CN105682179A - 一种基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法，包括以下步骤：构建基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控***，主要由信息采集***、信息管理***以及远程监控端三部分组成；然后对其中的无线传感网络进行优化，本发明的方法是根据网络节点的阈值T(n)选择出簇头节点；选择好簇头节点后，其他节点根据自己与簇头节点的距离来选择要加入的簇；簇头节点根据自己与协调节点间的距离来选择不同的传输方式；根据协调节点与簇头节点的通信距离是否大于d₀，选择不同的能量消耗模型。本算法引入移动协调节点，对簇头节点与协调节点之间的传输距离进行优化，从而降低簇头节点的能量消耗，延长网络的寿命，保证***的良好运行。

Description

一种基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法

技术领域

本发明涉及嵌入式技术、无线传感网技术，具体涉及具有移动协调节点与数据暂存机制的无线簇型路由算法的猪舍环境监控方法。

背景技术

目前我国养猪业正向着大型化的趋势发展，猪舍的信息化管理日益重要。目前猪舍环境的监控与调节大多都采用人工现场控制，不仅占用大量的人力，在实时性、可操作性等方面也存在着明显的不足。而且传感器与处理器之间一般都以有线接入为主，导致猪舍里线路复杂，维护更新很困难。所以急需设计出一种智能化的信息管理***来解决这些问题。而无线传感器网络因其体积小、造价便宜、安装方便、便于检测环境信息等优点，使其在现代大规模的动物养殖生产中广泛应用。

节点的能量有限是无线传感器网络的一个显著不足之处，所以我们要尽可能的减少节点的能量消耗。目前，在节点能量优化算法方面，国内外已经做了大量研究。如王莹莹等针对均匀分簇所造成的能耗不均问题，提出了一种能耗均衡的非均匀分簇算法E-BUCA，加入一个节点密度函数，增大高密度区域节点成为簇头的概率，减少低密度区域节点成为簇头的概率，使簇头根据节点的分布情况相对均匀的分布在网络中；PratyayKuilan等人提出一种基于能量有效性分簇的粒子群优化算法，此算法分为路由算法和分簇算法两部分，路由算法由高效的粒子编码方案和多目标适应度函数发展而来，分簇算法是通过负载平衡来考虑节点的剩余能量而提出的；SaeidMottaghi等人提出了一种加入移动协调节点和汇合节点的LEACH优化算法，通过协调节点的移动，缩短通信的距离，降低了网络的总能耗。但其加入汇合节点使得整个算法略显繁琐；RitwikBanerjee等人提出了一种加入移动基站的优化路由算法，解决了各簇的负载平衡问题和固定基站引起的能量空洞的问题。但其只是平均了簇头能量的消耗，而没有减少网络整体的能量消耗；已有的协议对无线传感网络都有不同程度的优化，但均没有充分考虑到减少簇头的能量消耗，所以本发明在总结前人的基础上，在各个簇头与移动协调节点(小车)之间的传输距离上做了优化处理，通过簇头数据暂存机制和协调节点的移动来缩短协调节点与簇头的通讯距离，从而解决了通讯距离较远的簇头能量消耗过快的问题，形成了一个适合运用到猪场环境监控***中的新算法。

发明内容

本发明目的：为了实现猪舍环境监控***良好运行，设计出一种基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控***，重点对其中的无线传感网络进行优化。通过加入一个移动的协调节点(小车)，对无线传感网络的簇头节点与协调节点之间的传输距离进行优化，从而降低***的能量消耗，延长网络的寿命，保证***的良好运行。

本发明设计了基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍环境监控方法，实现对养猪场环境的智能化调控。本发明采用的技术方案是：一种基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法，包括以下步骤：

步骤1，构建基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控***，该***主要由信息采集***、信息管理***以及远程监控端三部分组成；信息采集***主要由终端节点、簇头节点和协调节点组成的无线传感网络构成，终端节点和簇头节点采集猪舍内的环境信息，通过ZigBee无线技术把信息发送至协调节点。协调节点负责信息的整合处理，然后再把信息发送到信息管理***；信息管理***中，在tiny6410平台上移植数据库和web服务器，通过wifi技术使tiny6410连接入互联网；远程监控端是用户通过互联网访问现场控制器的终端。

