基于開源AIoT物聯(lián)網(wǎng)平臺的智慧牧場仿真實現(xiàn)

張吉圭

（貴州城市職業(yè)學院 電子信息教研室，貴州 貴陽 550025）

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用越來越廣泛，生活物質(zhì)水平也不斷提高，消費者的需求從“量變”轉(zhuǎn)換為“質(zhì)變”，對牛奶飲品提出了更高的要求，與發(fā)達國家相比，中國的牧場牛奶產(chǎn)業(yè)還處于初級階段，特別是生產(chǎn)水平、疾病預防、高效安全管理、奶制品安全方面和發(fā)達國家比較還有較大的差距。通過全面引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對牧場奶牛及其畜牧環(huán)境全天候監(jiān)控，監(jiān)測和記錄牲畜數(shù)據(jù)，從而達到提升牛奶質(zhì)量和牧場利潤的目的，在此基礎(chǔ)上，對牧場及牲畜進行全方位的管理開發(fā)，從而產(chǎn)生更大的效益。同時，目前國內(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在線仿真實訓平臺實現(xiàn)硬件的連接和調(diào)試，IoT通信接入層連接硬件與平臺軟件，采用Lo－RaWAN通信協(xié)議打通數(shù)據(jù)傳輸通道，IoT平臺層實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，利用開源的ThingsBoard平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控顯示，IoT應用層負責和用戶進行數(shù)據(jù)交互，完成牧場的物聯(lián)和控制?？傮w架構(gòu)如圖1所示。智慧牧場仿真系統(tǒng)主要利用開源的仿真平臺和云平臺，采集環(huán)境的溫濕度，牧場牲畜的健康狀態(tài)，設(shè)備執(zhí)行狀態(tài)發(fā)送到云端平臺，通過遠程的設(shè)備端或WEB端能夠查看數(shù)據(jù)，控制設(shè)備的運行狀態(tài)，并可遠程執(zhí)行命令等。系統(tǒng)把實際的工程方案進行仿真運行、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 電子項圈

電子項圈可以對奶?；顒游恢眠M行定位和監(jiān)控，對運動量計數(shù)，還能監(jiān)測奶牛的發(fā)情期，從而監(jiān)測奶牛采食量，奶牛健康狀況，將準確的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，為奶牛配種提供數(shù)據(jù)支撐，以此來完成良種繁育的目標。選用LoRa網(wǎng)關(guān)的電子項圈，采用太陽能電池的供電方式，有如下特點：有效通信距離可達密集環(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。在新大陸AIoT仿真平臺上的連接圖如圖2所示。通過一個485總線型的GPS連接LoRa節(jié)點，構(gòu)成LoRa協(xié)議的GPS項圈仿真設(shè)備，能夠?qū)崟r查看數(shù)據(jù)，配置設(shè)備信息等操作。

圖2 仿真電子項圈（LoRa GPS）傳感器圖

2.2 溫濕度傳感器及恒溫控制設(shè)備

為了實現(xiàn)牧場牛棚自動恒溫控制，需要在牛棚內(nèi)部設(shè)置溫濕度傳感器和風扇。其中風扇進行溫濕度和循環(huán)風的控制，485總線型的溫濕度傳感器監(jiān)測溫濕度，能夠便捷地連接LoRa網(wǎng)關(guān)，進行數(shù)據(jù)交互和遠程控制。具有系統(tǒng)搭建簡單，成本低，易維護，操作簡單等特點。溫濕度傳感器在AIoT仿真平臺上連接圖如圖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模塊和繼電器進行連接，ADAM4015為所有通道都提供了可編程的輸入范圍，同時具有斷線檢測功能，為工業(yè)測量和監(jiān)控的應用提供很好的性價比，同時支持Advantech的ASCII協(xié)議，也支持Modbus協(xié)議，具備輸出控制和信號輸入采集的功能。系統(tǒng)可通過上位機軟件Utility進行信號輸入輸出的配置，智慧牧場中ADAM4015作為輸出控制，接收云端發(fā)送的LoRa控制信號，輸出使繼電器工作來控制風扇的開啟與關(guān)閉，從而達到控制的目的，其仿真圖如圖4所示。

