CN102724633A - 一种农业物联网的越级路由维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农业物联网的越级路由维护方法，包括根据节点地理位置生成节点通信路径图，还包括（1）在节点通信路径图中，建立最大横向路径通信图；（2）当前节点发送信息时，根据最大横向路径通信图与相邻节点之间建立最大横向路径链接，并将信号通过相邻节点发送给目标节点；（3）若当前节点无法检测到所述相邻节点，则在有效通信范围内按照横向距离由大至小的顺序检测并发送信号给下个相邻节点，若无法检测到任何可与目标节点实现通信的相邻节点，则扩大有效通信范围，提高当前节点的功率。本发明解决了通信中断造成的信息丢失的问题，可对中断的通信节点进行局部重组，实现有效连接。

Description

一种农业物联网的越级路由维护方法

技术领域

本发明公开了一种物联网的路由维护方法，尤其涉及一种农业物联网的越级路由维护方法。

背景技术

农业物联网是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。

农业物联网传输网络中，由于供电情况或其它原因导致节点失效的情况或者人为撤掉节点情况在实际应用中常有发生，对个别节点撤除网络的失效处理显得尤为重要。网络中节点失效情况往往性质不一，导致对原网络通信系统的影响也不完全相同。但这些影响会造成局部网络有所变动。

因此，无线网络的路由维护在无线自组网通信领域处于非常重要的地位。无线传输网络与有线网络不同，无线自组织网络组网是动态变化的，极易受到环境变化影响发生信号减弱或出现信号盲区，导致原组网路径中断。

国内外研究路由维护的应用特点大多都是针对节点密集布置型，通信距离短的工业应用环境。在密布的网络里，研究路由维护的核心主要是研究路由在动态维护中的可靠性和降低路由动态维护的对网络质量造成的影响。而农业物联网应用在大规模农田中的时候，节点与节点之间的距离远，每一个独立节点很难同时与多个节点建立点对点的有效通信信号覆盖。其次，农业物联网节点因为工作环境特殊，节点均为太阳能供电，因此，在长期阴雨天气里有些节点因为网络负荷过重而导致备用电池电力消耗尽的可能。导致某些节点断电失效而从网络中退出，原有通信链路遭到破坏。另外，节点在断电后因为天气好转电能供应充足的情况下，节点又恢复通信，重新加入网络，因此，新增节点也能改变网络通信链路，导致整个网络的结构发生较少变动。另外，农业生产应用上，某些采集节点在实际生产中根据需要挪动位置，因此导致整个网络通信链路发生一定变化。要保持网络通信效率最高、能耗最低且稳定运行，必须研究这些网络变异情况下的路由维护和组网通信规则。

现有技术的不足是：某些中转信息的节点短路后，造成整个通信网络中断，信息丢失。

发明内容

本发明公开了一种农业物联网的越级路由维护方法，解决了节点中断造成的信号中断，且在有效范围内无有效节点连接的问题。

一种农业物联网的越级路由维护方法，包括根据节点地理位置生成节点通信路径图，还包括：

（1）在所述节点通信路径图中，建立直角坐标系，通过横向对比法，确定当前节点在有效通信范围内的横向距离最大的相邻节点，历遍所有节点建立最大横向路径通信图；

（2）当前节点发送信息时，根据最大横向路径通信图与相邻节点之间建立最大横向路径链接，并将信号通过相邻节点发送给目标节点；

（3）若当前节点无法检测到所述相邻节点，则在有效通信范围内按照横向距离由大至小的顺序检测并发送信号给下一个相邻节点，通过所述下一个相邻节点将信号发送给目标节点；

（4）若当前节点在有效通信范围内无法检测到任何可与目标节点实现通信的相邻节点，则提高当前节点的无线发射功率以扩大有效通信范围，直到无线信号有效覆盖至下一个相邻节点；在扩大后的有效通信范围内，按照步骤（2）至（3）与相应的相邻节点建立通信。

