鄧雪峰 孫瑞志 楊 華 聶 娟 王文狄

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 太谷 030801； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083； 4.北京農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 北京 102206)

基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方法

鄧雪峰1孫瑞志2,3楊 華1聶 娟2,4王文狄2

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 太谷 030801； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083； 4.北京農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 北京 102206)

智能化畜牧業(yè)管理需要對(duì)牧場(chǎng)中牲畜的行為進(jìn)行檢測(cè)以及對(duì)牲畜的運(yùn)動(dòng)路徑、位置等信息進(jìn)行采集,利用牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述信息的獲取?；跓o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)能夠滿(mǎn)足各個(gè)采樣節(jié)點(diǎn)間的通信需求，但是由于牧場(chǎng)所處的地理位置一般比較偏遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，與互聯(lián)網(wǎng)連接時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)連接中斷、丟包等問(wèn)題。采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接方式可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)大量丟失，為了減少在與互聯(lián)網(wǎng)連接中斷時(shí)采樣數(shù)據(jù)的丟失，提出了一種基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案，分析了在牧場(chǎng)環(huán)境中傳感器之間的通信狀態(tài)，總結(jié)出傳感器之間通信的3種方式，分別予以建模分析。在傳感器有限存儲(chǔ)容量的前提下，利用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的原理，提出接入點(diǎn)密度的計(jì)算方法，并總結(jié)了牲畜運(yùn)動(dòng)速度、傳感器節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量與數(shù)據(jù)傳輸丟包率之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)。通過(guò)評(píng)估和驗(yàn)證所提方法理論結(jié)果的實(shí)驗(yàn)，證明了方法的正確性。

牧場(chǎng)； 物聯(lián)網(wǎng)； 數(shù)據(jù)采集； 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)； 數(shù)據(jù)傳輸

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用[1]，信息化手段也逐步用于畜牧業(yè)生產(chǎn)中[2]。牧場(chǎng)中的牲畜行為監(jiān)控是畜牧業(yè)集約化、智能化管理的一個(gè)基本條件。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)牲畜行為的監(jiān)測(cè)[3-6]。一般牧場(chǎng)處于比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)常處于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)的邊緣地帶或服務(wù)區(qū)外，傳感器節(jié)點(diǎn)通信能力有限，在牧場(chǎng)環(huán)境中只能通過(guò)無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)與最近基站連接[7-11]進(jìn)行信息的傳輸，導(dǎo)致連續(xù)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)經(jīng)常無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，出現(xiàn)信號(hào)中斷等網(wǎng)絡(luò)異常狀況。

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)(Opportunistic networks,ON)[12-14]是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，是專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路經(jīng)常斷開(kāi)，源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間可能不存在完整鏈路的情況，利用節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入相互通信覆蓋區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以完成數(shù)據(jù)通信。因此機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)常用于解決野生動(dòng)物監(jiān)控[15-16]與偏遠(yuǎn)地區(qū)[17-18]的網(wǎng)絡(luò)接入等問(wèn)題。

本文分析牧場(chǎng)這種特殊條件下的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，利用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)畜牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)，使牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸適應(yīng)牧場(chǎng)環(huán)境中傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常中斷的特性，為解決畜牧業(yè)牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸間斷問(wèn)題提供有效的方案。

1 牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分析

1.1 牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)牲畜的行為信息采集、處理等。系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集物理系統(tǒng)信息(如牲畜位置信息、體溫信息及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息等)，利用網(wǎng)絡(luò)(2G/3G/4G等無(wú)線(xiàn)公網(wǎng))將信息傳送給應(yīng)用服務(wù)器處理。圖1是一個(gè)牧場(chǎng)的牲畜信息監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。感知層中的智能傳感器具有一定的存儲(chǔ)、計(jì)算與通信能力。傳感器采集的數(shù)據(jù)利用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行短距離的數(shù)據(jù)傳輸，如利用ZigBee等協(xié)議組成的網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)利用廣域網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，一般采用無(wú)線(xiàn)方式，如GPRS網(wǎng)絡(luò)等，將傳感器采集數(shù)據(jù)傳送至互聯(lián)網(wǎng)中。這部分網(wǎng)絡(luò)組織形式構(gòu)成了牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層。

