CN116261202A - 农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质 - Google Patents

农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质 Download PDF

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CN116261202A CN202211644572.4A CN202211644572A CN116261202A CN 116261202 A CN116261202 A CN 116261202A CN 202211644572 A CN202211644572 A CN 202211644572A CN 116261202 A CN116261202 A CN 116261202A
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Abstract

本发明提供了一种农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质，涉及数据传输领域，包括：响应于任一当前节点的数据传输指令，确定当前节点的候选转发集合；通过当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至候选转发集合中的每一候选节点；从候选转发集合中筛选出下一跳节点，响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将数据传输至汇聚节点；候选节点是根据其加入候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的。本发明通过设计簇间的机会路由传输机制，动态选择节点传输功率与候选转发节点集合，以使得数据在各节点间传输时的代价最小，从而提高网络中的数据传输可靠性并改善网络能效利用率。

Description

农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质
技术领域
本发明涉及数据传输领域，尤其涉及一种农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质。
背景技术
对于不同的发送节点而言，选择的转发节点传输代价可能会随时变化，其规律性很难计算，无法及时选择合适的转发路径，现有机会路由采用集中于候选转发集构建与转发节点排序的方法，并未对机会路由进行优化，导致无线传感器的能量消耗增大，加大了使用成本。
发明内容
本发明提供一种农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质，用以解决现有技术中的农业无线传感器网络能耗较高的技术问题，本发明提供了一种高能效机会路由传输机制联合功率控制与网络分簇的技术方案。
第一方面，本发明提供了一种农田数据机会传输方法，包括：
响应于任一当前节点的数据传输指令，确定所述当前节点的候选转发集合；
通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点；
从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点；
候选节点所述候选转发集合是与所述当前节点所在簇的簇首节点相关的候选节点的集合；
所述当前节点所在簇与所述候选节点所在簇不同；
所述候选节点是根据其加入所述候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入所述候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的。
根据本发明提供的农田数据机会传输方法，所述确定所述当前节点的候选转发集合，包括：
获取初始节点对应的初始候选转发集合的初始期望传输能耗；
重复执行如下步骤：
在任一当前节点的邻居节点加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗小于所述上一次迭代的期望传输能耗的情况下，加入所述邻居节点至所述当前候选转发集合；
直至任一当前节点的邻居节点加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗等于所述上一次迭代的期望传输能耗的情况下，停止迭代，将迭代后候选转发集合确定为所述当前节点的候选转发集合。
根据本发明提供的农田数据机会传输方法，所述通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点，包括：
在所述当前节点为当前节点所在簇的簇首节点的情况下，将所述数据发送至所述候选转发集合中每一候选节点；
在所述当前节点为当前节点所在簇的非簇首节点的情况下，将所述数据从当前节点发送至当前节点所在簇的簇首节点，并根据所述当前节点所在簇的簇首节点将所述数据发送至所述候选转发集合中每一候选节点。
根据本发明提供的农田数据机会传输方法，所述从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，包括：
将所有向当前节点发出反馈信息的候选节点确定为待判断候选节点；
确定所有待判断候选节点的发送优先级，将发送优先级最高的待判断候选节点确定为下一跳节点；