相邻节点分为相邻的前向节点及相邻的后向节点。

相邻的前向节点是指当前节点向上位机传送数据时，沿数据传输方向的下一个节点，根据传输的需要与当前节点相邻的前向节点一般有多个，因此要分别计算与当前节点的距离并进行比较；

同理，后向节点为上位机向当前节点传送数据时，沿数据传输方向的下一个节点。

正常情况下，所述当前节点会定时将信息传送到目标节点，若所述当前节点长时间信息发送不到目标节点，说明当前节点已脱离网络，当前节点将采取局部重组网络的请求。

所述当前节点为需要发送信息的任一节点。

所述目标节点为与上位机实现通信的最终节点，一般仅有一个。

步骤（4）中，若当前节点在有效通信范围内无法检测到任何可与目标节点实现通信的相邻节点，则提高当前节点的功率以扩大有效通信范围；

在扩大后的有效通信范围内，按照步骤（2）至（3）与相应的相邻节点建立通信。

所述不存在任何可与目标节点实现通信的相邻节点，包括两方面的情况：

（1）在当前节点的有效通信范围内，除第一相邻节点外，不存在任何其余节点。

（2）在当前节点的有效通信范围内，除第一相邻节点外，存在相邻节点，但所述相邻节点无法将信号发送给目标节点。

若功率放大到最大，所述当前节点仍然检测不到可与目标节点实现通信的相邻节点，则造成所述当前节点脱离网络，网络维护失败。为防止上述情况的发生，规定在农业物联网节点布置时，遵循以下规则：

在所述节点通信路径图中，任何X轴上相邻三个节点之间，处于两端节点间的最大有效距离不得超出彼此的有效通信范围。这样可以保证有效通信范围半径提高到原来的两倍时，一定可以寻找到下个相邻节点。

步骤（1）中建立直角坐标系时，以正东方向作为直角坐标系中的X轴的正向，以正北方向作为直角坐标系中的Y轴的正向。

步骤（1）中建立的最大横向路径通信图，存储于每个节点中，在进行通信路径的建立时，每个节点依据存储的最大横向路径通信图，进行相邻节点的寻找的判断。

所述根据节点地理位置生成节点通信路径图的过程如下：

有GIS地图情况下，将节点布置于农田中，利用GPS位置测定仪测量该节点处的卫星定位数据；

将节点的卫星定位数据转化为相应的图纸坐标；

获得所有节点的图纸坐标，并将图纸坐标叠加在GIS地图上，得到所述节点通信路径图。

无GIS地图情况下，在农田中确定一已知地理位置参照点；

在平面地图中确定待设置的节点与参照点之间的地理位置偏移；

根据所述地理位置偏移将待设置的节点布置在农田中。

所述横向对比法为：

L'=x_a-x_b；

其中：

L'为两个节点在节点通信路径图中x轴方向的水平距离；

x_a为相邻节点在节点通信路径图中的横坐标；

x_b为当前节点在节点通信路径图中的横坐标。

通过横向对比法进行组网，可尽量减少路由级数，防止深度路由，提高网络通信的质量。

本发明的有益效果是：解决了通信中断造成的信息丢失的问题，可对中断的通信节点进行局部重组。新增节点进入农业物联网后可实现有效连接。节点可通过增大功率来提高有效通信范围，实现有效连接。

附图说明

图1为本发明的部分节点通信路径图。

图2为本发明的部分最大横向路径示例图。

图3为本发明的最大横向路径图。

图4为节点失效后的结构示意图。

图5为S_k重建路由通过S_n的结构示意图。

图6为S_n节点不在S_k有效范围内的结构示意图。

图7为节点失效示意图。

图8为越级路由维护的结构示意图。

图9为节点信号无线发射原理图。

图10（a）为100M时的节点能耗图。

图10（b）为2000M时的节点能耗图。

图11为信号放大倍数与通信距离的关系图。

图12为节点布置示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种农业物联网的越级路由维护方法，可对中断的通信节点进行越级局部重组。