步骤2，基于移动协调节点与数据暂存机制的路由算法设计：包括根据网络节点的阈值T(n)选择出簇头节点；选择好簇头节点后，其他节点根据自己与簇头节点的距离来选择要加入的簇；簇头节点根据自己与协调节点间的距离来选择不同的传输方式；根据协调节点与簇头节点的通信距离是否大于d₀，选择不同的能量消耗模型。

进一步，所述步骤1中，终端节点上安装有传感器、摄像头和zigbee模块，协调节点和现场控制器都被安放在实际应用中的一台巡迹机器人小车上，同时小车上还安装有音频传感器、摄像头和多种环境传感器等装置，且这些部件直接与现场控制器tiny6410有线连接。

进一步，所述步骤2中，根据网络节点的阈值T(n)选择出簇头节点，普通节点成为簇头节点是由当前网络中的簇头节点的比例、普通节点是否曾经成为簇头节点以及它剩余的能量这三个条件共同决定的；满足能量条件的节点将产生一个0到1的随机数；如果这个数字小于阈值T(n)，则此节点在这一轮中成为簇头节点；如果一个节点曾经被选为簇头节点，只要此节点还满足参与竞选簇头的条件，其在1/p-1轮中还可以参与簇头节点的竞选。

进一步，所述步骤2中，选择好簇头节点后，其他节点根据自己与簇头节点的距离来选择要加入的簇的具体过程：

簇头节点向整个无线传感网络广播自己成为簇头节点的信息，其他节点根据自己与簇头的距离来决定加入哪个簇，主要是通过判断广播信息的信号强度来实现；这些节点发出一个请求加入信号，此信号包含了所要加入的簇头节点的ID，节点自身的ID以及自身的当前能量；通过这些信息，计算出网络中所有节点的平均能量。

进一步，所述步骤2中，簇头节点根据自己与协调节点间的距离来选择不同的传输方式的具体过程为：

分簇完成以后，簇头节点基于TDMA协议创建一张时序表，通过此时序表，在不发送数据的时间内，普通节点可以关闭他们的接收端，从而降低节点的能量消耗；在普通节点生成数据以后，首先把数据传输给簇头节点，簇头节点整合收集到数据，去除一些冗余的信息；当簇头节点距离协调节点较近时，簇头节点直接把数据传输给协调节点；而当簇头节点距离协调节点较远时，簇头节点则把数据暂时存储起来，随着协调节点的移动，如果协调节点移动到距离簇头节点较近时，簇头节点再把收集到的数据传输给协调节点。

进一步，所述步骤2中，根据协调节点与簇头节点的通信距离是否大于d₀，选择不同的能量消耗模型的具体内容为：

如果传输距离小于d₀，能量消耗与传输距离d的二次方成正比例关系；而如果传输距离大于d₀，则能量消耗将与d的四次方成正比例关系；

如果簇头节点和协调节点之间的距离小于d₀，簇头节点直接把数据传输给协调节点；如果簇头节点和协调节点之间的距离大于d₀，簇头则把数据暂时存储起来，当协调节点移动到距离其小于d₀时，簇头再把信息传送给协调节点。

本发明的有益效果是：采用基于嵌入式和无线传感网络等技术构建猪舍环境监控方法。在此基础上，重点对其中的无线传感网络中的路由算法进行了改进，提出了一种含有移动协调节点与数据暂存机制的能量优化路由算法。通过考虑缩短簇头与协调节点间信息传输距离，在已有的算法基础上引入了一个可移动的协调节点和簇头节点的暂存机制，形成一种新的路由算法。该算法很好地解决了簇头节点能量消耗过快以及新节点的加入等问题。该算法中，移动协调节点沿着给定的轨道运动，当其距离簇头较近时，簇头把自己的数据直接传输给协调节点。而当协调节点距离簇头较远时，簇头则先把数据暂时存储起来，当协调节点移动到此簇头附近时，此簇头再把数据传输给协调节点。在传输数据之前，簇头基于TDMA协议创建一张时序表，终端节点可以根据这个时序表，在自己不传输数据的时隙内，关闭掉自身的无线电，从而减少自身的能量消耗，增加网络的寿命。