畜牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在信息采集過(guò)程中傳感器處于移動(dòng)狀態(tài)，采集節(jié)點(diǎn)不斷的變換空間位置，這種空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變使得畜牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不同于當(dāng)前廣泛討論的設(shè)施農(nóng)業(yè)中的其它領(lǐng)域，如智能溫室等的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；在網(wǎng)絡(luò)層，傳感器節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，由于節(jié)點(diǎn)本身的移動(dòng)性，且當(dāng)節(jié)點(diǎn)利用無(wú)線(xiàn)通信方式時(shí)，節(jié)點(diǎn)與基站的距離經(jīng)常超出基站的覆蓋范圍，使網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常處于中斷狀態(tài)。

圖1 牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of pasture IOT

1.2 牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通信狀態(tài)分析

牧場(chǎng)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)傳輸主要利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，在基站與通信節(jié)點(diǎn)之間交互數(shù)據(jù)，有3種情況：傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布全在基站通信覆蓋范圍內(nèi)；傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布部分在基站通信覆蓋范圍內(nèi)；傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布均在基站通信覆蓋范圍以外。

用集合表示以上3種情況：A={a1,a2,a3}。

傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的組織方式也有3種情況：所有傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以直接與基站通信，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間無(wú)法通信；傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中部分可以與基站通信，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間可以相互連接通信；所有傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以與基站通信并且節(jié)點(diǎn)間也可以相互連接。

用集合表示：B={b1,b2,b3}。因此，在牧場(chǎng)場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)傳輸可能出現(xiàn)的方式為

C=A×B={a1,a2,a3}×{b1,b2,b3}=
{(a1,b1),(a1,b2),(a1,b3),(a2,b1),

(a2,b2),(a2,b3),(a3,b1),(a3,b2),(a3,b3)}

其中(a1,b1)、(a1,b2)、(a1,b3)3種情況中，傳感器所有節(jié)點(diǎn)都可以直接將數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)，這種情況不存在網(wǎng)絡(luò)中斷等情況，連接處理模型與互聯(lián)網(wǎng)處理辦法一致；(a3,b1)、(a3,b2)、(a3,b3)3種情況時(shí)網(wǎng)絡(luò)完全中斷；因此，本文討論的問(wèn)題集中于(a2,b1)、(a2,b2)、(a2,b3)3種情況。

2 基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)建模

針對(duì)畜牧業(yè)環(huán)境及牧場(chǎng)中物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)通信上的特殊性，在對(duì)畜牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的原理，提出在系統(tǒng)實(shí)施中采用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)原理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的參考模型，從而解決畜牧業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中連接不穩(wěn)定以及傳感器節(jié)點(diǎn)空間位置經(jīng)常變換等問(wèn)題。

2.1 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)概述

圖3 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與基站連接情況Fig.3 Connection of sensor network nodes and base station

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信可能不存在完整路徑的一種網(wǎng)絡(luò)組織方案，這種網(wǎng)絡(luò)組織形式的物理架構(gòu)解決方案來(lái)自于DTN(Disruption tolerant networks)網(wǎng)絡(luò)[19-20]。機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)可以看成是一種無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)下的DTN網(wǎng)絡(luò)，其架構(gòu)的技術(shù)路線(xiàn)是依照存儲(chǔ)—攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)的路由機(jī)制完成通信任務(wù)。機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)分組信息“攜帶”功能是通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)bundle層[14]達(dá)到的，圖2所示為一個(gè)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與普通TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的對(duì)比。機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)bundle層，可以滿(mǎn)足延遲、網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常中斷這些特殊環(huán)境下數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

圖2 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)Fig.2 Layered structure of opportunistic network

本文基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)牧場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸提出一種工程解決方案，為了滿(mǎn)足在實(shí)際工作中具有廣泛適用及系統(tǒng)穩(wěn)定性需求，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制上采用基于泛洪算法單副本的數(shù)據(jù)發(fā)送策略，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性方面以牧場(chǎng)中采食過(guò)程移動(dòng)為基礎(chǔ)。在這個(gè)條件下，計(jì)算出工程需要的設(shè)備內(nèi)存、數(shù)據(jù)采樣的速度、采食半徑以及動(dòng)物移動(dòng)速度等關(guān)系，為工程實(shí)施中計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的內(nèi)存、數(shù)據(jù)采樣周期等提供理論依據(jù)及方法。

