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基于机会网络的牧场物联网数据传输方法

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资料介绍

智能化畜牧业管理需要对牧场中牲畜的行为进行检测以及对牲畜的运动路径、位置等信息进行采集,利用牧场物联网系统可以实现对上述信息的获取.基于无线传感器网络的系统架构能够满足各个采样节点间的通信需求,但是由于牧场所处的地理位置一般比较偏远,网络环境复杂,与互联网连接时经常出现连接中断、丢包等问题.采用传统的网络连接方式可能导致数据大量丢失,为了减少在与互联网连接中断时采样数据的丢失,提出了一种基于机会网络的牧场物联网数据传输方案,分析了在牧场环境中传感器之间的通信状态,总结出传感器之间通信的3种方式,分别予以建模分析.在传感器有限存储容量的前提下,利用机会网络的原理,提出接入点密度的计算方法,并总结了牲畜运动速度、传感器节点存储容量与数据传输丢包率之间的内在联系,从而保证了系统数据丢失在设计允许的范围内.通过评估和验证所提方法理论结果的实验,证明了方法的正确性.

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2 0

7年2月

第48卷第2期

农业机械学报

doi：10．6041／j．issn．1000—1298．2017．02．028

基于机会网络的牧场物联网数据传输方法

邓雪峰1 孙瑞志2'3

杨

华1

聂

娟2’4

王文狄2

(1．山西农业大学信息科学与工程学院，太谷030801 2．中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083；

3．中国农业大学农业部农业信息获取技术重点实验室，北京 100083；4．北京农学院计算机与信息工程学院，北京102206)

摘要：智能化畜牧业管理需要对牧场中牲畜的行为进行检测以及对牲畜的运动路径、位置等信息进行采集，利用牧

场物联网系统可以实现对上述信息的获取。基于无线传感器网络的系统架构能够满足各个采样节点间的通信需

求，但是由于牧场所处的地理位置一般比较偏远，网络环境复杂，与互联网连接时经常出现连接中断、丢包等问题。

采用传统的网络连接方式可能导致数据大量丢失，为了减少在与互联网连接中断时采样数据的丢失，提出了一种

基于机会网络的牧场物联网数据传输方案，分析了在牧场环境中传感器之间的通信状态，总结出传感器之间通信

的3种方式，分别予以建模分析。在传感器有限存储容量的前提下，利用机会网络的原理，提出接人点密度的计算

方法，并总结了牲畜运动速度、传感器节点存储容量与数据传输丢包率之间的内在联系，从而保证了系统数据丢失

在设计允许的范围内。通过评估和验证所提方法理论结果的实验，证明了方法的正确性。

关键词：牧场；物联网；数据采集；机会网络；数据传输

中图分类号：TP39；$24

文献标识码：A

文章编号：1000-1298(2017)02-0208—07

of Pasture Internet of

Based on

Data Transmission Method

Things

Network

Opportunistic

DENG

SUN Ruizhi2

YANG Hua。 NIE Juan2‘4 WANG Wendi2

Xuefeng‘

Science and

03080

1，China

(1．College of Information

Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu

Engineering，China Agricultural Universit)’，Bering

and Electrical

00083，China

2．College of Information

3．Key Laboratory ofAgricultural Information Acquisition Technology，Ministry ofAgriculture，

University，Beijing ¹00083，China

China

Agricultural

University ofAgriculture，Beijing ¹02206，China)

and

4．College of Computer

Information Engineering，Beijing

of livestock in

needs to be

motion

detected，and

and location

of the

Abstract：Behavior

pasture

path

information of livestock need to be collected

the

acquisition

intelligent pasture management．the

Internet of

the

architecture based

above information can be realized

by using

pasture

things．The system

between different

nodes．

can meet the communication

on wireless sensor network

the location of

requirements

sampling

remote and network environment

However．because

complex，

network

pasture

generally

in the connection with

the traditional

and

lOSS often

appear

interruption

connection

packet

Internet．Using

the 10SS of

number of data lOSS．In order to reduce

data in

mode can lead to

sampled

large

based on

pasture

network is

analyzed

connection with Internet．a data transmission scheme

status of sensors in

opportunistic

presented．

and three

environment iS

Moreover．the communication

between sensors are summed

and

are modeled

communication

up，which

analyzed respectively．

accessing point density

ways

calculation method of

of the sensor limited

the

Under the

premise

storage capacity．the

of the

network，and

livestock

between

summarized，SO

evaluation

forward

opportunistic

and data transmission

relationship

put

by using

principle

lOSS rate is

as to

node

movement

speed．sensor

storage capacity

to allow for the

data loss in the

design

and

ensure the

range．Finally，an experimental

system

of this

the correctness

prove

results of the method is

validation of the theoretical

program．

transmission

given

network；data

things；data acquisition；opportunistic

Key words：pasture；internet

2016—02一04修回日期：2016—08—02

收稿13期：

基金项目：国家自然科学基金项目(31671571)和“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAK04801)