协调器节点可由小车上的蓄电池直接供电，它具有充足的能源，可以很大程度的延长该节点的寿命。通过加入一个移动的协调节点(小车)，对无线传感网络的簇头与协调节点之间的传输距离进行优化，从而降低***的能量消耗，延长网络的寿命。本算法中的的分轮策略使所有节点消耗的能量更加均衡，同时还很好地解决了由于猪舍中一些设备节点(比如摄像头)位置发生改变，而导致的网络重组问题。几者优点的结合使得本算法很适合运用到实际应用中，实现智能猪舍监控***的良好运行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所应用的猪舍环境监控***结构图。

图2是现场数据的采集以及设备控制的执行图。

图3循迹机器人小车结构图

图4是终端节点与协调节点之间的数据传输流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施实例进一步说明本发明的技术发案。本发明的实施实例通过无线传感网终端节点上的摄像头、各种传感器和执行设备来实现对猪舍环境的监控管理。

具体实施步骤：

1、构建基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控***

此***主要由信息采集***、信息管理***以及远程监控端三部分组成。其中信息采集***主要由终端节点、簇头节点和协调节点组成的无线传感网络构成，终端节点采集猪舍内的环境信息，然后把采集到的信息发送给簇头节点，簇头节点通过ZigBee无线技术把信息发送至协调节点。协调节点负责信息的整合处理，然后再把信息发送到信息管理***中；信息管理***即现场控制器tiny6410，在tiny6410平台上移植数据库和web服务器，通过wifi技术使tiny6410连接入互联网，为用户远程访问提供条件；远程监控端是用户通过互联网访问现场控制器的终端。用户可对信息管理***中的数据进行远程访问与查询，并且通过控制相关设备的工作使得生猪处于最佳的生长环境中。猪舍环境监控***结构示意图如图1所示。

安装在各个猪栏的ZigBee终端节点是整个监控***中信息采集的核心，通过终端节点上的温湿度传感器、H₂S传感器、NH₃传感器、摄像头、饮水阀门、加湿器、鼓风机等设备，对猪舍的环境以及生猪的生活环境进行实时的监测和控制。当终端节点采集完数据以后，通过zigbee无线网络技术最终把这些数据发送给协调节点，协调节点再通过串口把数据传送给现场控制器。根据得到的环境参数值，用户可以通过网页远程操控一些设备来调节猪舍的环境，比如当温度过低时，可开启猪栏内的热风炉。现场数据的采集以及设备控制的执行图如图2所示。

本***中的协调节点和现场控制器都被安放在实际应用中的一台巡迹机器人小车上，实现无线传感网中的移动协调节点能够移动的目的。同时小车上还安装有音频传感器、摄像头和多种环境传感器等装置，且这些部件直接与现场控制器tiny6410有线连接。机器人小车的构成如图3所示。通过控制小车的移动，实现对猪舍的循环移动监控，可以很好的捕获生猪的活动状态，比如音频传感器就可以检测猪的咳嗽。或者是对某个区域的重点监控，比如母猪生产期间，需要对其猪栏进行实时定点监视。同时由于小车的移动，缩短了通信距离，减少了簇头节点的能量消耗。当然，小车(协调节点)要消耗大量的能量，但本发明中的机器人小车是由大容量的蓄电池供电，充电很方便，不需要考虑小车的能量消耗问题。

针对目前使用无线传感网络技术在进行养殖场环境监控时存在的能耗问题，本发明在分析原因的基础上，提出一种基于移动协调节点的比较适合运用在猪场环境监控中的路由算法，实现猪舍环境监控***良好运行。

2、基于移动协调节点与数据暂存机制的路由算法设计

本发明的无线传感网络中，所有的节点初始能量均为E₀，移动协调节点会沿着预先设定的轨迹移动，由于本文的移动协调节点由小车上的蓄电池供电，所以我们假定其能量是无限多的。该算法采用分轮策略，每一轮分为设置阶段和数据传输阶段，其中设置阶段又分为簇头选择阶段和分簇阶段，在数据传输阶段中，簇头节点需建立时序表，其他节点根据时序表传输数据。

(1)簇头节点选择

普通节点如果想要成为簇头节点，是由三个条件共同决定，分别为当前网络想要得到簇头节点比例(通常在5％到10％之间)、此节点是否曾经成为簇头以及它剩余的能量水平。如果该普通节点的能量大于或等于所有节点的平均能量，该节点才可以参与簇头的选择。满足能量条件的节点将产生一个0到1的随机数(R表示)，如果这个数字小于阈值T(n)，则此节点在这一轮中成为簇头节点，且它将被贴上簇头的标签。如果一个节点曾经被选为簇头节点，只要此节点还满足参与竞选簇头节点的条件，其在1/p-1轮中还可以参与簇头节点的竞选。阈值表示如下：