2.2 牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景分析及建模

由1.2節(jié)分別討論 (a2,b1)、(a2,b2)、(a2,b3)3種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸情況，在圖3中分別用場(chǎng)景1、場(chǎng)景2及場(chǎng)景3表示。在此討論這3種情況下牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸所需機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的連接情況。

2.2.1 場(chǎng)景1

當(dāng)連接為(a2,b1)時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與基站之間的通信關(guān)系，傳感器節(jié)點(diǎn)中部分與基站有連接，部分沒(méi)有連接，傳感器節(jié)點(diǎn)是可以運(yùn)動(dòng)的，即傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍一部分在基站信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)。此時(shí)傳感器間沒(méi)有通信關(guān)聯(lián)，這種情況下相當(dāng)于每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與基站之間構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

在場(chǎng)景1所示的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成情況，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)只有到達(dá)基站信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)時(shí)才有機(jī)會(huì)與基站進(jìn)行連接通信，基站信號(hào)覆蓋范圍與牲畜活動(dòng)半徑如圖4所示，設(shè)牲畜活動(dòng)范圍為一圓形區(qū)域(這里為了方便問(wèn)題說(shuō)明，實(shí)際放牧中與草場(chǎng)的形狀有關(guān))，牲畜的活動(dòng)半徑為r(m),即圖中線(xiàn)段A1O2的長(zhǎng)度，基站與牲畜活動(dòng)中心的距離為D(m)，即O1O2的長(zhǎng)度。基站信號(hào)覆蓋范圍為R(m)，即A1O1的長(zhǎng)度。基站圖4中灰色斜線(xiàn)區(qū)域?yàn)樾盘?hào)不穩(wěn)定區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)在此范圍內(nèi)傳輸信號(hào)有丟包現(xiàn)象，丟包規(guī)律服從函數(shù)φ，函數(shù)φ是一個(gè)節(jié)點(diǎn)與基站距離及網(wǎng)絡(luò)最大延遲上限相關(guān)的函數(shù)，此函數(shù)根據(jù)不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及相應(yīng)的傳輸方式做相應(yīng)的設(shè)置即可?；疑珔^(qū)域?qū)挾葹閐(m)。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)與基站位置關(guān)系分析Fig.4 Relationship analysis of sensor nodes and base station location

由圖4中幾何關(guān)系，可以計(jì)算牲畜活動(dòng)中心與兩圓相交交點(diǎn)連線(xiàn)所成的角為∠A1O2A2，用α1表示為

α1=2arccos((r2+D2-R2)/(2rD))

基站中心與兩圓相交交點(diǎn)連線(xiàn)夾角為∠A1O1A2，用α2表示為

α2=2arccos((R2+D2-r2)/(2RD))

基站信號(hào)覆蓋范圍與牲畜活動(dòng)范圍相交處的面積為

S1=r2α1/2+R2α2/2-sin(α1/2)rD

同樣方法，可以計(jì)算出排除圖中灰色區(qū)域，即不存在丟包現(xiàn)象的區(qū)域面積為

S2=r2β1/2+(R-d)2β2/2-sin(β1/2)rD

其中β1、β2分別為∠B1O2B2、∠B1O1B2，即

β1=2arccos((r2+D2-(R-d)2)/(2rD))
β2=2arccos(((R-d)2+D2-r2)/(2(R-d)D))

在場(chǎng)景1中，由于各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只有獨(dú)自進(jìn)入基站信號(hào)覆蓋區(qū)域才有機(jī)會(huì)獲得網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臋C(jī)會(huì)，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸信息時(shí)間與牲畜移動(dòng)速度相比可以忽略不計(jì)，牲畜移動(dòng)速度為v，那么，在特定運(yùn)動(dòng)規(guī)律下(例如牲畜可能服從布朗運(yùn)動(dòng)等規(guī)律)牲畜在某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的周期是v的函數(shù)，設(shè)這個(gè)周期為Pv，則在一個(gè)周期內(nèi)在信號(hào)覆蓋區(qū)域停留的時(shí)間假設(shè)服從均勻分布，即PvS1/(πr2)，同理在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定區(qū)域停留的時(shí)間為PvS2/(πr2)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在無(wú)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的停留時(shí)間為Pv(1-S1/(πr2))，為記錄方便，設(shè)Ps1=S1/(πr2)，Ps2=S2/(πr2)。令物聯(lián)網(wǎng)傳感器信息采集周期為T(mén)(s)，節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包包含采集信息個(gè)數(shù)為M(個(gè))。

