源的抽象描述，包括牛舍等位置、環(huán)境參數(shù)、傳感器等設(shè)備、奶牛、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)協(xié)議等各種現(xiàn)實和虛擬的資源，Cdfr={傳感器，網(wǎng)關(guān)，環(huán)境，溫度，相對濕度，氨氣濃度，位置，奶牛場，牛舍，牛床，奶牛，控制系統(tǒng)，通信協(xié)議，數(shù)據(jù)協(xié)議，通風(fēng)系統(tǒng)，溫濕度傳感器，光照傳感器，氨氣濃度傳感器，奶牛計步器，監(jiān)測對象，……｝。

關(guān)系集合Rdfr包含了概念之間的所有可能的交互作用，Rdfr={use（傳感器，位置），use（傳感器，奶牛），in（牛床，牛舍），in（牛舍，奶牛場），is（傳感器，溫度傳感器），use（傳感器，通信協(xié)議），use（傳感器，數(shù)據(jù)協(xié)議），connect（傳感器，網(wǎng)關(guān)），have（溫度傳感器，溫度），……}。

其概念間的關(guān)系集合Hdrf={（傳感器，溫濕度傳感器），（控制系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)），（環(huán)境，溫度）,……}。

2.3 基于本體的多源感知數(shù)據(jù)集成

以REST模式為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的特征之一是以資源為操作對象。為了實現(xiàn)對不同類型資源的統(tǒng)一操作，該文遵循REST模式常用的CRUD原則，對于資源提供4種基礎(chǔ)操作：Create（創(chuàng)建）、Read（讀?。?、Update（更新）和Delete（刪除），為用戶提供易于理解和重復(fù)利用的資源操作接口。

圖3 奶牛場資源本體上下文關(guān)系Fig.3 The diary house resource context

針對資源進行統(tǒng)一操作的功能服務(wù)采用基于RESTful WEB API技術(shù)開發(fā)，在資源描述上下文模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建針對資源的統(tǒng)一操作接口，采用HTTP+URI方法實現(xiàn)對資源的讀取、查詢、調(diào)用、控制、刪除等基本操作，如GET/｛GatewayNo｝/Sensors表示獲取與該網(wǎng)關(guān)相連的所有感知設(shè)備信息，GET/｛GatewayNo｝/｛SensorNo｝/Timestamp表示讀取某個特定傳感器某時間戳的感知數(shù)據(jù)，POST/｛GatewayNo｝/Sensors/｛SensorNo｝表示某個網(wǎng)關(guān)上增加一個傳感器。定義好的服務(wù)API在.NET中可通過XMLHttpRequest或jquery的ajax組件進行調(diào)用，如下所示。

（1）網(wǎng)頁端通過ajax調(diào)用Get方法獲取網(wǎng)關(guān)Gataway001關(guān)聯(lián)的傳感器列表信息，并采用json格式返回查詢結(jié)果。

（2）在控制臺中通過HttpClient實現(xiàn)Get方法獲取網(wǎng)關(guān)Gataway001關(guān)聯(lián)的傳感器列表信息，并采用json格式返回查詢結(jié)果。

3 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)

3.1 功能設(shè)計

奶牛場物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用ASP.NET框架，在通信層實現(xiàn)異構(gòu)感知數(shù)據(jù)接入并建立多源感知集成數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，通過ODBC建立與數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系，通過調(diào)用和封裝服務(wù)層提供的數(shù)據(jù)操作接口實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作。根據(jù)奶牛場物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，系統(tǒng)功能設(shè)計如下。

（1）環(huán)境監(jiān)控預(yù)警：提供了奶牛場畜舍內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)的實時展示以及超出安全閾值環(huán)境的預(yù)警提示功能。

（2）環(huán)境履歷查詢：提供了根據(jù)設(shè)備編號、時間、牛舍編號、環(huán)境類型等條件查詢歷史環(huán)境的功能。

（3）奶牛健康監(jiān)控預(yù)警：提供了對奶牛個體溫度、體況等健康信息的實時監(jiān)控和預(yù)警提示功能。

（4）奶牛健康履歷查詢：提供了根據(jù)奶牛編號、時間、牛舍、負責(zé)人等條件查詢奶牛健康、所處環(huán)境參數(shù)等歷史記錄的功能。

（5）環(huán)境調(diào)控模塊：提供了遠程啟動和關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、暖氣系統(tǒng)等環(huán)境調(diào)控設(shè)備的功能。

