CN104049602A - 一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统。包括信息采集系统、信息管理系统、互联网子系统和远程控制中心；信息采集系统包括协调节点、路由节点和终端节点；信息管理系统包括现场控制器ARM+Linux；互联网子系统包括网络接入点和无线网卡；远程控制中心包括电脑。本发明通过优化设计无线传感网络的路由算法，增加数据传输速率和系统吞吐量，减少传输延时和数据包的丢失，同时避免死亡节点过早的出现，延长网络的生存时间，使整个信息传输高效畅通，实现保育猪舍视频监控系统良好运行。

Description

一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统

技术领域

本发明涉及机器视觉技术，具体涉及一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统。

背景技术

传统的养猪模式都是依靠人工饲养和管理，这种养殖模式养殖人员的劳动强度大、费时费力，效率低、人力成本大，且养殖场环境条件差，臭味难闻，对工作人员的身心健康会带来严重影响。

随着计算机和控制技术的发展，一些规模大的养殖场在环境控制和精细养殖等方面在不同程度上实现了自动检测与控制，有少数先进的养殖场还将无线传感技术应用于环境控制中。但是，由于养殖场的饲养员的文化程度和专业技术水平普遍较低，因此，研制让养殖户用得起、用得好、经济高效、稳定可靠、维护简单的控制设备就成为急需。在基于无线传感网络技术的监控系统中，为了尽量减少节点的能量损耗，延长无线传感网络的使用时间，是数据通信和传输高效畅通，从而确保整个系统可靠稳定运行，无线传感网络中的路由算法得到了业内的重视。目前使用无线传感网络技术在进行养殖场环境监控时，广泛使用的算法都是基于单路径协议，在进行大数据传输时，控制包的开销和网络延时都比较大。当负载较大时，将面临节点能量快速消耗、网络拥塞等问题，尤其是在传输视频信息时，较大的网络传输延时将不能保证视频的服务质量。

发明内容

为了克服现有的监控系统会出现网络拥塞、不能保证视频的服务质量的不足，本发明提出一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统，本系统能有效地增加网络的传输带宽，提高数据的传输速率，实现保育猪舍的良好运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统，包括信息采集系统、信息管理系统、互联网子系统和远程控制中心；信息采集系统包括协调节点、路由节点和终端节点；信息管理系统包括现场控制器ARM+Linux；互联网子系统包括网络接入点和无线网卡；远程控制中心包括电脑；终端节点和路由节点采用ZigBee无线网络技术组成一个无线网络，通过ZigBee协议栈，将采集到的数据汇聚到协调节点；协调节点通过串行通信接口与信息管理系统实现数据交换；信息管理系统通过互联网子系统与远程控制中心连接。

进一步地，终端节点包括传感器、摄像头以及ZigBee模块；通过传感器与摄像头，可采集猪舍内的环境数据；通过ZigBee模块发送采集到的环境数据。

进一步地，ZigBee无线网络技术采用一种基于节点能量均衡消耗的多路径路由算法，一种基于节点能量均衡消耗的多路径路由算法包括如下步骤：

(1)统计每一个节点的父子节点以及相邻节点，生成该节点动态的邻居节点列表；

(2)设计多路径转发决策机制；

(3)节点能量阈值的设定和路由策略。

进一步地，邻居节点列表包括邻居节点标识、节点关系类型、和用来判断邻居节点是否被其他路径所使用的flag集。

进一步地，多路径转发决策机制为通过路径数Pn值来判断其具体的路径；当源节点通过多路径传输机制开始传输数据时，通过在数据包DP中添加一个字段作为标志位flag来判断路径所使用的路由方式，若flag＝1时，则使用树路由算法进行数据的传输；flag＝0时，则选择新的多路径转发机制。

进一步地，节点能量阈值的设定和路由策略为，在ZigBee网络中设定节点能量阈值a和b(a>b)来保护能量偏低的节点；当节点剩余能量大于a时，若有新节点加入网络时，可优先选择此节点作为父节点；若节点剩余能量大于b小于a时，此类节点可作为中继节点；如果节点剩余能量小于b时，则此类节点不作为路由节点，也不接收新的节点为子节点，只转发信息至其子节点。