作者简介：邓雪峰(1975一)，男，讲师．主要从事农业信息化和物联网研究，E-mail：dxf'／．com

c．n

通信作者：孙瑞志(1964一)，男，教授，博士生导师，主要从事农业信息化和计算机支持的协同工作研究，E-mail：sunruizhi@cau．edu

万方数据

209

第2期

邓雪峰等：基于机会网络的牧场物联网数据传输方法

通信过程中，由于节点本身的移动性，且当节点利用

无线通信方式时，节点与基站的距离经常超出基站

的覆薷范同．使网络绎常处于巾断!陡态

引言

随着物联网技术在农业中的广泛应用，信息

化手段也逐步用于畜牧业生产中’21。牧场中的牲

畜行为监控是畜牧业集约化、智能化管理的一个基

本条件。

利用物联网技术可以有效地实现牲畜行为的监

测∞山1。一般牧场处于比较偏远的地区，牧场物联

网经常处于网络服务区的边缘地带或服务区外，传

感器节点通信能力有限，在牧场环境中只能通过无

线公网与最近基站连接。7叫川进行信息的传输，导致

连续的物联网监控数据经常无法通过网络进行传

输，出现信号中断等网络异常状况。

networks，ON)¨ 。”。是

机会网络(Opportunistic

一种自组织网络，是专门针对无线网络链路经常断

开，源节点与目标节点之间可能不存在完整链路的

情况，利用节点的移动性，在节点进入相互通信覆盖

区域进行数据交换，以完成数据通信。因此机会网

络常用于解决野生动物监控¨ 5—61与偏远地区¨ 7—81

的网络接入等问题。

，■阿、 ■胛

1．2牧场物联网系统通信状态分析

牧场环境中，网络传输主要利用无线网络，在基

站与通信节点之间交互数据，有3种情况：传感器网

络节点分布全在基站通信覆盖范围内；传感器网络

节点分布部分在基站通信覆盖范围内；传感器网络

节点分布均在基站通信覆盖范围以外。

本文分析牧场这种特殊条件下的物联网数据传

输环境，利用机会网络技术的特点对畜牧业物联网

进行网络数据传输设计，使牧场物联网的数据传输

适应牧场环境中传感器网络经常中断的特性，为解

决畜牧业牧场物联网数据传输间断问题提供有效的

方案。

用集合表示以上3种情况：A={12。，o：，n，}。

传感器网络通信的组织方式也有3种情况：所

有传感器网络节点都可以直接与基站通信，传感器

网络节点间无法通信；传感器网络节点中部分可以

与基站通信，传感器网络节点之问可以相互连接通

信；所有传感器网络节点都可以与基站通信并且节

点间也可以相互连接。

牧场物联网系统分析

1．1牧场物联网系统结构

牧场物联网系统可以实现牲畜的行为信息采

集、处理等。系统通过传感器采集物理系统信息

(如牲畜位置信息、体温信息及运动状态信息等)，

利用网络(2G／3G／4G等无线公网)将信息传送给应

用服务器处理。图1是一个牧场的牲畜信息监测物

联网系统结构图。感知层中的智能传感器具有一定

的存储、计算与通信能力。传感器采集的数据利用

用集合表示：B={b，，b：，b、}。因此，在牧场场

景中，网络传输可能出现的方式为

C=A× B={nI，o2，o{}× {b1，b2，b3}=

{(nl，bI)，(ol，b2)，(12．，b3)，(n2，b1)，

(122，b2)，(Ⅱ2，b3)，(03，b1)，(n3，b2)，(口3，b3)}

其中(n．，b．)、(n。，b：)、(o。，b，)3种情况中，传感器

所有节点都可以直接将数据传输至互联网，这种情

况不存在网络中断等情况，连接处理模型与互联网

处理办法一致；(o，，b。)、(n，，6：)、(o，，b，)3种情况

时网络完全中断；因此，本文讨论的问题集中于(n，，

b。)、(Ⅱ：，b：)、(o：，b，)3种情况。

传感器网络进行短距离的数据传输，如利用ZigBee

等协议组成的网络。同时，节点利用广域网络接入

技术，一般采用无线方式，如GPRS网络等，将传感

器采集数据传送至互联网中。这部分网络组织形式

构成了牧场物联网系统的网络层。