圖4 恒溫控制設(shè)備風扇仿真圖

2.3 LoRaWAN協(xié)議

LoRa（Long Range Radio，遠距離無線電）是一種基于擴頻技術(shù)的遠距離無線傳輸技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的無線平臺。Semtech的LoRa芯片組將傳感器連接到云端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和分析的實時通信，從而提高效率和生產(chǎn)率。LoRaWAN是SEMTECH公司為LoRa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)）。這一無線通信方案為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、低功耗的無線通信手段。它最大的特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴大3～5倍。

圖5 LoRaWAN技術(shù)棧

2.4 LoRa網(wǎng)關(guān)

在仿真平臺中LoRa網(wǎng)關(guān)由：一個ChirpStack網(wǎng)關(guān)+一個LoRaWAN Master結(jié)點組成，它們通過RS485接口連接在一起。ChirpStack開源LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)服務器堆棧，為LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)提供開源組件。它們共同構(gòu)成了一個現(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。國內(nèi)相當多的廠家都在使用這個ChirpStack，它可能是最有影響力的Lo－RaWAN服務器開源項目。

部署ChirpStack服務器，在AIoT平臺提供的虛擬機上安裝ChirpStack，為新裝的ChirpStack配置相應的LoRaWAN的參數(shù)，為它配置連接ThingsBoard的參數(shù)，然后，在它上面，為智慧牧場項目創(chuàng)建相應的實體。其中使用Docker Compose快速部署ChirpStack服務端。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。安裝成功會出現(xiàn)如圖6的界面。Chirp－Stack安裝完成后，通過ChirpStack的管理界面進行network-server服務配置進行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)；進行服務配置文件的添加，配置文件在添加應用時需要用到；最后需添加設(shè)備配置文件，這個配置文件定義了LoRaWAN傳感層設(shè)備需要的參數(shù)。這樣ChirpStack網(wǎng)絡(luò)服務器就安裝部署好了，為智慧牧場系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸服務。

圖6 ChirpStack安裝成功界面

3 ThingsBoard平臺概述

ThingsBoard是用于數(shù)據(jù)收集、處理、可視化和設(shè)備管理的開源物聯(lián)網(wǎng)平臺。它通過行業(yè)標準的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT、CoAP和HTTP實現(xiàn)設(shè)備連接，并支持云和本地部署。ThingsBoard具有可伸縮性、容錯性和性能優(yōu)越的特點，因此永遠不會丟失數(shù)據(jù)。使用豐富的服務端API以安全的方式配置、監(jiān)視和控制IoT實體。定義設(shè)備、資產(chǎn)、客戶或任何其他實體之間的關(guān)系，以可擴展且容錯的方式收集和存儲遙測數(shù)據(jù)。使用內(nèi)置或自定義的小部件以及靈活的儀表盤可視化數(shù)據(jù)。智慧牧場項目中，所有的傳感層設(shè)備最終需要通過ChirpStack接入Things－Board平臺，要設(shè)置ChirpStack接入ThingsBoard的參數(shù)，設(shè)置每個傳感器設(shè)備變量、設(shè)備參數(shù)、通信配置、ThingsBoard平臺的配置，實現(xiàn)牧場數(shù)據(jù)在ThingsBoard上的監(jiān)控。

4 實驗結(jié)果測試分析

根據(jù)AIoT在線實訓仿真，設(shè)備連接，ChirpStack網(wǎng)絡(luò)組件的配置，ThingsBoard平臺的搭建，對測試結(jié)果進行分析總結(jié)，能夠滿足智慧牧場系統(tǒng)的仿真測試，達到仿真設(shè)計的目的，其仿真測試效果圖如圖7所示。

圖7 仿真測試效果圖

5 結(jié)束語

該文設(shè)計了以在線AIoT實訓平臺和開源Things－Board來進行仿真的智慧牧場系統(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，方案的綜合調(diào)試和仿真測試，驗證了該智慧牧場系統(tǒng)軟硬件設(shè)計結(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)的仿真實現(xiàn)提供解決方案，為云端遠程監(jiān)控及智慧牧場、智慧農(nóng)場在設(shè)計過程中提供思路和參考。