面向民族地區(qū)農(nóng)牧業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)開發(fā)研究

馬偉　王磊　朱睿明

摘 要：農(nóng)牧業(yè)是我國部分民族地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，然而，部分民族地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施欠發(fā)達(dá)，農(nóng)牧業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)部署條件差、集中管控難度大，農(nóng)牧區(qū)智能化、自動(dòng)化、移動(dòng)性、低成本監(jiān)控問題亟需解決。文章探索面向民族地區(qū)農(nóng)牧監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)：OVS Pi（安裝OVS交換機(jī)的樹莓派），結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以幫助相關(guān)部門對農(nóng)牧區(qū)的管理，促進(jìn)民族地區(qū)農(nóng)牧業(yè)的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：民族地區(qū)；農(nóng)牧業(yè)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)

我國少數(shù)民族地區(qū)具有地廣人稀的特征，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后，農(nóng)牧區(qū)面積較大且有監(jiān)控需求，但往往由于經(jīng)費(fèi)受限，難以搭建起農(nóng)牧區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)。例如西藏地區(qū)因?yàn)槠洫?dú)特的地理環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，使得草原分布零散和生態(tài)環(huán)境脆弱，而農(nóng)牧區(qū)人民的生活主要是依托放牧為基礎(chǔ)，但氣候等因素變化造成草原環(huán)境多變，由于西藏草原變化基本處于無人檢測的狀態(tài)，一方面牧民找不到合適的草場放牧[1]，另一方面由于過度放牧造成草場退化日益嚴(yán)重[2]，而目前難以找到一種低成本且動(dòng)態(tài)監(jiān)測草原變化的設(shè)備應(yīng)用于農(nóng)牧區(qū)，基于對以上原因的深入分析，迫切需要一種能夠時(shí)刻動(dòng)態(tài)監(jiān)測草原變化的設(shè)備。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

1.1 OVS Pi節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建

OVS Pi由于構(gòu)建較為復(fù)雜，因此以其實(shí)現(xiàn)的不同功能為劃分，將OVS Pi節(jié)點(diǎn)分為3個(gè)層次，分別為設(shè)備層、系統(tǒng)層、交換層。如圖1所示。

1.1.1 設(shè)備層

設(shè)備層提供移動(dòng)性和對物理世界的感知能力，提供基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能力。OVS Pi在設(shè)備層增加了智能小車作為節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性支持，智能小車可通過編程的方式使其驅(qū)動(dòng)并支持和樹莓派的底層的通信。除此之外，小車上還搭載了一個(gè)高清攝像頭，可供OVS Pi調(diào)用配合小車實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。由于樹莓派通過Arduino板與小車建立底層通信，所以O(shè)VS Pi可直接通過小車已有的驅(qū)動(dòng)接口來實(shí)現(xiàn)小車驅(qū)動(dòng)的控制。在攝像頭的畫面捕捉方面，通過在OVS Pi的Raspbian系統(tǒng)上安裝Opencv模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺感知功能，從而調(diào)用小車的攝像頭進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)控。

1.1.2 系統(tǒng)層

OVS Pi的系統(tǒng)層提供組網(wǎng)能力、計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，包含完整的TCP/IP協(xié)議棧和MANET協(xié)議棧，建立Ad Hoc形式的自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)OVS Pi間底層的網(wǎng)絡(luò)通信，并具有一定的靈活性。同時(shí)系統(tǒng)層還提供了可觀的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，此系統(tǒng)層上相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)中中間件的作用，不僅支持感知和移動(dòng)能力，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)感知，還能為上層提供計(jì)算服務(wù)和通信基礎(chǔ)。系統(tǒng)層還能安裝SDN控制器，為OVS Pi節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中高效的管理。并且可以編寫腳本為上層和底層的通信提供一個(gè)應(yīng)用編程接口。