畜牧业物联网系统在信息采集过程中传感器处

于移动状态，采集节点不断的变换空间位置，这种空

间拓扑结构的改变使得畜牧业物联网不同于当前广

泛讨论的设施农业中的其它领域，如智能温室等的

物联网系统；在网络层，传感器节点与互联网的数据

基于机会网络的牧场物联网建模

针对畜牧业环境及牧场中物联网在数据通信上

万方数据

210

农业机械学报

的特殊性，在对畜牧业物联网系统构架进行分析的

基础上，利用机会网络的原理，提出在系统实施中采

用机会网络原理设计系统的参考模型，从而解决畜

牧业中物联网数据传输中连接不稳定以及传感器节

点空间位置经常变换等问题。

2．2牧场物联网场景分析及建模

由1．2节分别讨论(a：，b，)、(a：，b：)、(a：，b，)

3种网络环境下数据传输情况，在图3中分别用场

景1、场景2及场景3表示。在此讨论这3种情况下

牧场物联网信息传输所需机会网络组网的连接情

况。

2．1机会网络概述

2．2．1场景1

机会网络是针对网络节点之间通信可能不存在

当连接为(a：，b。)时传感器网络节点与基站之

间的通信关系，传感器节点中部分与基站有连接，部

分没有连接，传感器节点是可以运动的，即传感器节

完整路径的一种网络组织方案，这种网络组织形式

tolerant

的物理架构解决方案来自于DTN(Disruption

networks)网络¨ 9‘20。。机会网络可以看成是一种无

线自组织网络下的DTN网络，其架构的技术路线是

依照存储一携带一转发的路由机制完成通信任务。

机会网络的实现分组信息“携带”功能是通过在网

络体系结构中增加一个bundle层¨ 41达到的，图2所

示为一个机会网络体系结构与普通TCP／IP网络体

系结构的对比。机会网络通过bundle层，可以满足

延迟、网络经常中断这些特殊环境下数据的可靠传

输。

点的运动范围一部分在基站信号覆盖范围内。此时

传感器间没有通信关联，这种情况下相当于每个传

感器网络节点与基站之间构成网络。

在场景1所示的网络构成情况，各个传感器节

点只有到达基站信号覆盖范围内时才有机会与基站

进行连接通信，基站信号覆盖范围与牲畜活动半径

如图4所示，设牲畜活动范围为一圆形区域(这里

为了方便问题说明，实际放牧中与草场的形状有

关)，牲畜的活动半径为r(m)，即图中线段A，O：的

长度，基站与牲畜活动中心的距离为D(m)，即O。O：

的长度。基站信号覆盖范围为尺(m)，即A．O。的长

度。基站图4中灰色斜线区域为信号不稳定区域，

传感器节点在此范围内传输信号有丢包现象，丢包

圈

匝卫匝习

厂_—万丁]

L：!二J

r7YT_q

U二二二二J

几两几习

■习■习

二．

l：．

规律服从函数妒，函数妒是一个节点与基站距离及

网络最大延迟上限相关的函数，此函数根据不同的

系统设计需求及相应的传输方式做相应的设置即

可。灰色区域宽度为d(m)。

：．

二

1：

+I：

kI、、J JI—oi川

“卜¨ ，、．o。，¨

7‘二

m!：|‘(J?一‘，『矗_，阳

structure of network

opportunistic

Fig．2

Layered

由图4中几何关系，可以计算牲畜活动中心与

本文基于机会网络对牧场的数据传输提出一种

工程解决方案，为了满足在实际工作中具有广泛适

用及系统稳定性需求，在数据转发机制上采用基于

泛洪算法单副本的数据发送策略，在节点移动性方

面以牧场中采食过程移动为基础。在这个条件下，

计算出工程需要的设备内存、数据采样的速度、采食

半径以及动物移动速度等关系，为工程实施中计算

系统设计需求的内存、数据采样周期等提供理论依

两圆相交交点连线所成的角为[4。O：A：，用0／。表示

为

0／1：2arccos((r2+D2一R2)／(2rD))

基站中心与两圆相交交点连线夹角为[A。0。A：，

用0／，表示为

0／，=2arccos((尺2+D2一r2)／(2RD))