所述反馈信息用于指示所述候选节点已接收到从当前节点传输的所述数据；
所述待判断候选节点的发送优先级是根据当前节点与每一待判断候选节点间的期望能耗效率，按照从小至大的顺序排序而确定的。
根据本发明提供的农田数据机会传输方法，在响应于任一当前节点的数据传输指令之前，还包括：
针对每一节点，向所述节点的所有邻居节点发送报文通知信息，以使得所述节点接收来自所有邻居节点发送的报文通知信息；
根据所述节点接收到报文通知信息的数量以及所有节点的数量确定所述节点的节点密度，根据所述节点的节点位置以及所述汇聚节点的节点位置确定所述节点至所述汇聚节点的距离；
根据所述节点的节点密度、所述节点至所述汇聚节点的距离以及所述节点的剩余能量计算所述节点成为簇首节点的概率，遍历所有节点，以获取所有节点中每一节点成为簇首节点的概率；
针对每一节点，根据每一节点所生成的随机数与每一节点成为簇首节点的概率确定每一节点的变量值，将每一节点成为簇首节点的概率以及每一节点的变量值发送至所述节点的所有邻居节点，以使得每一节点获取所有邻居节点成为簇首节点的概率以及所有邻居节点的变量值；
确定成为簇首节点的概率最高且变量值为预设常数的节点为簇首节点，并根据簇首节点向所有邻居节点发送当选信息，以根据每一节点所接收到的当选信息对所有节点进行分簇；
所述报文通知信息包括节点位置、节点名称以及节点的剩余能量。
根据本发明提供的农田数据机会传输方法，所述根据每一节点所接收到的当选信息对所有节点进行分簇，包括：
在任一节点接收到一个当选信息的情况下，将所述节点加入至所述当选信息所对应的簇首所在簇中；
在任一节点接收到多个当选信息的情况下，将所述节点加入至成为簇首节点的概率最高的当选信息所对应的簇首所在簇中。
根据本发明提供的农田数据机会传输方法，在向所述节点的所有邻居节点发送报文通知信息之前，包括：
针对任一节点，根据所述节点的发射功率、所述节点与目标区域内每一节点的距离、数据速率、数据包大小以及噪声带宽确定所述节点与目标区域内每一节点的数据包接收成功率；
将数据包接收成功率大于预设阈值的目标区域内节点确定为所述节点的邻居节点；
遍历所有节点，直至确定目标区域内所有节点的邻居节点。
第二方面，提供了一种农田数据机会传输装置，包括：
确定单元：用于响应于任一当前节点的数据传输指令，确定所述当前节点的候选转发集合；
传输单元：用于通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点；
响应单元：用于从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点；
候选节点所述候选转发集合是与所述当前节点所在簇的簇首节点相关的候选节点的集合；
所述当前节点所在簇与所述候选节点所在簇不同；
所述候选节点是根据其加入所述候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入所述候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的。
第三方面，还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的农田数据机会传输方法。
第四方面，还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的农田数据机会传输方法。
本发明有益效果为：本发明提供了一种农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质，本发明针对当前节点的数据传输时，通过当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至候选转发集合中的每一候选节点，并从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点。本发明通过设计簇间的机会路由传输机制，动态选择节点传输功率与候选转发节点集合，以使得数据在各节点间传输时的代价最小，从而提高网络中的数据传输可靠性并改善网络能效利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的农田数据机会传输方法的流程示意图之一；
图2是本发明提供的确定当前节点的候选转发集合的流程示意图；
图3是本发明提供的筛选出下一跳节点的流程示意图；
图4是本发明提供的农田数据机会传输方法的流程示意图之二；
图5是本发明提供的农田数据机会传输方法的流程示意图之三；
图6是本发明提供的节点邻居表的示意图；
图7是本发明提供的农田数据机会传输方法的流程示意图之四；
图8是本发明提供的农田数据机会传输装置的结构示意图；
图9是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在农业领域中，通过集成不同的物联网技术，建立无人农场实现自动化农业生产管理，是农业转型升级的突破口。物联网(IoT)包括传感器、机器人、无人机与无人拖拉机等多种智能作业机械，通过互联网进行连接，自动收集农场环境参数、作物状态与作业质量等数据，然后由管理信息系统和数据分析得到生产活动决策。无线传感器网络作为农业物联网的重要基础，关键功能是能够将检测到的信息发送到汇聚节点或基站，以便于进一步分析，即传感器节点感知数据，通过单跳或多跳的方式将数据发送给下沉节点Sink。
