面向民族地區農牧業的物聯網應用平臺開發研究

馬偉　王磊　朱睿明

摘 要：農牧業是我國部分民族地區的支柱產業，然而，部分民族地區基礎設施欠發達，農牧業監控網絡部署條件差、集中管控難度大，農牧區智能化、自動化、移動性、低成本監控問題亟需解決。文章探索面向民族地區農牧監控的物聯網應用平臺：OVS Pi（安裝OVS交換機的樹莓派），結合軟件定義網絡技術，以幫助相關部門對農牧區的管理，促進民族地區農牧業的建設。

關鍵詞：民族地區；農牧業；軟件定義網絡；物聯網

我國少數民族地區具有地廣人稀的特征，經濟發展較為落后，農牧區面積較大且有監控需求，但往往由于經費受限，難以搭建起農牧區的監控系統。例如西藏地區因為其獨特的地理環境和生態環境，使得草原分布零散和生態環境脆弱，而農牧區人民的生活主要是依托放牧為基礎，但氣候等因素變化造成草原環境多變，由于西藏草原變化基本處于無人檢測的狀態，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重[2]，而目前難以找到一種低成本且動態監測草原變化的設備應用于農牧區，基于對以上原因的深入分析，迫切需要一種能夠時刻動態監測草原變化的設備。

1 平臺設計及功能實現

1.1 OVS Pi節點的構建

OVS Pi由于構建較為復雜，因此以其實現的不同功能為劃分，將OVS Pi節點分為3個層次，分別為設備層、系統層、交換層。如圖1所示。

1.1.1 設備層

設備層提供移動性和對物理世界的感知能力，提供基礎的物聯網節點能力。OVS Pi在設備層增加了智能小車作為節點移動性支持，智能小車可通過編程的方式使其驅動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高清攝像頭，可供OVS Pi調用配合小車實現移動監控的物聯網應用。由于樹莓派通過Arduino板與小車建立底層通信，所以OVS Pi可直接通過小車已有的驅動接口來實現小車驅動的控制。在攝像頭的畫面捕捉方面，通過在OVS Pi的Raspbian系統上安裝Opencv模塊實現計算機視覺感知功能，從而調用小車的攝像頭進行移動監控。

1.1.2 系統層

OVS Pi的系統層提供組網能力、計算能力和存儲能力，包含完整的TCP/IP協議棧和MANET協議棧，建立Ad Hoc形式的自組織網絡實現OVS Pi間底層的網絡通信，并具有一定的靈活性。同時系統層還提供了可觀的計算能力和存儲能力，此系統層上相當于物聯網中中間件的作用，不僅支持感知和移動能力，進行物聯網感知，還能為上層提供計算服務和通信基礎。系統層還能安裝SDN控制器，為OVS Pi節點組成的網絡進行集中高效的管理。并且可以編寫腳本為上層和底層的通信提供一個應用編程接口。

1.1.3 交換層

交換層提供SDN數據平面，受控于SDN控制器，達到對整個節點的集中式管控的目的。為使具備了物聯網感知能力和MANET自組織組網能力的OVS Pi實現Software-Defined Ad Hoc IoT的功能，需要將OVS交換機安裝到樹莓派上實現交換層的功能。在這個層次OVS作為SDN的交換設備，搭建基于OpenFlow的邏輯網絡是系統實現的關鍵部分，其中利用VxLAN的技術搭建節點兩端的隧道實現OVS Pi各個節點之間的OVS連接將重構原本的自組織網絡。

1.2 OVS擴展OpenFlow協議

項目擴充現有的OpenFlow協議中的“action”字段，以自定義action作為流表的指令—動作調用物聯網應用將把OpenFlow協議擴展到了物聯網，把每個自定義的action對應一個相應的應用，在添加新的action后，添加的action由用戶態的ofctl組件將包含新action的流表推入vswitchd，在經過識別和處理后傳入內核模塊openvswitch.ko進行解析和處理，新的OVS模塊經編譯組建后就可下發包含新添加的action的流表，OVS Pi節點在交換層收到新的action的流表后只需通過與物聯網應用的接口的運作便可進行物理世界的協作感知。

1.3 SDN控制器REST API與物聯網的接口

在OVS Pi的物聯網應用中，每個節點之間通過基于OpenFlow的邏輯網絡進行網絡通信，每個節點都可以解析Floodlight的REST API的URL，通過將流表的action字段解析來編寫物聯網應用程序的接口。當SDN下發的流表的action匹配到時，則執行所對應的物聯網應用。

我們設計一個API以爬取Floodlight控制器北向REST API的URL來解析相應的SDN的信息，以控制器發給節點的流表作為分析的對象，解析出action字段的值進行相應物聯網應用執行的匹配。

在實驗過程中，查看受控于Floodlight控制器的節點的dpid以及IP的地址后節點執行API腳本監聽，對目標節點發送流表如圖2所示。

節點作出響應，由控制器操控監控節點，智能小車開始移動和實時監控如圖3所示。

由實驗過程可以看出，利用設計出的API，可通過控制器下發流表來喚醒MANET節點的物聯網應用的功能，而一臺控制器操縱多個MANET節點的實現簡化MANET網絡具體的應用，對于數據采集和行為管理有了顯著的提升。

2 結語

本項目的總體研究目標是針對民族地區經濟欠發達，網絡部署較差的現狀而搭建的一個實現農牧區監控的物聯網應用平臺。平臺還擴展了OpenFlow協議使其支持更多的“action”字段，以SDN的方式令OVS Pi進行物理世界相互協作的感知。本項目利用SDN、OVS以及樹莓派的OVS Pi，集中式管控由OVS Pi在農牧區搭建的MANET網絡并生成全局拓撲來監控農牧區實時信息，實現對農牧區生態環境的全面監控，旨在解決少數民族經濟欠發達地區農牧區草場和牧群監測困難的問題。

[參考文獻]

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

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