因此，在此時(shí)理論上由系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成的丟包率RPLR有如下計(jì)算公式：

當(dāng)Pv[1-Ps2-(Ps1-Ps2)φ]/T≤M時(shí)(其中φ為φ的函數(shù)，為傳感器節(jié)點(diǎn)在圖4陰影部分活動(dòng)時(shí)的成功發(fā)送數(shù)據(jù)百分比)RPLR=0,當(dāng)Pv[1-Ps2- (Ps1-Ps2)φ]/T>M時(shí)RPLR={Pv[1-Ps2-(Ps1-Ps2)φ]/T-M}/(Pv/T)。

數(shù)據(jù)延時(shí)則在0與Pv[1-Ps2-(Ps1-Ps2)φ]之間。

2.2.2 場(chǎng)景2

場(chǎng)景2為(a2,b2)的情況，圖中部分節(jié)點(diǎn)與基站可以連接，但節(jié)點(diǎn)間有短距無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，圖中可以與基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)為n,網(wǎng)絡(luò)中總共移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，其它參數(shù)設(shè)置同以上參數(shù)設(shè)置。

那么，n個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)服從獨(dú)立的同分布，單個(gè)傳感器在信號(hào)覆蓋穩(wěn)定區(qū)域停留時(shí)間為PvPs2。則n個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在信號(hào)覆蓋穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)停留的概率為

同理n個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在信號(hào)覆蓋不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)停留的概率為

因此，在此時(shí)理論上由系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成的丟包率RPLR有如下計(jì)算公式：

當(dāng)Pv(1-Pn2-Pn1φ)/T≤M時(shí)RPLR=0,當(dāng)Pv(1-Pn2-Pn1φ)/T>M時(shí)RPLR=[Pv(1-Pn2-Pn1φ)/T-M]/(Pv/T)。

數(shù)據(jù)延時(shí)則在0與Pv(1-Pn2-Pn1φ)之間。

2.2.3 場(chǎng)景3

場(chǎng)景3為(a2,b3)的情況，圖中所有節(jié)點(diǎn)與基站可以連接，但節(jié)點(diǎn)間有短距無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)中總共移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，其它參數(shù)設(shè)置同以上參數(shù)設(shè)置。

那么，N個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)服從獨(dú)立的同分布，其它參數(shù)設(shè)置與前兩種情況設(shè)置相同,則N個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在信號(hào)覆蓋穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)停留的概率為

同理n個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在信號(hào)覆蓋不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)停留的概率為

因此，在此時(shí)理論上由系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成的丟包率RPLR有如下計(jì)算公式：

當(dāng)Pv(1-PN2-PN1φ)/T≤M時(shí)RPLR=0,當(dāng)Pv(1-PN2-PN1φ)/T>M時(shí)RPLR=[Pv(1-PN2-PN1φ)/T-M]/(Pv/T)。

數(shù)據(jù)延時(shí)則在0與Pv(1-PN2-PN1φ)之間。

3 模型模擬驗(yàn)證

對(duì)利用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)建模的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接情況予以分析證明。基站覆蓋范圍為30 km，放牧半徑假設(shè)為1 km，即D=30 km，r=0.5 km，R=30 km，d=30 m，對(duì)其它參數(shù)的設(shè)置分別由各種不同條件確定。根據(jù)以上提供數(shù)據(jù)，計(jì)算得(以下結(jié)論中角度的單位為弧度)α1= 3.125，α2= 0.033，β1=1.841，β2=0.027，S1=0.241 km2,S2=0.2 km2。

模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)牲畜進(jìn)入采食區(qū)域后以圖4中所示的活動(dòng)中心O2為原點(diǎn)，隨機(jī)向采食區(qū)域中其它區(qū)域移動(dòng)。