然而，传感器节点携带有限且不可替代的电池源，农业生产监测过程周期长且监测环境开放，无线节点的大部分能量被数据发送过程所吸收。为了延长农业无线传感器网络寿命，设计能源节约无线传感器网络路由协议是十分关键的。在现有技术的无线传感器网络的路由策略中，存在确定性路由，在确定性路由中，传输路径根据智能优化算法选择的确定邻居节点发送数据包。无线传感器网络能量有效，信号传输易受环境影响。而农场环境中开放的天气条件、密集作物、信号多径衰落和邻近无线技术或并发传输的干扰等因素导致无线电链路的高变异，造成了农业无线传感器网络链路连通概率不稳定，丢包率增加的问题。因此，设计高效路由算法是必要的。传统路由方案中通常采用智能算法选择下一跳节点，但无线链路的概率连通可能会导致下一跳节点无法成功接收数据包，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质，图1是本发明提供的农田数据机会传输方法的流程示意图之一，提供了一种农田数据机会传输方法，包括：
响应于任一当前节点的数据传输指令，确定所述当前节点的候选转发集合；
通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点；
从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点；
候选节点所述候选转发集合是与所述当前节点所在簇的簇首节点相关的候选节点的集合；
所述当前节点所在簇与所述候选节点所在簇不同；
所述候选节点是根据其加入所述候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入所述候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的。
在步骤101中，响应于任一当前节点的数据传输指令，确定所述当前节点的候选转发集合，所述当前节点为数据在簇间传输过程中的任一节点，其可以为无线传感器生成的数据传输指令，旨在将数据传输至汇聚节点，此时，确定所述当前节点的候选转发集合，所述候选转发集合是与所述当前节点所在簇的簇首节点相关的候选节点的集合，在本发明中，主要是根据当前节点，将数据在簇间节点中不断传输，以使得传输功率最小，故数据传输的方向应是在不同簇间进行传输，直至传输至汇聚节点，故所述当前节点所在簇与所述候选节点所在簇不同。
所述候选转发集合是根据所述候选节点构建的，而所述候选节点是根据其加入所述候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入所述候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的，如果任一当前节点的邻居节点加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗小于所述上一次迭代的期望传输能耗的情况下，则所述邻居节点即为候选节点。
在步骤102中，通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点，本发明将通过当前节点所在簇的簇首节点完成数据在不同簇的传输，为了保证数据能够有最大成功率的传输至下一跳节点，可以在确定所述当前节点的候选转发集合后，向候选转发集合中的所有节点发送数据，若接收到来自当前节点的数据，则认为传输成功。
本领域技术人员理解，分簇聚类是保持传感器节点能耗均衡的一种有效方法，每个簇由簇成员节点和一个簇首组成，簇成员将信息发送给集群中各自的簇首,簇首负责数据聚合，并进一步将聚合后的数据发送给汇聚节点，无线传感器网络协议的目的是将所有簇首的融合数据发送到汇聚节点进行进一步的分析，因此簇间路由对于数据包从簇首节点到汇聚节点的高效传输是非常必要的。
在步骤103中，从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点，在本发明中，可以将所述候选转发集合中任一节点确定为下一跳节点，也可以将所有成功接收到当前节点的数据传输的任一节点确定为下一跳节点，还可以按照传输优先级，将优先级最高的所述候选转发集合中节点确定为下一跳节点，可选地，还可以将所有向当前节点发出反馈信息的候选节点确定为待判断候选节点；确定所有待判断候选节点的发送优先级，将发送优先级最高的待判断候选节点确定为下一跳节点；所述待判断候选节点的发送优先级是根据当前节点与每一待判断候选节点间的期望能耗效率，按照从小至大的顺序排序而确定的。
本发明考虑了农场环境下链路概率不稳定的特点，建立了由传输能效与链路概率构成的节点传输代价模型，通过引入机会理论设计端到端可靠路由传输协议，构建节点的候选转发集构建并进行转发排序，在不同链路条件下完成稳定通信交互，实现低时延高吞吐量的农业监测数据传输。农场无线传感器网络具有能耗大，监测周期长的特点，本发明采用高能效机会路由传输机制联合了功率控制与网络分簇，利用数据融合理论将网络划分为包含簇首与簇成员的不同簇，从而降低农业无线传感器网络能耗。同时根据不同链路的不同传输概率选择簇首节点的发射功率，实现高能效的监测数据传输，延长网络寿命。
可选地，所述通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点，包括：
在所述当前节点为当前节点所在簇的簇首节点的情况下，将所述数据发送至所述候选转发集合中每一候选节点；