本发明的有益效果是：通过优化设计无线传感网络的路由算法，增加数据传输速率和系统吞吐量，减少传输延时和数据包的丢失，同时避免死亡节点过早的出现，延长网络的生存时间，使整个信息传输高效畅通，实现保育猪舍视频监控系统良好运行。

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系统结构图。

图2是温、湿度及CO2等现场数据的采集以及设备控制的执行图。

图3是源节点的中继节点的选择示意图。

图4是中间节点的中继节点的选择示意图。

图5是多路径路由的具体示意图。

具体实施方式

以下结合附图1、2、3、4进一步说明本发明的技术方案。

一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统，包括信息采集系统、信息管理系统、互联网子系统和远程控制中心；信息采集系统包括协调节点、路由节点和终端节点；信息管理系统包括现场控制器ARM+Linux；互联网子系统包括网络接入点和无线网卡；远程控制中心包括电脑；终端节点和路由节点采用ZigBee无线网络技术组成一个无线网络，通过ZigBee协议栈，将采集到的数据汇聚到协调节点；协调节点通过串行通信接口与信息管理系统实现数据交换；信息管理系统通过互联网子系统与远程控制中心连接。终端节点包括传感器、摄像头以及ZigBee模块；通过传感器与摄像头，可采集猪舍内的环境数据；通过ZigBee模块发送采集到的环境数据。ZigBee无线网络技术采用一种基于节点能量均衡消耗的多路径路由算法，一种基于节点能量均衡消耗的多路径路由算法包括如下步骤：

(1)统计每一个节点的父子节点以及相邻节点，生成该节点动态的邻居节点列表；

(2)设计多路径转发决策机制；

(3)节点能量阈值的设定和路由策略。

邻居节点列表包括邻居节点标识、节点关系类型、和用来判断邻居节点是否被其他路径所使用的flag集。多路径转发决策机制为通过路径数Pn值来判断其具体的路径；当源节点通过多路径传输机制开始传输数据时，通过在数据包DP中添加一个字段作为标志位flag来判断路径所使用的路由方式，若flag＝1时，则使用树路由算法进行数据的传输；flag＝0时，则选择新的多路径转发机制。节点能量阈值的设定和路由策略为，在ZigBee网络中设定节点能量阈值a和b(a>b)来保护能量偏低的节点；当节点剩余能量大于a时，若有新节点加入网络时，可优先选择此节点作为父节点；若节点剩余能量大于b小于a时，此类节点可作为中继节点；如果节点剩余能量小于b时，则此类节点不作为路由节点，也不接收新的节点为子节点，只转发信息至其子节点。

本发明的实施实例为通过ZigBee终端节点上的摄像头、各种传感器和执行设备来实现保育猪舍环境参数和视频监控，并针对无线传感网中的能耗问题提出一种能量均衡的多路径路由算法，保证信息的传递更加流畅。

本监控系统采用分布式控制集中管理的模式，主要由信息采集系统、信息管理系统、互联网子系统和远程控制中心等部分组成。其中，信息采集系统主要是由分布在各个猪栏中的ZigBee终端节点组成。通过终端节点上放置的各类传感器和摄像头，完成猪舍环境参数和视频图像的采集，实时观察幼猪的生活状态以判断猪只的行为是否异常。在信息采集系统中，猪舍内的信息通过ZigBee无线网络发送至协调节点。协调节点负责信息的调配，并通过RS-232串口将数据发送到信息管理系统中。上述信息管理系统是由核心芯片mini6410组成的现场嵌入式控制器，通过在mini6410平台上移植的数据库和服务器，用户可以通过互联网远程对数据进行访问与查询，并且通过控制相关设备来实现环境调控，使得幼猪处于最佳的生长环境中。系统结构框图如图1所示。