1.1.3 交換層

交換層提供SDN數(shù)據(jù)平面，受控于SDN控制器，達(dá)到對整個(gè)節(jié)點(diǎn)的集中式管控的目的。為使具備了物聯(lián)網(wǎng)感知能力和MANET自組織組網(wǎng)能力的OVS Pi實(shí)現(xiàn)Software-Defined Ad Hoc IoT的功能，需要將OVS交換機(jī)安裝到樹莓派上實(shí)現(xiàn)交換層的功能。在這個(gè)層次OVS作為SDN的交換設(shè)備，搭建基于OpenFlow的邏輯網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分，其中利用VxLAN的技術(shù)搭建節(jié)點(diǎn)兩端的隧道實(shí)現(xiàn)OVS Pi各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的OVS連接將重構(gòu)原本的自組織網(wǎng)絡(luò)。

1.2 OVS擴(kuò)展OpenFlow協(xié)議

項(xiàng)目擴(kuò)充現(xiàn)有的OpenFlow協(xié)議中的“action”字段，以自定義action作為流表的指令—?jiǎng)幼髡{(diào)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將把OpenFlow協(xié)議擴(kuò)展到了物聯(lián)網(wǎng)，把每個(gè)自定義的action對應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的應(yīng)用，在添加新的action后，添加的action由用戶態(tài)的ofctl組件將包含新action的流表推入vswitchd，在經(jīng)過識(shí)別和處理后傳入內(nèi)核模塊openvswitch.ko進(jìn)行解析和處理，新的OVS模塊經(jīng)編譯組建后就可下發(fā)包含新添加的action的流表，OVS Pi節(jié)點(diǎn)在交換層收到新的action的流表后只需通過與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的接口的運(yùn)作便可進(jìn)行物理世界的協(xié)作感知。

1.3 SDN控制器REST API與物聯(lián)網(wǎng)的接口

在OVS Pi的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過基于OpenFlow的邏輯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以解析Floodlight的REST API的URL，通過將流表的action字段解析來編寫物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的接口。當(dāng)SDN下發(fā)的流表的action匹配到時(shí)，則執(zhí)行所對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

我們設(shè)計(jì)一個(gè)API以爬取Floodlight控制器北向REST API的URL來解析相應(yīng)的SDN的信息，以控制器發(fā)給節(jié)點(diǎn)的流表作為分析的對象，解析出action字段的值進(jìn)行相應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用執(zhí)行的匹配。

在實(shí)驗(yàn)過程中，查看受控于Floodlight控制器的節(jié)點(diǎn)的dpid以及IP的地址后節(jié)點(diǎn)執(zhí)行API腳本監(jiān)聽，對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送流表如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)作出響應(yīng)，由控制器操控監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，智能小車開始移動(dòng)和實(shí)時(shí)監(jiān)控如圖3所示。

由實(shí)驗(yàn)過程可以看出，利用設(shè)計(jì)出的API，可通過控制器下發(fā)流表來喚醒MANET節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的功能，而一臺(tái)控制器操縱多個(gè)MANET節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)簡化MANET網(wǎng)絡(luò)具體的應(yīng)用，對于數(shù)據(jù)采集和行為管理有了顯著的提升。

2 結(jié)語

本項(xiàng)目的總體研究目標(biāo)是針對民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，網(wǎng)絡(luò)部署較差的現(xiàn)狀而搭建的一個(gè)實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧區(qū)監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)。平臺(tái)還擴(kuò)展了OpenFlow協(xié)議使其支持更多的“action”字段，以SDN的方式令OVS Pi進(jìn)行物理世界相互協(xié)作的感知。本項(xiàng)目利用SDN、OVS以及樹莓派的OVS Pi，集中式管控由OVS Pi在農(nóng)牧區(qū)搭建的MANET網(wǎng)絡(luò)并生成全局拓?fù)鋪肀O(jiān)控農(nóng)牧區(qū)實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)牧區(qū)生態(tài)環(huán)境的全面監(jiān)控，旨在解決少數(shù)民族經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)牧區(qū)草場和牧群監(jiān)測困難的問題。

[參考文獻(xiàn)]

[1]章榮利，李琳彬.基于西藏農(nóng)牧區(qū)草原土壤溫濕度pH監(jiān)控系統(tǒng)[J].西藏科技，2014（5）：76-78.

[2]魏興琥，楊萍，王亞軍，等.西藏那曲現(xiàn)行草場管理方式與草地退化的關(guān)系[J].草業(yè)科學(xué)，2003（9）：49-53.