在所述当前节点为当前节点所在簇的非簇首节点的情况下，将所述数据从当前节点发送至当前节点所在簇的簇首节点，并根据所述当前节点所在簇的簇首节点将所述数据发送至所述候选转发集合中每一候选节点。
可选地，数据在不同节点间传输的过程中，在所述当前节点为当前节点所在簇的簇首节点的情况下，则根据所述当前节点所在簇的簇首节点，将所述数据发送至所述候选转发集合中每一候选节点；而在所述当前节点为当前节点所在簇的非簇首节点的情况下，首先，需要将所述数据从当前节点发送至当前节点所在簇的簇首节点，然后再根据所述当前节点所在簇的簇首节点将所述数据发送至所述候选转发集合中每一候选节点，从而完成了在当前节点的数据传输过程中传输数据至所述候选转发集合中的每一候选节点。
本发明在网络能耗、发射功率与节点分簇聚类等多因素影响下，建立了能够映射网络能效的传输模型，采用机会路由的传输策略，通过构建候选转发节点集，突破了以往确定路径路由算法链路质量适应性不强的缺点，能够自适应选择网络中的传输路由，避免数据传输前对中继节点的预先选择，而是依赖于数据传输后的动态、分布式在线转发决策。因此，机会路由较传统路由更适合于农业无线传感器网络。已有研究已证明无线传感器网络在分簇结构下具有显著优势。
本发明针对目前农场环境下无线传感器网络可靠性难以保证，能量消耗大的问题，提出一种节点机会路由传输方法，通过对网络节点发射功率与数据传输路径进行联合优化，改善网络传输性能。首先综合考虑节点密度、传输距离与剩余能量对网络进行簇划分，簇头进行的数据分析与融合可以降低数据量，减少了网络能耗。
本发明提供了一种农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质，本发明针对当前节点的数据传输时，通过当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至候选转发集合中的每一候选节点，并从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点。本发明通过设计簇间的机会路由传输机制，动态选择节点传输功率与候选转发节点集合，以使得数据在各节点间传输时的代价最小，从而提高网络中的数据传输可靠性并改善网络能效利用率。
图2是本发明提供的确定当前节点的候选转发集合的流程示意图，所述确定所述当前节点的候选转发集合，包括：
获取初始节点对应的初始候选转发集合的初始期望传输能耗；
重复执行如下步骤：在任一当前节点的邻居节点加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗小于所述上一次迭代的期望传输能耗的情况下，加入所述邻居节点至所述当前候选转发集合；直至任一当前节点的邻居节点加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗等于所述上一次迭代的期望传输能耗的情况下，停止迭代，将迭代后候选转发集合确定为所述当前节点的候选转发集合。
在步骤1011中，获取初始节点对应的初始候选转发集合的初始期望传输能耗，在这样的实施例中，农场无线传感器网络完成分簇后，每个簇内节点可以与簇首节点进行一跳通信，簇首节点对感知数据汇聚后，在传感器内部进行融合处理，再将处理后的数据传输至汇聚节点。簇首节点中数据量大，信息精度高，需要进行准确传输。但同时农场无线传感器网络WSN的能量有限，节点不易充电或更换，本发明提出了一种结合功率控制的簇间机会路由传输机制，具体地，节点i为当前节点，节点j为数据传输对象，即邻居节点，则节点i传输数据至节点j的传输失败的概率可由误码率peij表示，每个候选节点接收数据包事件相互独立，则节点i以发射功率ptk发送的数据至少被候选转发节点集中一个节点接收的概率为：
Figure BDA0004009200700000111
式(1)表示节点i发送数据至候选转发节点集的期望传输次数为
Figure BDA0004009200700000112
设Ci表示节点i的候选转发节点集合，结合网络能耗模型可知，节点i发送数据至候选转发节点的期望能耗效率为：
Figure BDA0004009200700000113
式(2)中，ETX为节点发送数据时的消耗能量，ERx为节点接收数据消耗的能量，peij k为节点i与节点j之间的连通概率，更为具体地，可以结合如下内容确定ETX、ERx以及peij k：
无线传感器网络WSN主要由能源供应电子系统、通信子系统、处理子系统和传感子系统组成，有些传感器网络还会有定位子系统，通信子系统的能耗远远高于处理子系统。现有研究已经证明数据传输的能耗非常大，而数据处理所需的能耗相对较小。基于此原理，能量消耗模型主要考虑传感子系统的能量消耗和通信子系统的能量消耗，用能量模型First-Order衡量节点能耗，节点将k bit数据发送到d距离处的消耗能量如下：
ETX(k,d)＝k·Eelec+k·εfs·d2,d＜d0 (3)
式(3)中，Eelec是发送模块和接收模块处理1bit数据所消耗的能量；εfs和εmp均为功率放大所消耗的能量；
Figure BDA0004009200700000121
实际上，节点耗能与发射功率呈正相关关系，根据自由空间衰减模型，上述能耗模型可以转换为：
Figure BDA0004009200700000122
式(4)中，pti为节点i的发射功率，h为路径增益。
而节点接收k bit数据消耗的能量为：
ERX＝k·Eelec (5)