根据大规模农田监测特点，农业物联网信息采集节点位置基本固定，且布置节点时可以预先设置节点位置。节点的位置分布根据环境、土质、土壤养分含量情况均匀布置。在这些特点下，农业物联网通讯方法包括以下几个步骤：

1、节点位置规划

节点位置规划有两种方式

（1）有GIS地图情况下，将节点布置于农田中，利用GPS位置测定仪测量该节点处的卫星定位数据；

将节点的卫星定位数据转化为相应的图纸坐标；

获得所有节点的图纸坐标，并将图纸坐标叠加在GIS地图上，得到所述节点通信路径图。如图1所示。

（2）无GIS地图情况下，在农田中确定一已知地理位置参照点；

在平面地图中确定待设置的节点与参照点之间的地理位置偏移；

根据所述地理位置偏移将待设置的节点布置在农田中。如图1所示。

2、最大横向路径图建立

根据节点地理位置生成节点通信路径图，通过横向对比进行组网。

生成路径图的规则是：根据节点通信路径图上节点的分布情况，建立直角坐标系，通过横向对比法计算各相邻节点的水平距离。

假定5号节点与2、3、4号节点均在有效通信范围内，2号节点与1号节点及S节点也在有效通信范围内。

Max(S′_i,S′_k)=L′_S-K

节点间的横向路径为：

L′_4-5=x₅-x₄

L′_3-5=x₅-x₃

L′_2-5=x₅-x₂

5号节点的通信路径应该由5号节点到4号节点的横向路径、5号节点到3号节点的横向路径及5号节点到2号节点的横向路径进行比较，取最大横向路径Max(S′′_i，S′_k)=L′_S-K，即最大横向路径为Max(L′_4-5,L′_3-5,L′_2-5)=L′_2-5。

同理，2号节点与1号节点及S节点在有效通信范围内，节点间的横向路径为：

L′_2-1=x₂-x₁

L′_2-s=x₂-x_s

则最大横向路径为Max(L′_2-1，L′_2-s)=L′_2-s。

如图2所示，5号节点将信号先传递到2号节点，再通过2号节点传递到S号节点。节点S将获得的信息发送到上位机中。

根据上述方法，建立最大横向路径图，如图3所示。

当前节点S_k发送信息时，根据最大横向路径通信图与相邻节点S_i之间建立最大横向路径链接，并在S_k的有效通信范围1内将信号通过相邻节点S_i发送给目标节点S。

3、建立路由维护机制

若当前节点无法检测到所述相邻节点，则在有效通信范围内按照横向距离由大至小的顺序检测并发送信号给下个相邻节点，通过所述下个相邻节点将信号发送给目标节点。

路由维护发生的前提是：在网络内，S_i节点为S_k节点的前向节点，S_k节点在原网络路径上依靠S_i节点路由信息，当S_i节点失效后，S_k节点将陷入盲区。如图4所示。当S_i失效后，在S_k的有效通信范围1内，还存在S_n和S_m节点，而且S_n节点可通以前向节点将信息路由到目标节点。因此，S_k可以通过局部网络重组后，通过S_n节点路由信息，如图5所示。假如图5中的S_n节点不在S_k节点的有效通信范围1内，而S_m节点在S_n节点的有效通信范围1内，而且S_m节点的有效通信范围2内包含了可将信息传递到S_n节点的前向节点，此时，S_k节点仍可通过S_m节点将信息路由到S_n节点。最后把信息传输给目标节点，如图6所示。

如果当前节点有效通信范围内不存在任何节点可为之路由，或者可以找到多个节点，也能组网，但是却无法将信息传递给目标节点，此时可通过加大当前节点的功率，来扩大有效通信范围。

