CN105050171B - 一种基于rpl协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进方法 - Google Patents

一种基于rpl协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于RPL协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进算法，包括步骤：a.判断节点传输是否正常，若传输正常则执行b，若传输不正常则执行d；b.节点的相邻两次数据串传输之间由传输间隔I控制，如果传输正常则设置下次传输间隔I为当前传输间隔I值的2倍，若I的值到达最大间隔Imax；若在正常传输时出现异常则设置传输间隔I为最小间隔Imin，并执行c；c.节点首先以最小间隔Imin发送Cvalue个数据，如果发现节点传输正常，则执行b，否则执行d；d.节点随后的第m次数据串传输和第m+1次数据串传输之间以I(m)的间隔进行；e.若在d中发送处于正常模式，则执行b，否则执行d。本发明能够降低系统中节点的发送频率，降低节点功耗，提高使用效率。

Description

一种基于RPL协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约 功耗的改进方法
技术领域
本发明属于农业监测技术领域，具体涉及农田墒情监测系统无线传感网节点功耗的控制改进算法。
背景技术
农田墒情监测系统无线传感网络具有如下特点：(1)规模大，由于农田面积广大，需要的传感器节点可能达到成百上千个。(2)间距大，相邻节点距离通常达到50—100m以上，节点密度小。(3)为降低成本，冗余部署少。(4)拓扑结构稳定，大多以网格状矩阵结构部署，采用星型或链式结构，单跳或多跳传输。部署后节点通常不用移动或增减。(5)周期性主动采集数据农田传感器网络不需要高度实时性地采集数据，但要求有长期寿命，尤其是在长期无人看管的情况下，要求节点有较长的工作时间。
RPL协议设计的目的是专门用于解决低功耗和有损耗网络所特有的传输速率低、处理能力和能量存储有限，以及网络整体通信可靠性低、链路已丢失等问题，非常适用于农田墒情监测传感网络的构建。但是，根据实践以及查阅相关资料发现，在室外无线网络布置环境，尤其是在类似农田山区等长期无人看管环境下使用RPL协议进行路由管理网络，节点寿命往往达不到预期指标，与理论研究不符。
目前RPL协议应用于农田墒情监测系统的问题主要是功耗浪费问题。而当前RPL路由协议主要使用控制发送频率的算法为涓流算法，其基本原理为当无线传感网节点间DIO报文传输一致时加大节点间的传输间隔，以此节约传输功耗；若无线传感网节点间DIO报文传输出现异常，则使传输间隔设为最快频率，重新寻找最优节点，构建拓扑网络。但根据实验发现，当无线传感网中节点处于正常模式，则节点间减少传输次数，节约能耗。若网络中出现异常，则节点将频繁的发送信息，以重新组建网络。如果节点间长期处于正常模式，则节点间传输次数则会以2x指数形式递减，若突然出现异常，则无法立刻发现并采取措施，将会导致相关节点丢失或父子节点关系混乱等问题。另一方面，若节点间出现异常(如重构网络)，则节点间将长时间频繁的发送信息，导致节点能耗过大，不利于节点的长期使用。针对此现象，本发明对监测系统中的每个节点传输间隔进行重新设置，采用新型的间断更新算法，对网络中的正常以及异常模式节点的传输间隔进行优化，降低节点的传输频率，提高功耗使用效率。在不影响算法复杂性的前提下，降低农田墒情监测系统中节点的发送频率，提高使用效率为目标。
发明内容
为了降低农田墒情监测系统无线传感网节点的传输频率、提高无线传感网节点功耗的使用效率，本发明提出了一种针对现有Trickle算法缺陷的改进算法，采用的技术方案为：
一种基于RPL协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进算法，包括如下步骤：
a.判断无线传感网节点传输是否正常，若传输正常则执行b，若传输不正常则执行c；
b.在正常处理模式中，无线传感网节点的相邻两次数据串传输之间由传输间隔I控制，如果传输正常则设置下次传输间隔I为当前传输间隔I值的2倍，若I的值到达最大间隔Imax，则保持I值为Imax不变；若在正常传输时出现异常则设置传输间隔I为最小间隔Imin，并执行c，否则执行b；
c.在异常处理模式中，无线传感网节点首先以最小间隔Imin发送Cvalue个数据，如果发现无线传感网节点传输正常，则执行b，否则执行d；其中，Cvalue为初始传输控制量；
d.若无线传感网节点在发送Cvalue个数据后仍然处于异常模式，则无线传感网节点随后的第m次数据串传输和第m+1次数据串传输之间以I(m)的间隔进行；当m％p≠0时，所述I(m)为区间[0，m％p]内的随机整数；当m％p＝0时，所述I(m)为区间[0，p]内的随机整数；
其中，p为非零整数，m＝1,2,3…；
e.若在d的异常模式传输控制中无线传感网节点的发送处于正常模式，则执行b，否则执行d。
进一步地，所述b中：所述数据串传输具体为传输Q个数据，所述Q个数据之间的间隔为Imin。
