基于開(kāi)源AIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智慧牧場(chǎng)仿真實(shí)現(xiàn)

張吉圭

（貴州城市職業(yè)學(xué)院 電子信息教研室，貴州 貴陽(yáng) 550025）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，生活物質(zhì)水平也不斷提高，消費(fèi)者的需求從“量變”轉(zhuǎn)換為“質(zhì)變”，對(duì)牛奶飲品提出了更高的要求，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)的牧場(chǎng)牛奶產(chǎn)業(yè)還處于初級(jí)階段，特別是生產(chǎn)水平、疾病預(yù)防、高效安全管理、奶制品安全方面和發(fā)達(dá)國(guó)家比較還有較大的差距。通過(guò)全面引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)牧場(chǎng)奶牛及其畜牧環(huán)境全天候監(jiān)控，監(jiān)測(cè)和記錄牲畜數(shù)據(jù)，從而達(dá)到提升牛奶質(zhì)量和牧場(chǎng)利潤(rùn)的目的，在此基礎(chǔ)上，對(duì)牧場(chǎng)及牲畜進(jìn)行全方位的管理開(kāi)發(fā)，從而產(chǎn)生更大的效益。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)硬件和軟件的仿真系統(tǒng)較少，以新大陸AIoT和開(kāi)源的ThingsBoard仿真解決方案為物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)仿真提供了參考。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)由四層技術(shù)棧構(gòu)成，IoT傳感層采集信息數(shù)據(jù)，新大陸AIoT在線仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)硬件的連接和調(diào)試，IoT通信接入層連接硬件與平臺(tái)軟件，采用Lo－RaWAN通信協(xié)議打通數(shù)據(jù)傳輸通道，IoT平臺(tái)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，利用開(kāi)源的ThingsBoard平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控顯示，IoT應(yīng)用層負(fù)責(zé)和用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成牧場(chǎng)的物聯(lián)和控制。總體架構(gòu)如圖1所示。智慧牧場(chǎng)仿真系統(tǒng)主要利用開(kāi)源的仿真平臺(tái)和云平臺(tái)，采集環(huán)境的溫濕度，牧場(chǎng)牲畜的健康狀態(tài)，設(shè)備執(zhí)行狀態(tài)發(fā)送到云端平臺(tái)，通過(guò)遠(yuǎn)程的設(shè)備端或WEB端能夠查看數(shù)據(jù)，控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并可遠(yuǎn)程執(zhí)行命令等。系統(tǒng)把實(shí)際的工程方案進(jìn)行仿真運(yùn)行、調(diào)試，為安裝部署提供數(shù)據(jù)和方案支撐。

圖1 智慧牧場(chǎng)總體架構(gòu)圖

2 硬件及傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述

2.1 電子項(xiàng)圈

電子項(xiàng)圈可以對(duì)奶牛活動(dòng)位置進(jìn)行定位和監(jiān)控，對(duì)運(yùn)動(dòng)量計(jì)數(shù)，還能監(jiān)測(cè)奶牛的發(fā)情期，從而監(jiān)測(cè)奶牛采食量，奶牛健康狀況，將準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，為奶牛配種提供數(shù)據(jù)支撐，以此來(lái)完成良種繁育的目標(biāo)。選用LoRa網(wǎng)關(guān)的電子項(xiàng)圈，采用太陽(yáng)能電池的供電方式，有如下特點(diǎn)：有效通信距離可達(dá)密集環(huán)境3～6km，有定位精度高、超低功耗、智能管理、電子圍欄、防水、防拆等優(yōu)點(diǎn)。在新大陸AIoT仿真平臺(tái)上的連接圖如圖2所示。通過(guò)一個(gè)485總線型的GPS連接LoRa節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成LoRa協(xié)議的GPS項(xiàng)圈仿真設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)查看數(shù)據(jù)，配置設(shè)備信息等操作。

圖2 仿真電子項(xiàng)圈（LoRa GPS）傳感器圖

2.2 溫濕度傳感器及恒溫控制設(shè)備

為了實(shí)現(xiàn)牧場(chǎng)牛棚自動(dòng)恒溫控制，需要在牛棚內(nèi)部設(shè)置溫濕度傳感器和風(fēng)扇。其中風(fēng)扇進(jìn)行溫濕度和循環(huán)風(fēng)的控制，485總線型的溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)溫濕度，能夠便捷地連接LoRa網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和遠(yuǎn)程控制。具有系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)單，成本低，易維護(hù)，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。溫濕度傳感器在AIoT仿真平臺(tái)上連接圖如圖3所示。

圖3 仿真溫濕度傳感器圖

恒溫控制設(shè)備用研華ADAM4015模塊和繼電器進(jìn)行連接，ADAM4015為所有通道都提供了可編程的輸入范圍，同時(shí)具有斷線檢測(cè)功能，為工業(yè)測(cè)量和監(jiān)控的應(yīng)用提供很好的性價(jià)比，同時(shí)支持Advantech的ASCII協(xié)議，也支持Modbus協(xié)議，具備輸出控制和信號(hào)輸入采集的功能。系統(tǒng)可通過(guò)上位機(jī)軟件Utility進(jìn)行信號(hào)輸入輸出的配置，智慧牧場(chǎng)中ADAM4015作為輸出控制，接收云端發(fā)送的LoRa控制信號(hào)，輸出使繼電器工作來(lái)控制風(fēng)扇的開(kāi)啟與關(guān)閉，從而達(dá)到控制的目的，其仿真圖如圖4所示。