在图7中，S_i节点原来通过S_j节点路由信息，再通过S_k点路由第二次才能将信息转交给目标节点。但当S_j点失效后，S_i的前向通道被堵，S_i节点在其有效范围3内无法将信息往前传，而此时S_i节点往后传也无节路径可把S_i节点的信息间接传给目标节点。此时，网络状态因S_j节点的失效而导致整个网络中排在S_i节点之后的所有节点信息通信将会中断，这种偶然的节点失效对网络破坏性非常严重。

在图7中，当S_i节点无法寻找到前向节点，而后向通信链路也无法满足信息往目标节点传输时，S_i节点的网络状态node_net属性将会从原来的1变为0而脱离网络。此时，S_i节点内部管理软件将自动启动增加节点发射信号的发送功率，此时S_i节点扩大后的有效通信范围4如图8的大圆圈所示。前向节点S_k进入了S_i节点扩大后的有效通信范围4，S_i节点可以越过S_j节点直接与S_k通信。S_i的信息可通过S_k传输给目标节点，并且S_i节点的后向节点全部恢复进入网络，整个网络链路重新恢复。

图8说明了可以通过信号发射功率的软件控制而修复网络，但是该办法存在以下问题：

S_i节点的功率调大后，相应的能耗必定会增加。而农业物联网采用太阳能供电，考虑到成本因素，太阳能电池板一般选用低功率的，它只保障节点正常工作前提下的能源供给。当节点发射功率增大后，可能会导致节点电源供给紧或出现断电停机现象。又会导致网络陷于中断状态。

为解决上述问题，本实施例通过节点硬件与软件优化处理。

节点信号无线发射方式为如图9所示。

在图9中，MCU通过控制线与放大器接口电路相连，将控制放大信号转换为放大器控制增益的信号。因此，MCU可通过程序控制无线模块的发射功率。发射功率的提高，便可使该采集节点的有效通信范围扩大。

本实施例设计的物联网信息采集节点采用最大传输距离分为三个层次：200M、2KM、8KM。农业物联网上，本文项目示例中实际用到的节点距离为2km的射频无线通信模块，当节点的发射信号功率放大到最大后，通信距离也达到最大。此时功率消耗也达到最大。如果不更改信号发送频率，往往容易导致电源供给不足而使节点失效，影响网络质量甚至使网络陷入瘫痪。因此，本实施例提出一种基于能量与通信质量及信号发射频率的均衡动态适应方法。

物联网节点在选择不同的信号发射功率，就有不同的功率消耗。本实施例所用的无线射频模块核心芯片为CC2430芯片，先使内部放大器，将发射距离调节在100M左右。加上外部信号功率放大后，利用软件程控放大器将信号发射功率调到最大2KM。两种不同模式下的节点能耗情况如图10所示。另外，将信号放大倍数由1倍慢慢往上增大，通过测量它有效距离得知信号放大倍数与通信距离之间的关系如图11所示。

从图11分析，当信号放大倍数越大，通信有效距离越长，但随着信号放大的倍数增加，通信距离不完全呈线性关系。也就是在该频段下放大倍数越大，电磁波在传输过程中损耗的能量也越大。但在本实施例中，为了可以量化功率与倍数之间的关系，可近似地认为放大倍数与发送距离成正比。

设网络中第i个节点的通信的功率为P_s(i)，节点的非休眠状态时消耗功率为P_dormant(i)，设信号采集与发射频率为f，单位时间内消耗的功率为P_normal(i)，剩余能量为E_remainder(i)。在t时间内，消耗的能量为：

E(s_i)=∑t·P_dormant(i)+t·f·(P_normal(i)+P_s(i))

E_remainder(i)=E_battery-E(s_i)

在式中可知，节点功率消耗正比于发射频率，从图11可知，节点发射功率增大的情况下，接收功率并没有明显变化，也就是说：发射功率增大后，功耗与接收信号关系不大。因此，在增大信号发射功率的时候，等比例地降低信号的发射频率才能有效预防节点电源供应不足而断电的现象。设定发射信号放大倍数A，则：