进一步地，所述d中：当m％p≠0时，第m次数据串传输中传输的数据个数为m％p个，所述m％p个数据之间的间隔为Imin；当m％p＝0时，第m次数据串传输中传输的数据个数为p个，所述p个数据之间的间隔为Imin。
进一步地，Imin≤I≤Imax；所述Imin＝212，所述Imax＝220，所述p＝3，所述Q＝3，所述Cvalue＝15。
进一步地，所述无线传感网节点的个数为21个，包括1个基站节点和20个普通无线传感网节点。
进一步地，所述无线传感网节点采用的CPU为TI MSP430，所述无线传感网节点采用的通信芯片为CC2530，所述无线传感网节点采用的通信频率为2.4GHz，所述无线传感网节点采用的通信速率为250Kbps，所述无线传感网节点采用的开元栈协议为contiki+6lowpan。
和现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)在不影响报文投递成功率最小情况的前提下节省节点能耗，最多可节省47％功耗。
(2)本发明提出的改进算法相对于现有Trickle算法(简称TA)在网络处于正常模式时对节点传输进行改进，缩减正常情况下的传输间隔，提升节点间的信息交互。
附图说明
图1是正常模式下处理流程图；
图2是异常模式下处理流程图；
图3是监测系统网络结构图；
图4是实测能量剩余比较图；
图5是传输时间比较图；
图6是传输成功率比较图。
具体实施方式
本发明提出的针对现有Trickle算法的间隔更新改进算法，当出现异常情况时，改进算法将间歇性的让节点发送报文，以此节省功耗，并且在节点路由稳定时，间歇性的更改节点发送DIO报文的频率，通知邻居节点相关链路质量，以此维护DODAG的路由稳定性。
间隔更新改进算法针对现有涓流算法在网络中对节点传输处于正常以及异常状态时对传输间隔进行改进。当网络中的节点出现异常情况时Trickle算法(简称TA)将会不间断的多播报文以寻找合适的父节点破除重构的网络，但是在很多情况下这会导致节点功耗提升导致节点使用效率降低。本发明提出的改进算法在TA的基础上，改变当出现异常(如需要重构网络时)节点的发送频率。如关系式(1)所示：
关系式(1)中，P改进算法为使用改进算法后总共增加的功耗，I(m)为区间[0,m]中的一个随机整数，P是单个子网中消耗的功耗，n是指子网的个数，m＝1,2,3…，Mloop是每次重构网络的时候当前间断I相对于Imin的倍数。在不影响报文投递成功率最小情况的前提下节省节点能耗。假设在时间点S1开始重构网络，在S2结束。每当重构网络时，改进算法相比于TA节约的功耗可以通过关系式(2)表示：
关系式(2)中，Psave为改进算法相比TA节省的功耗，S1为重构网络的开始时间，S2为结束时间，PTA为TA消耗的功耗，P为单个子网中消耗的功耗，P改进算法为使用改进算法后总共增加的功耗。
由于在农田部署传感节点网络后人为对其管理较少，出现异常时很多时候需要重新组网来维持网络稳定。假设一种最坏的情况，当网络环境稳定时MLoop的值为20，出现异常情况需要重建网络，即出现异常情况并且没有立刻转为正常情况时，使用之前算法将多发送的次数为T1：
T1＝220-12-1 (3)
由关系式(3)可知，使用TA将多发送255次数据。而改用改进算法，多发送的次数为T2:
假设每次随机值都取最大值，则T2的值为135，所以改用改进算法相比于TA最多可节省47％功耗。
另一方面，当网络处于稳定状态则TA将会使节点的传输间隔增大。改进算法对于TA在网络处于正常模式时对节点传输进行改进，缩减正常情况发生时的传输间隔，提升节点间的信息交互，降低需要重构网络的概率。若在固定时间段T内网络处于稳定状态，则使用IUTA发送数据的频率相对于TA将有所提升，设R为改进算法发送频率提升的百分比，则有公式：
关系式(5)中，M为使用改进算法后当T到期时当前传输间隔I相对于Imin的倍数，N为使用TA时当T到期时当前传输间隔I相对于Imin的倍数，Q为正常情况下每次传输数据的个数。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，为本发明算法的处理流程图。具体包括：
a.判断无线传感网节点传输是否正常，若传输正常则执行b，若传输不正常则执行c；
b.在正常处理模式中，无线传感网节点的相邻两次数据串传输之间由传输间隔I控制，如果传输正常则设置下次传输间隔I为当前传输间隔I值的2倍，若I的值到达最大间隔Imax，则保持I值为Imax不变；若在正常传输时出现异常则设置传输间隔I为最小间隔Imin，并执行c，否则执行b；
c.在异常处理模式中，无线传感网节点首先以最小间隔Imin发送Cvalue个数据，如果发现无线传感网节点传输正常，则执行b，否则执行d；
d.若无线传感网节点在发送Cvalue个数据后仍然处于异常模式，则无线传感网节点随后的第m次数据串传输和第m+1次数据串传输之间以I(m)的间隔进行；当m％p≠0时，所述I(m)为区间[0，m％p]内的随机整数；当m％p＝0时，所述I(m)为区间[0，p]内的随机整数；
其中，p为非零整数，m＝1,2,3…；
e.若在d的异常模式传输控制中无线传感网节点的发送处于正常模式，则执行b，否则执行d。
