面向民族地区农牧业的物联网应用平台开发研究

马伟　王磊　朱睿明

摘 要：农牧业是我国部分民族地区的支柱产业，然而，部分民族地区基础设施欠发达，农牧业监控网络部署条件差、集中管控难度大，农牧区智能化、自动化、移动性、低成本监控问题亟需解决。文章探索面向民族地区农牧监控的物联网应用平台：OVS Pi（安装OVS交换机的树莓派），结合软件定义网络技术，以帮助相关部门对农牧区的管理，促进民族地区农牧业的建设。

关键词：民族地区；农牧业；软件定义网络；物联网

我国少数民族地区具有地广人稀的特征，经济发展较为落后，农牧区面积较大且有监控需求，但往往由于经费受限，难以搭建起农牧区的监控系统。例如西藏地区因为其独特的地理环境和生态环境，使得草原分布零散和生态环境脆弱，而农牧区人民的生活主要是依托放牧为基础，但气候等因素变化造成草原环境多变，由于西藏草原变化基本处于无人检测的状态，一方面牧民找不到合适的草场放牧[1]，另一方面由于过度放牧造成草场退化日益严重[2]，而目前难以找到一种低成本且动态监测草原变化的设备应用于农牧区，基于对以上原因的深入分析，迫切需要一种能够时刻动态监测草原变化的设备。

1 平台设计及功能实现

1.1 OVS Pi节点的构建

OVS Pi由于构建较为复杂，因此以其实现的不同功能为划分，将OVS Pi节点分为3个层次，分别为设备层、系统层、交换层。如图1所示。

1.1.1 设备层

设备层提供移动性和对物理世界的感知能力，提供基础的物联网节点能力。OVS Pi在设备层增加了智能小车作为节点移动性支持，智能小车可通过编程的方式使其驱动并支持和树莓派的底层的通信。除此之外，小车上还搭载了一个高清摄像头，可供OVS Pi调用配合小车实现移动监控的物联网应用。由于树莓派通过Arduino板与小车建立底层通信，所以OVS Pi可直接通过小车已有的驱动接口来实现小车驱动的控制。在摄像头的画面捕捉方面，通过在OVS Pi的Raspbian系统上安装Opencv模块实现计算机视觉感知功能，从而调用小车的摄像头进行移动监控。

1.1.2 系统层

OVS Pi的系统层提供组网能力、计算能力和存储能力，包含完整的TCP/IP协议栈和MANET协议栈，建立Ad Hoc形式的自组织网络实现OVS Pi间底层的网络通信，并具有一定的灵活性。同时系统层还提供了可观的计算能力和存储能力，此系统层上相当于物联网中中间件的作用，不仅支持感知和移动能力，进行物联网感知，还能为上层提供计算服务和通信基础。系统层还能安装SDN控制器，为OVS Pi节点组成的网络进行集中高效的管理。并且可以编写脚本为上层和底层的通信提供一个应用编程接口。

1.1.3 交换层

交换层提供SDN数据平面，受控于SDN控制器，达到对整个节点的集中式管控的目的。为使具备了物联网感知能力和MANET自组织组网能力的OVS Pi实现Software-Defined Ad Hoc IoT的功能，需要将OVS交换机安装到树莓派上实现交换层的功能。在这个层次OVS作为SDN的交换设备，搭建基于OpenFlow的逻辑网络是系统实现的关键部分，其中利用VxLAN的技术搭建节点两端的隧道实现OVS Pi各个节点之间的OVS连接将重构原本的自组织网络。

1.2 OVS扩展OpenFlow协议

项目扩充现有的OpenFlow协议中的“action”字段，以自定义action作为流表的指令—动作调用物联网应用将把OpenFlow协议扩展到了物联网，把每个自定义的action对应一个相应的应用，在添加新的action后，添加的action由用户态的ofctl组件将包含新action的流表推入vswitchd，在经过识别和处理后传入内核模块openvswitch.ko进行解析和处理，新的OVS模块经编译组建后就可下发包含新添加的action的流表，OVS Pi节点在交换层收到新的action的流表后只需通过与物联网应用的接口的运作便可进行物理世界的协作感知。

1.3 SDN控制器REST API与物联网的接口

在OVS Pi的物联网应用中，每个节点之间通过基于OpenFlow的逻辑网络进行网络通信，每个节点都可以解析Floodlight的REST API的URL，通过将流表的action字段解析来编写物联网应用程序的接口。当SDN下发的流表的action匹配到时，则执行所对应的物联网应用。

我们设计一个API以爬取Floodlight控制器北向REST API的URL来解析相应的SDN的信息，以控制器发给节点的流表作为分析的对象，解析出action字段的值进行相应物联网应用执行的匹配。

在实验过程中，查看受控于Floodlight控制器的节点的dpid以及IP的地址后节点执行API脚本监听，对目标节点发送流表如图2所示。

节点作出响应，由控制器操控监控节点，智能小车开始移动和实时监控如图3所示。

由实验过程可以看出，利用设计出的API，可通过控制器下发流表来唤醒MANET节点的物联网应用的功能，而一台控制器操纵多个MANET节点的实现简化MANET网络具体的应用，对于数据采集和行为管理有了显著的提升。

2 结语

本项目的总体研究目标是针对民族地区经济欠发达，网络部署较差的现狀而搭建的一个实现农牧区监控的物联网应用平台。平台还扩展了OpenFlow协议使其支持更多的“action”字段，以SDN的方式令OVS Pi进行物理世界相互协作的感知。本项目利用SDN、OVS以及树莓派的OVS Pi，集中式管控由OVS Pi在农牧区搭建的MANET网络并生成全局拓扑来监控农牧区实时信息，实现对农牧区生态环境的全面监控，旨在解决少数民族经济欠发达地区农牧区草场和牧群监测困难的问题。

[参考文献]

[1]章荣利，李琳彬.基于西藏农牧区草原土壤温湿度pH监控系统[J].西藏科技，2014（5）：76-78.

[2]魏兴琥，杨萍，王亚军，等.西藏那曲现行草场管理方式与草地退化的关系[J].草业科学，2003（9）：49-53.