1、信息采集系统

信息采集系统主要由协调节点、路由节点和终端节点等部分组成。在保育猪舍监控系统中，采用ZigBee无线网络技术将各猪栏内的终端节点和路由节点组成一个无线网络，通过ZigBee协议栈，将采集到的数据汇聚到协调节点，并通过串行通信接口，将数据传送至信息管理系统中，实现现场控制器与无线传感器网络的数据交互。对于不同的应用背景和环境，网络节点的硬件配置也会存在较大的差异。考虑到功耗和性能以及工作频段等方面的问题，本系统采用了集成的CC2430作为芯片。

ZigBee终端节点主要由各类传感器、摄像头以及ZigBee模块等组成。通过各类传感器与摄像头，用户不仅可以准确获取猪舍内的环境参数，还可以实时观察幼猪的活动情况。当终端节点采集完数据后，可通过ZigBee模块将这些数据发送至路由节点或者协调节点。根据得到的环境参数值，用户通过网页远程操控一些设备来调节猪舍的环境，比如当CO2溶度过高时，用户可完成对风机的开启。若温度过低时，可开启猪栏内的热风炉。温、湿度及CO2等现场数据的采集以及设备控制的执行图如图2所示。

信息采集系统为ZigBee节点组成的无线传感网络，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使用单路径协议存在的问题，本发明在分析原因的基础上，提出一种基于节点能量均衡消耗的多路径路由算法，实现保育猪舍视频监控系统良好运行。具体算法如下。

(1)统计每一个节点的相邻节点，生成该节点动态的邻居节点列表

多路径路由算法主要是在统计父子节点以及相邻节点的基础上来决定其路由转发决策的。在多路径路由中，每个节点都统计出一个动态的邻居节点列表，每个节点列表中包含了此节点的所有邻居节点。每个邻居节点表的入口包含邻居节点标识、节点关系类型(父子关系或者相邻节点)、以及用来判断邻居节点是否被其他路径所使用的flag集。在多路径路由算法中，我们用一个数组序列TRI(C₁，C₂，C₃….C_d)来表示该节点到汇聚节点的父子路径信息，d为此节点的深度。C_k为深度为k的子节点的秩。数组序列TRI的表达式如式(1)：

其中

$C_k=\left[\frac{A_d-k-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{k-1}{C}_{\mathrm{skip}(i-1)}.(C_i-1)}{C_{\mathrm{skip}(k-1)}}\right]+1,---\left(2\right)$

节点的地址用A_d表示，即

$A_d=(d-1)+\underset{i=1}{\overset{d-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{skip}(i-1)}*(C_i-1)+C_{\mathrm{skip}(d_c-1)}*(C_d-1)+1---\left(3\right)$

在多路径路由算法中，设定最多只有三条路径可供源节点与汇聚节点之间的数据传输。当源节点开始通过路由中的三条路径传输数据时，协调节点会跟踪接收到数据的相邻节点，并且通过与源节点通信的父子路径记录相邻节点的标识。

(2)设计多路径转发决策机制

在多路径路由算法中，通过路径数Pn值来判断其具体的路径。当源节点通过多路径传输机制开始传输数据时，我们通过在数据包DP中添加一个字段作为标志位flag来判断路径所使用的路由方式，若flag＝1时，则使用树路由算法进行数据的传输；flag＝0时，则选择则选择新的多路径转发机制。当通过第一条路径进行数据包的发送时，源节点只使用树路由算法，并将flag置1，在使用其他两条路径时，源节点则需先选择合适的相邻节点N1、N2来确定具体的路径方式。若flag为1时，采用树路由传输数据；否则，比较源节点与中间节点的路径信息，根据其结果为中间节点选择合适的中继节点。若结果为1时，公共节点为汇聚节点，采用树路由算法传输数据；若为dc时，则第一个公共节点的深度为dc-1，然后依次判断中间节点的相邻节点；若结果小于dc时，则将第一个公共节点作为下一中继节点。