本发明首先通过实际土壤墒情监测系统进行测试。根据IETF组织所发布的RFC6206标准文档规定设置Imin＝212，Imax＝220；进一步设置改进算法的初始传输控制量Cvalue为15用于控制算法开始时正常传输频率，设置p为3，用于控制在异常情况发生时节点的传输间隔，设置Q为3用于控制在正常情况时节点的传输间隔。节点设计硬件平台参数如表1所示：
表1硬件参数表
部署农田墒情监测系统，其中包括20个普通无线传感网节点(图3中的N01-N20)和1个基站节点(图3中的N00)，网络结构如图3所示。分别采用涓流算法(Trickle算法)与本发明提出的改进算法两种算法统计监测系统，经过30天监测得出的无线传感网节点剩余能量值比较如图4所示，监测系统在使用本发明提出的改进算法使用能量降低了13.2％，由于网络节点间的异常情况每天都会发生，在监测系统长期运行的情况下，采用改进算法来改进传输间隔相比于现有涓流算法所节省的功耗将会逐渐增加，有效地提高了传输效率。
另外，本发明还分别设计10至100个节点在Contiki操作系统的Cooja仿真环境进行仿真。设置具体网络参数如表2所示：
表2仿真参数信息表
分别验证了节点数据的传输时间和传输成功率相比于现有涓流算法的优化效果。
如图5，图6所示，分析统计结果发现，在30分钟内改进算法的平均传输成功率为94.87％，TA的平均传输成功率为94.56％，两者的传输成功率基本一致，但改进算法的平均传输时间为1226ms，而TA的平均传输时间为1390ms，改进算法相比TA减少了11.8％的传输时间。可以发现，使用改进算法可能会付出使重构网络被破坏的时间相应延长的代价，但是，对于农田墒情监测等可能存在通信瓶颈的无线传感网络的可靠运行是值得的。由此，使用改进算法对于降低RPL网络出现异常情况时节点的传输功耗具有显著的作用，有利于改善目前农田墒情监测无线传感网络节点时间寿命短等一系列问题。
以上所述仅用于解释本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围，所应理解，在不违背本发明实质内容和精神的前提下，所作任何修改、改进和等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于RPL协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.判断无线传感网节点传输是否正常，若传输正常则执行b，若传输不正常则执行c；
b.在正常处理模式中，无线传感网节点的相邻两次数据串传输之间由传输间隔I控制，如果传输正常则设置下次传输间隔I为当前传输间隔I值的2倍，若I的值到达最大间隔Imax，则保持I值为Imax不变；若在正常传输时出现异常则设置传输间隔I为最小间隔Imin，并执行c，否则执行b；
c.在异常处理模式中，无线传感网节点首先以最小间隔Imin发送Cvalue个数据，如果发现无线传感网节点传输正常，则执行b，否则执行d；其中，Cvalue为初始传输控制量；
d.若无线传感网节点在发送Cvalue个数据后仍然处于异常模式，则无线传感网节点随后的第m次数据串传输和第m+1次数据串传输之间以I(m)的间隔进行；当m％p≠0时，所述I(m)为区间[0，m％p]内的随机整数；当m％p＝0时，所述I(m)为区间[0，p]内的随机整数；
其中，p为非零整数，m＝1,2,3…；
e.若在d的异常模式传输控制中无线传感网节点的发送处于正常模式，则执行b，否则执行d。
2.根据权利要求1所述的一种基于RPL协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进方法，其特征在于，所述b中：所述数据串传输具体为传输Q个数据，所述Q个数据之间的间隔为Imin。
3.根据权利要求1所述的一种基于RPL协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进方法，其特征在于，所述d中：当m％p≠0时，第m次数据串传输中传输的数据个数为m％p个，所述m％p个数据之间的间隔为Imin；当m％p＝0时，第m次数据串传输中传输的数据个数为p个，所述p个数据之间的间隔为Imin。
4.根据权利要求2所述的一种基于RPL协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进方法，其特征在于，Imin≤I≤Imax；所述Imin＝212，所述Imax＝220，所述p＝3，所述Q＝3，所述Cvalue＝15。
5.根据权利要求1所述的一种基于RPL协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进方法，其特征在于，所述无线传感网节点的个数为21个，包括1个基站节点和20个普通无线传感网节点。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于RPL协议的农田墒情监测系统无线传感网节点节约功耗的改进方法，其特征在于，所述无线传感网节点采用的CPU为TI MSP430，所述无线传感网节点采用的通信芯片为CC2530，所述无线传感网节点采用的通信频率为2.4GHz，所述无线传感网节点采用的通信速率为250Kbps，所述无线传感网节点采用的开元栈协议为contiki+6lowpan。
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