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)基礎設施欠發(fā)達，農(nóng)牧業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡部署條件差、集中管控難度大，農(nóng)牧區(qū)智能化、自動化、移動性、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)應用平臺：OVS Pi（安裝OVS交換機的樹莓派），結合軟件定義網(wǎng)絡技術，以幫助相關部門對農(nóng)牧區(qū)的管理，促進民族地區(qū)農(nóng)牧業(yè)的建設。

關鍵詞：民族地區(qū)；農(nóng)牧業(yè)；軟件定義網(wǎng)絡；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)因為其獨特的地理環(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，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重[2]，而目前難以找到一種低成本且動態(tài)監(jiān)測草原變化的設備應用于農(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刻動態(tài)監(jiān)測草原變化的設備。

1 平臺設計及功能實現(xiàn)

1.1 OVS Pi節(jié)點的構建

OVS Pi由于構建較為復雜，因此以其實現(xiàn)的不同功能為劃分，將OVS Pi節(jié)點分為3個層次，分別為設備層、系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)節(jié)點能力。OVS Pi在設備層增加了智能小車作為節(jié)點移動性支持，智能小車可通過編程的方式使其驅(qū)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(diào)用配合小車實現(xiàn)移動監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)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(qū)動接口來實現(xiàn)小車驅(qū)動的控制。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模塊實現(xiàn)計算機視覺感知功能，從而調(diào)用小車的攝像頭進行移動監(jiān)控。

1.1.2 系統(tǒng)層

OVS Pi的系統(tǒng)層提供組網(wǎng)能力、計算能力和存儲能力，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)絡實現(xiàn)OVS Pi間底層的網(wǎng)絡通信，并具有一定的靈活性。同時系統(tǒng)層還提供了可觀的計算能力和存儲能力，此系統(tǒng)層上相當于物聯(lián)網(wǎng)中中間件的作用，不僅支持感知和移動能力，進行物聯(lián)網(wǎng)感知，還能為上層提供計算服務和通信基礎。系統(tǒng)層還能安裝SDN控制器，為OVS Pi節(jié)點組成的網(wǎng)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(shù)據(jù)平面，受控于SDN控制器，達到對整個節(jié)點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實現(xiàn)Software-Defined Ad Hoc IoT的功能，需要將OVS交換機安裝到樹莓派上實現(xiàn)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(wǎng)絡是系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵部分，其中利用VxLAN的技術搭建節(jié)點兩端的隧道實現(xiàn)OVS Pi各個節(jié)點之間的OVS連接將重構原本的自組織網(wǎng)絡。

1.2 OVS擴展OpenFlow協(xié)議

項目擴充現(xiàn)有的OpenFlow協(xié)議中的“action”字段，以自定義action作為流表的指令—動作調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)應用將把OpenFlow協(xié)議擴展到了物聯(lián)網(wǎng)，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(tài)的ofctl組件將包含新action的流表推入vswitchd，在經(jīng)過識別和處理后傳入內(nèi)核模塊openvswitch.ko進行解析和處理，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)點在交換層收到新的action的流表后只需通過與物聯(lián)網(wǎng)應用的接口的運作便可進行物理世界的協(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)應用中，每個節(jié)點之間通過基于OpenFlow的邏輯網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡通信，每個節(jié)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(lián)網(wǎng)應用程序的接口。當SDN下發(fā)的流表的action匹配到時，則執(zhí)行所對應的物聯(lián)網(wǎng)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(fā)給節(jié)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(lián)網(wǎng)應用執(zhí)行的匹配。

在實驗過程中，查看受控于Floodlight控制器的節(jié)點的dpid以及IP的地址后節(jié)點執(zhí)行API腳本監(jiān)聽，對目標節(jié)點發(fā)送流表如圖2所示。

節(jié)點作出響應，由控制器操控監(jiān)控節(jié)點，智能小車開始移動和實時監(jiān)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(fā)流表來喚醒MANET節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)應用的功能，而一臺控制器操縱多個MANET節(jié)點的實現(xiàn)簡化MANET網(wǎng)絡具體的應用，對于數(shù)據(jù)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(qū)經(jīng)濟欠發(fā)達，網(wǎng)絡部署較差的現(xiàn)狀而搭建的一個實現(xiàn)農(nóng)牧區(qū)監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)應用平臺。平臺還擴展了OpenFlow協(xié)議使其支持更多的“action”字段，以SDN的方式令OVS Pi進行物理世界相互協(xié)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(nóng)牧區(qū)搭建的MANET網(wǎng)絡并生成全局拓撲來監(jiān)控農(nóng)牧區(qū)實時信息，實現(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)濟欠發(fā)達地區(qū)農(nóng)牧區(qū)草場和牧群監(jiān)測困難的問題。

[參考文獻]

[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系[J].草業(yè)科學，2003（9）：49-53.