当深度为dc的中间节点c在选择中继节点时，主要通过First_different_Element[TRIs,TRIc]函数来比较源节点与中间节点的路径信息，若所得的值等于中间节点的网络深度时，依次判断中间节点的相邻节点，将未被其他路径使用的节点作为下一中继节点，若flag＝1时，则根据树路由算法传输数据；否则，选择新的多路径转发机制。每一个节点只能做一次中继节点。节点d为协调节点，根据设定的传输范围，节点b，g，c分别为源节点s的相邻节点，通过式(1)和式(2)可得出源节点s的树路径信息TRIs＝(1,1.1)，TRIg＝(1,1,2)，TRIk＝(2,1,1)。节点b为源节点的父节点，节点a为节点b的父节点，协调节点d为节点a的父节点。因此，根据树路由关系，第一条路径为s→b→a→d。其他两条路径分别为s→g→k→p→n→d和s→c→h→i→j→d。

(3)节点能量阈值的设定和路由策略

在ZigBee网络中设定节点能量阈值a和b(a>b)来保护能量偏低的节点。根据能量阈值将节点划分成三个不同区域：当节点剩余能量大于a时，若有新节点加入网络时，可优先选择此节点作为父节点。选择路径时，应优先选择含有此类节点多的路径；若节点剩余能量大于b小于a时，此类节点可作为中继节点；如果节点剩余能量小于b时，则此类节点不作为路由节点，也不接收新的节点为子节点，只转发信息至其子节点。

假设节点的初始能量为E，则对任意节点i的最小剩余能量值E_min，如式(4)所示：

$E_{\min }=\frac{1}{t}\×\sqrt{E}\×\frac{1}{d_i+1}\×\∂---\left(4\right)$

式(4)中，t为网络运行时间，di为节点的深度，为调整系数(仿真实验中)，的作用是调整Emin的减小速度。

当节点的剩余能量略大于b时，选择路由时，优先考虑跳数较少的路径；当节点剩余能量小于b时，则选择路径时，应优先考虑避开此类节点。

实验结果表明，本发明的本系统能够准确及时地获取猪舍的环境参数，并能对幼猪的生活状态进行实时的观察，具有实时性、稳定性等特点，有效实现了猪舍环境的监测与控制，对保育猪舍监控起到了较好的作用。

2、信息管理系统

信息管理系统即为猪舍环境的现场控制器ARM+Linux，它的核心处理器选用三星公司的ARM11系列处理器S3C6410。S3C6410是一个16/32位的低功耗、高性能的RSIC通用微处理器，适用于移动、手持等终端设备。S3C6410内部总线结构由AXI、AHB和APB总线三部分构成，是一种64/32位的内部总线架构。S3C6410与外部存储器的连接是通过一个优化的接口来实现的。双重外部存储端口、DRAM和FLASH/ROM DRAM端口构成了一个完整的存储器系统。其中可将DRAM的端口配置成支持移动DDR、DDR、移动SDRAM和SDRAM。将FLASH/ROM/DRAM端口配置成支持NOR-FLASH、NAND-FLASH、ONENAND、CF、ROM类型外部存储器和移动DDR，DDR，移动SDRAM和SRAM。为消减系统的总成本，提高整体性能，S3C6410集成了许多硬件外设，如Camera接口、电源等系统管理、32通道DMA、4通道UART、4通道定时器、通用I/O端口、IIS、IIC总线接口、USB Host、USB OTG(480Mbps)、3通道SD/MMC Host控制器以及用于生成时钟的PLL。

3、互联网子系统

互联网子系统采用WIFI无线网络技术架设基站。该基站将猪场每个猪舍的ARM-LINUX控制器与INTERNET无缝连接，实现用户远程访问。WiFi网络无需布线，方便与现有的有线以太网整合，组网成本低。自行架设WiFi接入点，无需支付使用费用。本发明使用WiFi无线网络接入互联网。WIFI无线网络由AP(Access Point)和无线网卡组成。AP一般称为网络桥接器或接入点。采用wifi定向天线的办法，养猪场基本上没有“高楼林立”的情况，信号干扰也较少，无线传输信号很好，定向天线信号传输距离比较远，20DB高增益2.4G定向天线在平原传输可达6km以上距离。采用IEEE802.11b/g无线标准的无线网卡，2.4Ghz频段，最高速率达到54Mbps。在养猪场中心自行架设WiFi接入点可大大降低猪场嵌入式ARM-LINUX控制器联网成本。