此处的p指的是期望得到的簇头节点比例(比如p＝5％)，r代表着当前轮数，而G是指在之前的1/p-1轮中没有被选为簇头的节点的集合。

(2)簇的形成

当选择好簇头节点以后，簇头节点向整个无线传感网络广播自己成为簇头的信息，此信息还要包含簇头节点的ID。其他节点根据自己与簇头节点的距离来选择要加入的簇，其主要是通过判断广播信息的信号强度来实现。这些节点需要发出一个请求加入信号，此信号要包含所要加入的簇头节点的ID，节点自身的ID以及自身的当前能量(Ecur)。通过这些信息，计算出网络中所有节点的平均能量(Eave)，在下次选择簇头时，参与簇头选择的节点的能量必须大于或等于此平均能量(Ecur＞Eave)。在整个分簇阶段，普通节点一定要保持他们接收端是打开状态，来确保能够监听到所有簇头的广播。

(3)数据传输阶段

当分簇完成以后，簇头节点接收到所有节点的节点信息，并根据这些信息基于TDMA协议创建一张时序表。TDMA是一种分时多址复用技术，它将时间以帧为周期进行划分，然后再将每一帧分为不同时隙供不同节点进行通信，每个普通节点只能在自己分配到的时隙内传输数据到簇头节点。根据此时序表，在普通节点不发送数据的时隙内，其可以关闭掉他们的无线电，从而降低节点的能量消耗。但在整个数据传输阶段，簇头节点都必须要保持他们的接收端为打开状态。

在时序表建立之后，就进入了数据传输阶段。假设节点在所有轮中都有数据生成，且数据生成的速率都相同。在普通节点生成数据以后，首先把数据传输给簇头节点，簇头节点整合收集到的所有数据，去除一些冗余的信息。然后簇头节点根据自己与协调节点间的距离来选择不同的传输方式。当簇头节点距离协调节点较近时，簇头节点直接把数据传输给协调节点。而当簇头节点距离协调节点较远时，簇头则把数据暂时存储起来，随着协调节点的运动，如果协调节点移动到距离簇头节点较近时，簇头节点再把收集到的数据传输给协调节点。普通节点与协调节点间的数据传输流程图如图4所示。

(4)能量模型

本算法根据最基本的无线网络传输的能源模型来计算在传输过程中或接收数据时的能量消耗。在此模型中，一个节点发送1字节的信息给距离为d的一个目标的能量消耗如下所示：

$E_{Tx}(l,d)=E_{Tx\_Elec}\left(l\right)+E_{Tx\_amp}(l,d)=\{\begin{array}{cc}l\&times;E_{Tx}+l\&times;d^2,& d<d_0\\ l\&times;E_{Tx}+l\&times;d^4,& d\&GreaterEqual;d_0\end{array}---\left(2\right)$

这里的距离阈值d₀计算公式如下：

$d_0=\sqrt{\frac{E_{fs}}{E_{amp}}}---\left(3\right)$

E_Tx是指通过无线电传输lbit信号所消耗的能量，E_fs是功率放大器在自由空间模型中的能量消耗，而E_amp是功率放大器在多路径模型下的能量消耗。而接收端接收1字节数据需要的消耗的能量为：

E_Rx(l)＝lE_Tx(4)

簇头节点与协调节点间的直接通信需要消耗大量能量，其严重的影响到了无线传感网络的寿命。本文算法对此数据传输过程做了优化，根据协调节点与簇头节点之间的距离的不同，簇头节点会把收集到的数据立即发送给协调节点，或者簇头节点把数据暂时存储起来。如果簇头节点和协调节点之间的距离小于d₀，收集到的数据会直接的传输给协调节点。如果这距离大于d₀，则簇头节点会把数据暂时存储起来，当协调节点移动到距离其小于d₀时，簇头再把信息传送给协调节点。本发明之所以选择d₀作为临界距离，是因为如果传输距离小于d₀，能量消耗与传输距离d的二次方成正比例关系。而如果传输距离大于d₀，则能量消耗将与d的四次方成正比例关系。发送数据和接收数据的总的能量消耗是：

