基于开源AIoT物联网平台的智慧牧场仿真实现

张吉圭

（贵州城市职业学院 电子信息教研室，贵州 贵阳 550025）

随着经济社会的发展，物联网技术的应用越来越广泛，生活物质水平也不断提高，消费者的需求从“量变”转换为“质变”，对牛奶饮品提出了更高的要求，与发达国家相比，中国的牧场牛奶产业还处于初级阶段，特别是生产水平、疾病预防、高效安全管理、奶制品安全方面和发达国家比较还有较大的差距。通过全面引入物联网技术，实现对牧场奶牛及其畜牧环境全天候监控，监测和记录牲畜数据，从而达到提升牛奶质量和牧场利润的目的，在此基础上，对牧场及牲畜进行全方位的管理开发，从而产生更大的效益。同时，目前国内的物联网硬件和软件的仿真系统较少，以新大陆AIoT和开源的ThingsBoard仿真解决方案为物联网的系统仿真提供了参考。

1 系统的总体架构

物联网平台由四层技术栈构成，IoT传感层采集信息数据，新大陆AIoT在线仿真实训平台实现硬件的连接和调试，IoT通信接入层连接硬件与平台软件，采用Lo－RaWAN通信协议打通数据传输通道，IoT平台层实现数据存储，利用开源的ThingsBoard平台实现数据的监控显示，IoT应用层负责和用户进行数据交互，完成牧场的物联和控制。总体架构如图1所示。智慧牧场仿真系统主要利用开源的仿真平台和云平台，采集环境的温湿度，牧场牲畜的健康状态，设备执行状态发送到云端平台，通过远程的设备端或WEB端能够查看数据，控制设备的运行状态，并可远程执行命令等。系统把实际的工程方案进行仿真运行、调试，为安装部署提供数据和方案支撑。

图1 智慧牧场总体架构图

2 硬件及传感网络协议概述

2.1 电子项圈

电子项圈可以对奶牛活动位置进行定位和监控，对运动量计数，还能监测奶牛的发情期，从而监测奶牛采食量，奶牛健康状况，将准确的数据发送到云平台，为奶牛配种提供数据支撑，以此来完成良种繁育的目标。选用LoRa网关的电子项圈，采用太阳能电池的供电方式，有如下特点：有效通信距离可达密集环境3～6km，有定位精度高、超低功耗、智能管理、电子围栏、防水、防拆等优点。在新大陆AIoT仿真平台上的连接图如图2所示。通过一个485总线型的GPS连接LoRa节点，构成LoRa协议的GPS项圈仿真设备，能够实时查看数据，配置设备信息等操作。

图2 仿真电子项圈（LoRa GPS）传感器图

2.2 温湿度传感器及恒温控制设备

为了实现牧场牛棚自动恒温控制，需要在牛棚内部设置温湿度传感器和风扇。其中风扇进行温湿度和循环风的控制，485总线型的温湿度传感器监测温湿度，能够便捷地连接LoRa网关，进行数据交互和远程控制。具有系统搭建简单，成本低，易维护，操作简单等特点。温湿度传感器在AIoT仿真平台上连接图如图3所示。

图3 仿真温湿度传感器图

恒温控制设备用研华ADAM4015模块和继电器进行连接，ADAM4015为所有通道都提供了可编程的输入范围，同时具有断线检测功能，为工业测量和监控的应用提供很好的性价比，同时支持Advantech的ASCII协议，也支持Modbus协议，具备输出控制和信号输入采集的功能。系统可通过上位机软件Utility进行信号输入输出的配置，智慧牧场中ADAM4015作为输出控制，接收云端发送的LoRa控制信号，输出使继电器工作来控制风扇的开启与关闭，从而达到控制的目的，其仿真图如图4所示。

图4 恒温控制设备风扇仿真图

2.3 LoRaWAN协议

LoRa（Long Range Radio，远距离无线电）是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，是物联网（IoT）的无线平台。Semtech的LoRa芯片组将传感器连接到云端，实现数据和分析的实时通信，从而提高效率和生产率。LoRaWAN是SEMTECH公司为LoRa通信定义的一种技术栈，如图5所示，是一种LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功率广域网络）。这一无线通信方案为用户提供一种简单的能实现远距离、低功耗的无线通信手段。它最大的特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3～5倍。

图5 LoRaWAN技术栈

2.4 LoRa网关

在仿真平台中LoRa网关由：一个ChirpStack网关+一个LoRaWAN Master结点组成，它们通过RS485接口连接在一起。ChirpStack开源LoRaWAN网络服务器堆栈，为LoRaWAN网络提供开源组件。它们共同构成了一个现成的解决方案，包括用于设备管理的用户友好的WEB界面和用于集成的API。模块化体系结构使得在现有基础设施中集成成为可能。国内相当多的厂家都在使用这个ChirpStack，它可能是最有影响力的Lo－RaWAN服务器开源项目。

部署ChirpStack服务器，在AIoT平台提供的虚拟机上安装ChirpStack，为新装的ChirpStack配置相应的LoRaWAN的参数，为它配置连接ThingsBoard的参数，然后，在它上面，为智慧牧场项目创建相应的实体。其中使用Docker Compose快速部署ChirpStack服务端。下载docker-compose压缩文件，解压缩，修改docker-compose的参数，最后，使用docker-compose up-d命令安装ChirpStack。安装成功会出现如图6的界面。Chirp－Stack安装完成后，通过ChirpStack的管理界面进行network-server服务配置进行LoRa网关配置文件，文件中定义LoRa网关使用LoRa信道参数；进行服务配置文件的添加，配置文件在添加应用时需要用到；最后需添加设备配置文件，这个配置文件定义了LoRaWAN传感层设备需要的参数。这样ChirpStack网络服务器就安装部署好了，为智慧牧场系统提供网络传输服务。

图6 ChirpStack安装成功界面

3 ThingsBoard平台概述

ThingsBoard是用于数据收集、处理、可视化和设备管理的开源物联网平台。它通过行业标准的物联网协议MQTT、CoAP和HTTP实现设备连接，并支持云和本地部署。ThingsBoard具有可伸缩性、容错性和性能优越的特点，因此永远不会丢失数据。使用丰富的服务端API以安全的方式配置、监视和控制IoT实体。定义设备、资产、客户或任何其他实体之间的关系，以可扩展且容错的方式收集和存储遥测数据。使用内置或自定义的小部件以及灵活的仪表盘可视化数据。智慧牧场项目中，所有的传感层设备最终需要通过ChirpStack接入Things－Board平台，要设置ChirpStack接入ThingsBoard的参数，设置每个传感器设备变量、设备参数、通信配置、ThingsBoard平台的配置，实现牧场数据在ThingsBoard上的监控。

4 实验结果测试分析

根据AIoT在线实训仿真，设备连接，ChirpStack网络组件的配置，ThingsBoard平台的搭建，对测试结果进行分析总结，能够满足智慧牧场系统的仿真测试，达到仿真设计的目的，其仿真测试效果图如图7所示。

图7 仿真测试效果图

5 结束语

该文设计了以在线AIoT实训平台和开源Things－Board来进行仿真的智慧牧场系统，结合ChirpStack网络组件的安装、LoRa网关的配置、硬件线路的连接、完成了系统的软硬件设计，方案的综合调试和仿真测试，验证了该智慧牧场系统软硬件设计结构合理、性能可靠、操作方便。另外，为物联网控制系统的仿真实现提供解决方案，为云端远程监控及智慧牧场、智慧农场在设计过程中提供思路和参考。