（6）統(tǒng)計分析模塊：提供了對奶牛場畜舍環(huán)境、奶牛健康等信息的統(tǒng)計分析。

（7）配置管理模塊：提供了傳感器、網(wǎng)關(guān)、協(xié)議、環(huán)境位置點、奶牛、標簽等各種資源的增加、刪除和修改等操作功能。

3.2 測試應(yīng)用

應(yīng)用系統(tǒng)以內(nèi)蒙古呼倫貝爾某規(guī)模化奶牛場應(yīng)用需求為案例進行開發(fā)應(yīng)用。系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)測量分別采用了兩類傳感器：石家莊某科技有限公司定制開發(fā)的基于433Mhz的溫濕度、大氣壓、氨氣濃度等傳感器終端，此類傳感器通過TCP協(xié)議向外傳輸數(shù)據(jù)；自主定制開發(fā)的基于Zigbee的溫濕度傳感器、光照度傳感器等感知終端，并通過配套網(wǎng)關(guān)以UDP方式向外傳輸數(shù)據(jù)。奶牛健康測量采用天津市某軟件有限公司的HeatTag-1計步器，設(shè)備部署現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場測試節(jié)點部署圖Fig.4 Nodes distribution picture of field test

首先在服務(wù)器上部署虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口程序，將感知終端的設(shè)備信息在虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口進行注冊，并在虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口的系統(tǒng)配置中對TCP和UDP的通信參數(shù)進行配置并啟動端口監(jiān)聽，實現(xiàn)對感知終端數(shù)據(jù)的接入、解析和集成，如圖5所示。

圖5 虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口設(shè)備注冊功能Fig.5 The interface of device registration in virtual gateway services

其次應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對畜舍環(huán)境、牛只健康數(shù)據(jù)的觀測、查詢及管理，圖6、圖7分別是環(huán)境監(jiān)控和奶牛健康履歷查詢界面。

圖6 環(huán)境監(jiān)控預(yù)警界面Fig.6 Environment monitoring interface

圖7 奶牛健康履歷查詢界面Fig.7 Cow health information search interface

4 總結(jié)與展望

針對奶牛場物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中傳感器種類多、通信和數(shù)據(jù)協(xié)議不統(tǒng)一導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，該文基于REST資源架構(gòu)設(shè)計了從“數(shù)據(jù)接入—數(shù)據(jù)集成—數(shù)據(jù)操作”自底向上的奶牛物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)，開發(fā)了基于中間件技術(shù)的虛擬網(wǎng)關(guān)服務(wù)接口實現(xiàn)了異構(gòu)感知終端的數(shù)據(jù)接入和解析，設(shè)計了基于語義本體的上下文描述模型實現(xiàn)多源感知數(shù)據(jù)的集成，基于Restful Web API技術(shù)開發(fā)了統(tǒng)一資源操作接口，在此基礎(chǔ)上以呼倫貝爾某規(guī)?；膛鰬?yīng)用需求為案例進行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，能有效集成不同來源感知數(shù)據(jù)，將環(huán)境數(shù)據(jù)與奶牛生理健康數(shù)據(jù)有效結(jié)果，為奶牛生產(chǎn)進一步分析應(yīng)用提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

該文當前只考慮了來自異構(gòu)感知終端的數(shù)據(jù)集成問題，但當前奶牛生產(chǎn)相關(guān)的專業(yè)信息系統(tǒng)種類繁多，如防疫系統(tǒng)、自動飼喂系統(tǒng)等各自獨立運行，將這些專業(yè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集成到奶牛場物聯(lián)網(wǎng)中，能使奶牛生產(chǎn)數(shù)據(jù)更加全面，使數(shù)據(jù)更好地為奶牛生產(chǎn)提供智能化服務(wù)。