E_total＝E_Tx(l，d)+E_Rx(l)(5)

这里的是指一个节点在接收模式下的能量消耗。

实验结果表明，本发明的猪舍监控***能够准确地获取猪舍的环境参数信息，并能对生猪的生活状态进行实时的观察，具有准确性、稳定性等特点，有效实现了对猪舍环境的监测与控制，在大型化的生猪养殖中起到较好的作用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控***，该***主要由信息采集***、信息管理***以及远程监控端三部分组成；信息采集***主要由终端节点、簇头节点和协调节点组成的无线传感网络构成，终端节点和簇头节点采集猪舍内的环境信息，通过ZigBee无线技术把信息发送至协调节点。协调节点负责信息的整合处理，然后再把信息发送到信息管理***；信息管理***中，在tiny6410平台上移植数据库和web服务器，通过wifi技术使tiny6410连接入互联网；远程监控端是用户通过互联网访问现场控制器的终端。

步骤2，基于移动协调节点与数据暂存机制的路由算法设计：包括根据网络节点的阈值T(n)选择出簇头节点；选择好簇头节点后，其他节点根据自己与簇头节点的距离来选择要加入的簇；簇头节点根据自己与协调节点间的距离来选择不同的传输方式；根据协调节点与簇头节点的通信距离是否大于d₀，选择不同的能量消耗模型。

2.根据权利要求1所述的基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法，其特征在于，所述步骤1中，终端节点上安装有传感器、摄像头和zigbee模块，协调节点和现场控制器都被安放在实际应用中的一台巡迹机器人小车上，同时小车上还安装有音频传感器、摄像头和多种环境传感器等装置，且这些部件直接与现场控制器tiny6410有线连接。

3.根据权利要求1所述的基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法，其特征在于，所述步骤2中，根据网络节点的阈值T(n)选择出簇头节点，普通节点成为簇头节点是由当前网络中的簇头节点的比例、普通节点是否曾经成为簇头节点以及它剩余的能量这三个条件共同决定的；满足能量条件的节点将产生一个0到1的随机数；如果这个数字小于阈值T(n)，则此节点在这一轮中成为簇头节点；如果一个节点曾经被选为簇头节点，只要此节点还满足参与竞选簇头的条件，其在1/p-1轮中还可以参与簇头节点的竞选。

4.根据权利要求1所述的基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法，其特征在于，所述步骤2中，选择好簇头节点后，其他节点根据自己与簇头节点的距离来选择要加入的簇的具体过程：

簇头节点向整个无线传感网络广播自己成为簇头节点的信息，其他节点根据自己与簇头的距离来决定加入哪个簇，主要是通过判断广播信息的信号强度来实现；这些节点发出一个请求加入信号，此信号包含了所要加入的簇头节点的ID，节点自身的ID以及自身的当前能量；通过这些信息，计算出网络中所有节点的平均能量。

5.根据权利要求1所述的基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法，其特征在于，所述步骤2中，簇头节点根据自己与协调节点间的距离来选择不同的传输方式的具体过程为：

分簇完成以后，簇头节点基于TDMA协议创建一张时序表，通过此时序表，在不发送数据的时间内，普通节点可以关闭他们的接收端，从而降低节点的能量消耗；在普通节点生成数据以后，首先把数据传输给簇头节点，簇头节点整合收集到数据，去除一些冗余的信息；当簇头节点距离协调节点较近时，簇头节点直接把数据传输给协调节点；而当簇头节点距离协调节点较远时，簇头节点则把数据暂时存储起来，随着协调节点的移动，如果协调节点移动到距离簇头节点较近时，簇头节点再把收集到的数据传输给协调节点。

6.根据权利要求1所述的基于移动协调节点与数据暂存机制的猪舍监控方法，其特征在于，所述步骤2中，根据协调节点与簇头节点的通信距离是否大于d₀，选择不同的能量消耗模型的具体内容为：

如果传输距离小于d₀，能量消耗与传输距离d的二次方成正比例关系；而如果传输距离大于d₀，则能量消耗将与d的四次方成正比例关系；

如果簇头节点和协调节点之间的距离小于d₀，簇头节点直接把数据传输给协调节点；如果簇头节点和协调节点之间的距离大于d₀，簇头则把数据暂时存储起来，当协调节点移动到距离其小于d₀时，簇头再把信息传送给协调节点。