基站信号覆盖范围与牲畜活动范围相交处的面

积为

彩r＼衙__＼澎／i、、、、＼)

@I++，一叁)④一一～)固：隽／)

＼＼＼、k一一，一，／／

、＼＼＼、k一一／／／／

＼＼、、～一一，一／／／

万方数据

第2期

邓雪峰等：基于机会网络的牧场物联网数据传输方法

那么，n个传感器网络节点的运动服从独立的

同分布，单个传感器在信号覆盖稳定区域停留时间

为P。P妒则n个传感器网络节点在信号覆盖稳定

区域内停留的概率为

C2。p；22+ +(一1)“c：P羔

P。2=c'oP；2+(一1)1

同理n个传感器网络节点在信号覆盖不稳定区

域内停留的概率为

P。l=C：(P，l—P。2)+(一1)1c：(P，l—P，2)2+ +

(一1)”C：(P。，一P，：)“

目4 f0感茹扎Ij．j J丝j√Ifj丑，，：一五，j，m

of sensor

Relationship

因此，在此时理论上由系统设计造成的丢包率

R咖有如下计算公式：

nodes and

analysis

Fig．4

station location

base

当P。(1一P。：一P。．咖)／T M时R儿。=0，当

P。(1一P。2一P。，咖)／T>M时R，。。=[P，(1一P。：一

P。。咖)／T—M]／(P。／T)。

同样方法，可以计算出排除图中灰色区域，即不

存在丢包现象的区域面积为

S2=r2／3．／2+(R—d)。／32／2一sin(fll／2)rD

其中p。、／3：分别为[B。O：B：、[B。O，B：，即

数据延时则在0与P。(1一P。：一P。。咖)之间。

2．2．3场景3

／3，=2arccos((r2+D2一(R—d)2)／(2rD))

JB，=2arccos(((R—d)2+D2一r2)／(2(R—d)D))

在场景1中，由于各个传感器网络节点只有独

自进入基站信号覆盖区域才有机会获得网络传输的

机会，由于网络传输信息时间与牲畜移动速度相比

可以忽略不计，牲畜移动速度为”，那么，在特定运

动规律下(例如牲畜可能服从布朗运动等规律)牲

畜在某个区域出现的周期是”的函数，设这个周期

为P。则在一个周期内在信号覆盖区域停留的时间

场景3为(a：，b，)的情况，图中所有节点与基站

可以连接，但节点间有短距无线网络连接，网络中总

共移动节点数为Ⅳ，其它参数设置同以上参数设置。

那么，Ⅳ个传感器网络节点的运动服从独立的

同分布，其它参数设置与前两种情况设置相同，则Ⅳ

个传感器网络节点在信号覆盖稳定区域内停留的概

率为

PⅣ2=cjP；2+(一1)1

同理n个传感器网络节点在信号覆盖不稳定区

域内停留的概率为

C 2 p。22+ +(一1)“c。Np。N2

假设服从均匀分布，即P。S。／(订r2)，同理在数据传

输稳定区域停留的时间为P。S：／(叮『r2)。传感器网

PM=C^I(P；l—P。2)+(一1)1c；(P；l—P；2)2+ +

(一1)“c：(P。．一P，：)“

络节点在无网络区域的停留时间为P。(1一

S．／(竹r2))，为记录方便，设P。．=S．／(百r2)，P。：=

S，／(可r2)。令物联网传感器信息采集周期为T(S)，

节点存储机会网络数据包包含采集信息个数为M

(个)。

因此，在此时理论上由系统设计造成的丢包率

R眦有如下计算公式：

当P。(1一P。2一PⅣ．咖)／T M时RPLR=0，当

P。(1一P。2一P～。咖)／T>M时RP【。=[P。(1一P。：一

PⅣ。咖)／丁一肘]／(P。／T)。

因此，在此时理论上由系统设计造成的丢包率

尺儿。有如下计算公式：

数据延时则在0与P。(1一PM—P。。咖)之间。

当P。[1一P，：一(P，。一P，：)咖]／丁 M时(其中咖

为妒的函数，为传感器节点在图4阴影部分活动时

的成功发送数据百分比)R儿。=0，当P』1一P；：一

(P。。一P，2)(jb]／T>M时RP。。={P。[1一P。：一(P。，一

P；2)咖]／r一肘}／(P。／T)。

3模型模拟验证

对利用机会网络建模的传感器网络节点的网络

连接情况予以分析证明。基站覆盖范围为30 km，

放牧半径假设为1 km，即D=30km，r=0．5 km，R=

km，d=30 m，对其它参数的设置分别由各种不同

数据延时则在0与P』1一P，：一(P。。一P。：)咖]