$f=k\·\frac{1}{A}$

k为补偿系数。从图11可知，信号放大倍数越大，通信距离增幅越小，因此，为补偿系统的近似线性处理，当放大倍数越大，则k取值越小。

在农业物联网中，随着农作物的不断生长，较高的农作物将可能对无线信号有一定的阻挡作用。另外，单栋大棚种植的某些作物在一定生长周期内大棚将会盖上薄膜，薄膜对无线信号也有一定的阻碍作用。因此，在农业物联网内发生路由维护的可能性比较大。又由于大规模农田的信息采集往往布点较稀，导致越级路由维护现象发生的可能性也较大。

假如节点功率调到最大，有效通信范围内仍找不到其它前向或后向可构成通畅路径的组网的节点时，节点仍会被自组织网络孤立。

因此，本发明为防止上述情况的发生，规定在农业物联网节点布置时，遵循以下规则，如图12所示，在节点通信路径图中，S_m节点的有效通信范围5覆盖了S_i节点，S_m节点扩大后的有效通信范围6覆盖了S_j节点，因此，任何X轴上相邻三个节点之间，处于两端节点间的最大有效距离不得超出彼此的有效通信范围。

Claims (7)

1.一种农业物联网的越级路由维护方法，包括根据节点地理位置生成节点通信路径图，其特征在于，还包括：

(1)在所述节点通信路径图中，建立直角坐标系，通过横向对比法，确定当前节点在有效通信范围内的横向距离最大的相邻节点，历遍所有节点建立最大横向路径通信图；

(2)当前节点发送信息时，根据最大横向路径通信图与相邻节点之间建立最大横向路径链接，并将信号通过相邻节点发送给目标节点；

(3)若当前节点无法检测到所述相邻节点，则在有效通信范围内按照横向距离由大至小的顺序检测并发送信号给下一个相邻节点，通过所述下一个相邻节点将信号发送给目标节点；

(4)若当前节点在有效通信范围内无法检测到任何可与目标节点实现通信的相邻节点，则提高当前节点的无线发射功率以扩大有效通信范围，直到无线信号有效覆盖至下一个相邻节点；在扩大后的有效通信范围内，按照步骤(2)至(3)与相应的相邻节点建立通信。

2.如权利要求1所述的农业物联网的越级路由维护方法，其特征在于，在所述节点通信路径图中，任何X轴上相邻三个节点之间，处于两端节点间的最大有效距离不得超出彼此的有效通信范围。

3.如权利要求1所述的农业物联网的越级路由维护方法，其特征在于，所述根据节点地理位置生成节点通信路径图的过程如下：

将节点布置于农田中，利用GPS位置测定仪测量该节点处的卫星定位数据；

将节点的卫星定位数据转化为相应的图纸坐标；

获得所有节点的图纸坐标，并将图纸坐标叠加在GIS地图上，得到所述节点通信路径图。

4.如权利要求1所述的农业物联网的越级路由维护方法，其特征在于，所述根据节点地理位置生成节点通信路径图的过程如下：

在农田中确定一已知地理位置参照点；

在平面地图中确定待设置的节点与参照点之间的地理位置偏移；

根据所述地理位置偏移将待设置的节点布置在农田中。

5.如权利要求1所述的农业物联网的越级路由维护方法，其特征在于，所述横向对比法为：

L′＝x_a-x_b；

其中：

L′为两个节点在节点通信路径图中x轴方向的水平距离；

x_a为相邻节点在节点通信路径图中的横坐标；

x_b为当前节点在节点通信路径图中的横坐标。

6.如权利要求1所述的农业物联网的越级路由维护方法，其特征在于，步骤(1)中建立直角坐标系时，以正东方向作为直角坐标系中的X轴的正向，以正北方向作为直角坐标系中的Y轴的正向。

7.如权利要求6所述的农业物联网的越级路由维护方法，其特征在于，步骤(1)中建立的最大横向路径通信图，存储于每个节点中。

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