對(duì)以下幾個(gè)指標(biāo)加以驗(yàn)證：傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量、傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度及傳感器緩存容量對(duì)丟包率影響的對(duì)比分析。

3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量影響網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況分析

牲畜采食移動(dòng)速率為v=0.5 m/s，采食寬度為2 m，采食過(guò)程為隨機(jī)在采食區(qū)域內(nèi)行動(dòng)，緩存(為討論問(wèn)題方便，M定義為緩存大小與分組數(shù)據(jù)包字節(jié)相除后得到的結(jié)果)M=10個(gè)，信號(hào)采樣周期T=10 s，圖3場(chǎng)景2中，設(shè)n∶N=1∶5。經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)，在N取不同的值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)丟失數(shù)據(jù)條數(shù)與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與丟包率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relationship curves between number of sensor network nodes and packet loss rate

圖5中Nmd00代表變通網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)丟失情況與時(shí)間變化的關(guān)系，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不影響單個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟失；Nmd01代表場(chǎng)景1中所示的情況，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不影響單個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟失；Nmd12、Nmd13代表N=10時(shí)，場(chǎng)景2與場(chǎng)景3的數(shù)據(jù)丟失情況；Nmd22代表N=20時(shí)場(chǎng)景2的數(shù)據(jù)丟失情況；Nmd32代表N=30時(shí)場(chǎng)景2的數(shù)據(jù)丟失情況。

通過(guò)圖5所示的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出在不同場(chǎng)景中丟包率如表1所示，表中平均值指的是所有測(cè)試時(shí)間總丟失數(shù)據(jù)數(shù)與總發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)的比值，而最大值指的是兩次采樣(如間隔100 s)內(nèi)丟失數(shù)據(jù)與共發(fā)送數(shù)據(jù)的比值中的最大值。

圖5為數(shù)據(jù)包丟失情況，可以看出，場(chǎng)景3在相同節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況下數(shù)據(jù)丟失最少，在節(jié)點(diǎn)數(shù)增加的情況下，如Nmd12的數(shù)據(jù)要大于Nmd22及Nmd32，說(shuō)明同等條件下，丟包率隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加而降低，同樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以反解出第2節(jié)中討論的丟包率公式中的Pv，如Nmd01曲線(xiàn)丟包率平均值為82%，可以解出此種情況下Pv≈1 429 s，可以在工程實(shí)際中利用此實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)工程中的具體應(yīng)用。

表1 節(jié)點(diǎn)數(shù)目影響丟包率情況對(duì)比分析表Tab.1 Comparative analysis of influence of number of nodes on packet loss rate

3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)影響網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況分析

此時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與基站的中心距離一定，基站與牲畜活動(dòng)中心的距離為D=30 km，緩存M=10個(gè)，采樣周期T=10 s，在圖3場(chǎng)景2情況中，n∶N=1∶5且n=2。分別做3組模擬實(shí)驗(yàn)，其中Nmd00～Nmd03為牲畜運(yùn)動(dòng)速率v=0.5 m/s時(shí)數(shù)據(jù)丟失情況，其中Nmd00為普通網(wǎng)絡(luò)連接情況，Nmd01、Nmd02、Nmd03分別為場(chǎng)景1、2、3情況下網(wǎng)絡(luò)連接情況；Nmd10～Nmd13為牲畜運(yùn)動(dòng)速率v=1 m/s時(shí)數(shù)據(jù)丟失情況；Nmd20～Nmd23為牲畜運(yùn)動(dòng)速率v=2 m/s時(shí)數(shù)據(jù)丟失情況。

圖6 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度與丟包率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 Relationship curves of node motion speed and packet loss rate in a sensor network

利用圖6模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以計(jì)算出各種情況下丟包率如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度影響丟包率情況對(duì)比Tab.2 Comparative analysis of influence of node motion speed on packet loss rate

圖6中對(duì)比相同的條件下，如Nmd01、Nmd11及Nmd21，可以明顯得出結(jié)論，隨著牲畜行動(dòng)速率的增加，數(shù)據(jù)丟失降低。由表2中數(shù)據(jù)也可以得出隨著速率增加數(shù)據(jù)丟失下降，而在同種情況下，數(shù)據(jù)丟失隨著牲畜運(yùn)動(dòng)變化并不是很明顯，說(shuō)明這個(gè)因素對(duì)數(shù)據(jù)丟失影響較小，同樣也可以利用表中結(jié)果反推出各公式的參數(shù)，方法同3.1節(jié)。