之间。

条件确定。根据以上提供数据，计算得(以下结论

中角度的单位为弧度)a，=3．125，a：=0．033，卢，=

2．2．2场景2

km2。

场景2为(a：，b：)的情况，图中部分节点与基站

可以连接，但节点间有短距无线网络连接，图中可以

与基站进行网络连接的节点数为n，网络中总共移

1．841，卢2=0．027，SI=0．241 km2，S2=0．2

模拟实验设牲畜进入采食区域后以图4中所示

的活动中心0：为原点，随机向采食区域中其它区域

动节点数为，v，其它参数设置同以上参数设置。

移动。

万方数据

212

农业机械学报

对以下几个指标加以验证：传感器节点数量、传

同节点数的情况下数据丢失最少，在节点数增加的

情况下，如Nmdl2的数据要大于Nmd22及Nmd32，

感器节点移动速度及传感器缓存容量对丢包率影响

的对比分析。

说明同等条件下，丢包率随着节点数目增加而降低，

同样，通过实验数据可以反解出第2节中讨论的丢

包率公式中的P。如Nmd01曲线丢包率平均值为

429

3．1

传感器网络节点数量影响网络传输状况分析

牲畜采食移动速率为。=0．5 m／s，采食宽度为

82％，可以解出此种情况下P，一1

S，可以在工程

m，采食过程为随机在采食区域内行动，缓存(为

讨论问题方便，肘定义为缓存大小与分组数据包字

节相除后得到的结果)M=10个，信号采样周期T=

实际中利用此实验方法，设计工程中的具体应用。

3．2传感器网络节点运动影响网络传输状况分析

此时传感器网络节点与基站的中心距离一定，

S，图3场景2中，设凡：N=1：5。经模拟实验，在

km，缓存M=

基站与牲畜活动中心的距离为D=30

Ⅳ取不同的值时，网络丢失数据条数与时间的关系

如图S听示

10个，采样周期T=10 S，在图3场景2情况中，

n：N=1：5且n=2。分别做3组模拟实验，其中

Nmd00～Nmd03为牲畜运动速率口=0．5 m／s时数据

丢失情况，其中Nmd00为普通网络连接情况，

Nmd01、Nmd02、Nmd03分别为场景1、2、3情况下网

络连接情况；Nmdl0～Nmdl3为牲畜运动速率。=

m／s时数据丢失情况；Nmd20～Nmd23为牲畜运

二¨ ¨ 4I Hj(¨ 川、I】¨ 1¨ ¨ ¨ I二{H 14¨ ¨ Ifll川

动速率口=2 m／s时数据丢失情况．

J、

】冬|j

f0’出揣HjX+I．“教J J上也爷父；互Elll；k

LIi、。：bch'-。。¨ lluIlILci ui 3cIl。L儿

I{f‘hiII{}『1、hIjl

rate

loss

network nodes and

packet

图5中Nmd00代表变通网络状态数据丢失情

况与时间变化的关系，此时网络中节点的数目不影

响单个节点的数据丢失；Nmd01代表场景1中所示

的情况，网络中节点的数目不影响单个节点的数据

丢失；Nmdl2、Nmdl3代表N=10时，场景2与场景

3的数据丢失情况；Nmd22代表N=20时场景2的

数据丢失情况；Nmd32代表N=30时场景2的数据

丢失情况。

J¨ ¨ ¨

二¨ ¨ ¨

、l】11IJ

4¨ ¨ ¨

、lJ

)

州H

图6传感器网络节点运动速度与丢包率关系曲线

and

curves

node motion

speed

Fig．6

Relationship

rate in

sensor network

loss

packet

利用图6模拟实验结果，可以计算出各种情况

下丢包率如表2所示。

通过图5所示的模拟实验结果，计算出在不同

场景中丢包率如表1所示，表中平均值指的是所有

测试时间总丢失数据数与总发送数据数的比值，而

最大值指的是两次采样(如间隔100 S)内丢失数据

与共发送数据的比值中的最大值。

表2 节点运动速度影响丢包率情况对比

of influence of node

loss rate

packet

Tab．2

Comparative analysis

motion on

speed

图5为数据包丢失情况，可以看出，场景3在相

表1节点数目影响丢包率情况对比分析表

Tab．1

of influenceof number

analysis

Comparative

of nodes on

loss rate

packet

万方数据

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