4、远程控制中心

远程控制中心可用PC机作为监控平台。为了能够在网络上对采集到的信息进行动态、实时地浏览，需要在mini6410上移植BOA服务器和数据库。通过CGI接口编程，使得Web客户端和服务器之间具有交互功能，从而最终实现监控系统中远程监控，参数更新、查询等功能。为了使得系统负荷得到均衡分配，本文采用了B/S模式，远程用户只要通过客户端浏览器即可登陆猪场现场的嵌入式ARM-LINUX控制器，监测猪舍环境并可控制设备调节环境。

B/S结构是一种浏览器/服务器机构，即只安装维护一个服务器，而客户端采用浏览器运行软件。在B/S结构中，用户通过浏览器以超文本形式向分布在网络上的服务器提出请求，服务器接收请求后，利用CGI程序对浏览器的请求进行处理，并将用户所需的信息返回到浏览器中。而数据请求、对数据库的访问和应用程序的执行等工作则由Web Server完成。B/S模式的主要特点是维护方便，客户端软件是浏览器，并不需要安装其他软件，B/S模式下的软件所有的升级与维护工作都只在服务器上进行的，而客户端无需安装及维护。

Claims (6)

1.一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统，其特征在于，包括信息采集系统、信息管理系统、互联网子系统和远程控制中心；

所述信息采集系统包括协调节点、路由节点和终端节点；所述信息管理系统包括现场控制器ARM+Linux；所述互联网子系统包括网络接入点和无线网卡；所述远程控制中心包括电脑；

所述终端节点和路由节点采用ZigBee无线网络技术组成一个无线网络，通过ZigBee协议栈，将采集到的数据汇聚到所述协调节点；所述协调节点通过串行通信接口与信息管理系统实现数据交换；所述信息管理系统通过所述互联网子系统与所述远程控制中心连接。

2.根据权利要求1所述的一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统，其特征在于所述终端节点包括传感器、摄像头以及ZigBee模块；通过所述传感器与摄像头，可采集猪舍内的环境数据；通过所述ZigBee模块发送采集到的环境数据。

3.根据权利要求1或2所述的一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统，其特征在于所述ZigBee无线网络技术采用一种基于节点能量均衡消耗的多路径路由算法，所述一种基于节点能量均衡消耗的多路径路由算法包括如下步骤：

(1)统计每一个节点的父子节点以及相邻节点，生成该节点动态的邻居节点列表；

(2)设计多路径转发决策机制；

(3)节点能量阈值的设定和路由策略。

4.根据权利要求3所述的一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统，其特征在于所述邻居节点列表包括邻居节点标识、节点关系类型和用来判断邻居节点是否被其他路径所使用的flag集。

5.根据权利要求3所述的一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统，其特征在于所述多路径转发决策机制为通过路径数Pn值来判断其具体的路径；当源节点通过多路径传输机制开始传输数据时，通过在数据包DP中添加一个字段作为标志位flag来判断路径所使用的路由方式，若flag＝1时，则使用树路由算法进行数据的传输；flag＝0时，则选择新的多路径转发机制。

6.根据权利要求3所述的一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统，其特征在于节点能量阈值的设定和路由策略为，在ZigBee网络中设定节点能量阈值a和b(a>b)来保护能量偏低的节点；当节点剩余能量大于a时，若有新节点加入网络时，可优先选择此节点作为父节点；若节点剩余能量大于b小于a时，此类节点可作为中继节点；如果节点剩余能量小于b时，则此类节点不作为路由节点，也不接收新的节点为子节点，只转发信息至其子节点。