圖4 恒溫控制設(shè)備風(fēng)扇仿真圖

2.3 LoRaWAN協(xié)議

LoRa（Long Range Radio，遠(yuǎn)距離無(wú)線電）是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的無(wú)線平臺(tái)。Semtech的LoRa芯片組將傳感器連接到云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和分析的實(shí)時(shí)通信，從而提高效率和生產(chǎn)率。LoRaWAN是SEMTECH公司為L(zhǎng)oRa通信定義的一種技術(shù)棧，如圖5所示，是一種LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功率廣域網(wǎng)絡(luò)）。這一無(wú)線通信方案為用戶提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗的無(wú)線通信手段。它最大的特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。

圖5 LoRaWAN技術(shù)棧

2.4 LoRa網(wǎng)關(guān)

在仿真平臺(tái)中LoRa網(wǎng)關(guān)由：一個(gè)ChirpStack網(wǎng)關(guān)+一個(gè)LoRaWAN Master結(jié)點(diǎn)組成，它們通過(guò)RS485接口連接在一起。ChirpStack開(kāi)源LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器堆棧，為L(zhǎng)oRaWAN網(wǎng)絡(luò)提供開(kāi)源組件。它們共同構(gòu)成了一個(gè)現(xiàn)成的解決方案，包括用于設(shè)備管理的用戶友好的WEB界面和用于集成的API。模塊化體系結(jié)構(gòu)使得在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中集成成為可能。國(guó)內(nèi)相當(dāng)多的廠家都在使用這個(gè)ChirpStack，它可能是最有影響力的Lo－RaWAN服務(wù)器開(kāi)源項(xiàng)目。

部署ChirpStack服務(wù)器，在AIoT平臺(tái)提供的虛擬機(jī)上安裝ChirpStack，為新裝的ChirpStack配置相應(yīng)的LoRaWAN的參數(shù)，為它配置連接ThingsBoard的參數(shù)，然后，在它上面，為智慧牧場(chǎng)項(xiàng)目創(chuàng)建相應(yīng)的實(shí)體。其中使用Docker Compose快速部署ChirpStack服務(wù)端。下載docker-compose壓縮文件，解壓縮，修改docker-compose的參數(shù)，最后，使用docker-compose up-d命令安裝ChirpStack。安裝成功會(huì)出現(xiàn)如圖6的界面。Chirp－Stack安裝完成后，通過(guò)ChirpStack的管理界面進(jìn)行network-server服務(wù)配置進(jìn)行LoRa網(wǎng)關(guān)配置文件，文件中定義LoRa網(wǎng)關(guān)使用LoRa信道參數(shù)；進(jìn)行服務(wù)配置文件的添加，配置文件在添加應(yīng)用時(shí)需要用到；最后需添加設(shè)備配置文件，這個(gè)配置文件定義了LoRaWAN傳感層設(shè)備需要的參數(shù)。這樣ChirpStack網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器就安裝部署好了，為智慧牧場(chǎng)系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)。

圖6 ChirpStack安裝成功界面

3 ThingsBoard平臺(tái)概述

ThingsBoard是用于數(shù)據(jù)收集、處理、可視化和設(shè)備管理的開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。它通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT、CoAP和HTTP實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接，并支持云和本地部署。ThingsBoard具有可伸縮性、容錯(cuò)性和性能優(yōu)越的特點(diǎn)，因此永遠(yuǎn)不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。使用豐富的服務(wù)端API以安全的方式配置、監(jiān)視和控制IoT實(shí)體。定義設(shè)備、資產(chǎn)、客戶或任何其他實(shí)體之間的關(guān)系，以可擴(kuò)展且容錯(cuò)的方式收集和存儲(chǔ)遙測(cè)數(shù)據(jù)。使用內(nèi)置或自定義的小部件以及靈活的儀表盤(pán)可視化數(shù)據(jù)。智慧牧場(chǎng)項(xiàng)目中，所有的傳感層設(shè)備最終需要通過(guò)ChirpStack接入Things－Board平臺(tái)，要設(shè)置ChirpStack接入ThingsBoard的參數(shù)，設(shè)置每個(gè)傳感器設(shè)備變量、設(shè)備參數(shù)、通信配置、ThingsBoard平臺(tái)的配置，實(shí)現(xiàn)牧場(chǎng)數(shù)據(jù)在ThingsBoard上的監(jiān)控。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試分析

根據(jù)AIoT在線實(shí)訓(xùn)仿真，設(shè)備連接，ChirpStack網(wǎng)絡(luò)組件的配置，ThingsBoard平臺(tái)的搭建，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，能夠滿足智慧牧場(chǎng)系統(tǒng)的仿真測(cè)試，達(dá)到仿真設(shè)計(jì)的目的，其仿真測(cè)試效果圖如圖7所示。

圖7 仿真測(cè)試效果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了以在線AIoT實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和開(kāi)源Things－Board來(lái)進(jìn)行仿真的智慧牧場(chǎng)系統(tǒng)，結(jié)合ChirpStack網(wǎng)絡(luò)組件的安裝、LoRa網(wǎng)關(guān)的配置、硬件線路的連接、完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，方案的綜合調(diào)試和仿真測(cè)試，驗(yàn)證了該智慧牧場(chǎng)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、性能可靠、操作方便。另外，為物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)提供解決方案，為云端遠(yuǎn)程監(jiān)控及智慧牧場(chǎng)、智慧農(nóng)場(chǎng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中提供思路和參考。