3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸狀況影響分析

此時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與基站的中心距離一定，基站與牲畜活動(dòng)中心的距離為D=30 km，其它參數(shù)同3.1節(jié)，其中在圖3場(chǎng)景2情況中，n∶N=1∶5且n=2。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到緩存對(duì)數(shù)據(jù)丟失情況的影響，如圖7所示，其中Nmd00為普通網(wǎng)絡(luò)連接情況，無(wú)緩存；Nmd11～Nmd13為緩存為10的情況下，分別對(duì)場(chǎng)景1、場(chǎng)景2及場(chǎng)景3做的數(shù)據(jù)丟失情況實(shí)驗(yàn)；Nmd21～Nmd23為緩存為20的情況下的實(shí)驗(yàn)。

圖7 傳感器緩存與丟包率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Relationship curves of node storage capacity and packet loss rate in a sensor network

利用圖7模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以計(jì)算出丟包率如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量影響丟包率情況對(duì)比Tab.3 Comparative analysis of influence of node storage capacity on packet loss rate

由圖7可以確定，隨著緩存的增加有降低數(shù)據(jù)丟失的可能性。

3.4 討論

由上述分析可知，在利用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行牧場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的情況下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率有所下降，并且與以下幾個(gè)因素有關(guān)：牧場(chǎng)中牲畜的運(yùn)動(dòng)速度、傳感器節(jié)點(diǎn)用于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)bundle緩存的容量及傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，因此具體情況可以根據(jù)丟包率的要求對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)牧場(chǎng)物聯(lián)網(wǎng)，從而在牧場(chǎng)這種特殊條件下盡量利用傳感器緩存以及傳感器協(xié)作的特性來(lái)穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，由于牧場(chǎng)環(huán)境條件復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，利用這種架構(gòu)方式可以有效增加數(shù)據(jù)傳輸能力，降低系統(tǒng)丟包率，為在這種特殊條件下的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供了一種可行的解決方案，并給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算方法。

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Data Transmission Method of Pasture Internet of Things Based on Opportunistic Network

DENG Xuefeng1SUN Ruizhi2，3YANG Hua1NIE Juan2,4WANG Wendi2

(1.CollegeofInformationScienceandEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China2.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China3.KeyLaboratoryofAgriculturalInformationAcquisitionTechnology,MinistryofAgriculture,ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100083,China
4.CollegeofComputerandInformationEngineering，BeijingUniversityofAgriculture，Beijing102206，China)

Behavior of livestock in a pasture needs to be detected, and motion path and location information of livestock need to be collected in the intelligent pasture management, the acquisition of the above information can be realized by using the pasture Internet of things. The system architecture based on wireless sensor network can meet the communication requirements between different sampling nodes. However, because the location of a pasture is generally remote and network environment is complex, interruption and packet loss often appear in the connection with Internet. Using the traditional network connection mode can lead to a large number of data loss. In order to reduce the loss of sampled data in connection with Internet, a data transmission scheme based on opportunistic network is presented. Moreover, the communication status of sensors in a pasture environment is analyzed and three communication ways between sensors are summed up, which are modeled and analyzed respectively. Under the premise of the sensor limited storage capacity, the calculation method of accessing point density is put forward by using the principle of opportunistic network, and the relationship between livestock movement speed, sensor node storage capacity and data transmission loss rate is summarized, so as to ensure the system data loss in the design to allow for the range. Finally, an experimental evaluation and validation of the theoretical results of the method is given to prove the correctness of this program.

pasture; internet of things; data acquisition; opportunistic network; data transmission

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.028

2016-02-04

2016-08-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31671571)和“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAK04B01)

鄧雪峰(1975—)，男，講師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化和物聯(lián)網(wǎng)研究，E-mail： dxf75@sohu.com

孫瑞志(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化和計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作研究，E-mail： sunruizhi@cau.edu.cn

TP39； S24

A

1000-1298(2017)02-0208-07