本发明采用功率可调传感器作为研究对象，设P＝{pt1,pt2,…,ptu}为传输功率的集合，当节点i选择发射功率ptk∈P发送数据时，将节点i与节点j之间的连通概率表示为peij k,该概率由可靠性模型计算得到：
Figure BDA0004009200700000123
式(6)中，di为节点i与下一跳节点间的传输距离。
在机会路由中，优先级最高且接收到上一阶段数据包的候选节点将率先转发数据，不然则由优先级次之的候选节点转发。若节点j转发该数据包，则表示节点j成功收到该数据包且优先级比它高的所有候选节点都接收失败，此时节点j的期望能量消耗是基于候选节点集中至少有一个节点收到数据包为基础。因此，节点i向候选转发集合Ci成功发送融合数据的期望能耗效率为：
Figure BDA0004009200700000131
综上，节点i在端到端的机会路由中，预期传输能耗效率
Figure BDA0004009200700000135
为：
Figure BDA0004009200700000132
式(8)中，
Figure BDA0004009200700000133
为节点i发送数据至候选转发节点的期望能耗效率，/>
Figure BDA0004009200700000134
为节点i向候选转发集合Ci成功发送融合数据的期望能耗效率。步骤1011中获取初始节点对应的初始候选转发集合的初始期望传输能耗的方式，同样适用于后续迭代中节点所对应的候选转发集合的期望传输能耗的确定。
在步骤1012中，在任一当前节点的邻居节点加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗小于所述上一次迭代的期望传输能耗的情况下，加入所述邻居节点至所述当前候选转发集合，本发明在判断任一邻居节点加入候选转发集合中，对期望传输能耗所产生的影响的情况下，通过判断期望传输能耗的值的大小关系，来确定当前节点的邻居节点是否为候选节点，其判断的原则为加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗小于所述上一次迭代的期望传输能耗。
在步骤1013中，步骤1012是一个重复执行的步骤，即不断的将任一当前节点的邻居节点加入至候选转发集合，并在加入后进行一次判定，直至任一当前节点的邻居节点加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗等于所述上一次迭代的期望传输能耗的情况下，停止迭代，将迭代后候选转发集合确定为所述当前节点的候选转发集合。
本领域技术人员理解，节点间传输功率与能耗呈正相关关系，在设计路由时若不考虑节点发射功率的动态变化，则会发生节点采用大于通信距离所需的传输功率进行数据交互，从而导致无效能耗，加快节点失效。节点发射数据过程中的能耗效率受节点发射功率影响，为了提高路由过程中的节点能效，延长网络寿命，需要控制节点的发射功率，避免无效能耗。
具体地，节点i在端到端的机会路由中，预期传输能耗效率为CQi k，令CQsink＝0，CQi k＝+∞，1≤i≤N，发射功率等级赋初值k＝1，迭代次数iter的赋初值为1，则迭代初始化设置为CQsink＝0，CQi 0＝+∞，1≤i≤N，在第iter次迭代中，计算节点i与节点i不同簇的邻居节点间的期望传输能耗，若节点j为节点i的邻居节点且与节点i不同簇，当其加入i的候选转发节点集Ci后使节点i的期望传输能耗CQi_iter 0小于CQi0，则将节点j加入节点i的候选转发集；当节点的候选转发集合Ci与上一次迭代的结果不相同时，重复执行上述步骤，同时令CQi0＝CQiter0，再令iter＝iter+1；当节点的候选转发集合Ci与上一次迭代的结果相同时，判断CQi k是否小于CQi 0，若是，令CQi 0＝CQi k，节点i发射功率pti为ptk，节点最终候选转发集合为当前候选转发集合Ci，1≤i≤N。可选地，判断当前迭代次数是否小于等于预设迭代次数，若是，则令k＝k+1，并继续进行迭代处理，若否，则停止迭代，算法结束。在本发明中，根据上述步骤选择机会路由的候选节点集合时，每次迭代计算获得使节点i到节点j的期望传输能耗效率最小的邻居节点集，将迭代后候选转发集合确定为所述当前节点的候选转发集合。
本发明采用了机会路由进行数据传输的方法，在机会路由中，发送方不再仅选择一个中继节点，而是将数据包发送到一组中继节点，以提高发送节点和接收节点间的包投递率。源节点会根据到目的节点的距离、预期传输计数(ETX)、传播延迟、队列长度等不同性能指标来选择候选中继节点，并决定这些节点的优先级。机会路由中候选转发节点越多，则传输成功率越高。另一方面，在到达目的地的最短路径上，每个邻居节点的传输进展不如下一跳快，使用太多的候选者可能会增加数据包偏离最短路径的可能性。完成路由选择进行数据传输时，节点通信范围与链路质量会受节点发射功率影响。但目前大部分无线传感器网络路由算法设计过程中通常选择固定发射功率，造成了网络冗余能耗。本发明结合功率控制与路由传输提出了一种节能分簇机会路由传输机制，基于节点可靠度模型与能耗模型，以单跳通信为约束设计贪婪算法将传感器节点进行分簇。然后建立节点的单播传输能效代价与候选转发集传输能效代价，通过端到端迭代得到每个簇头的候选转发集与转发节点优先级排序。
图3是本发明提供的筛选出下一跳节点的流程示意图，所述从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，包括：将所有向当前节点发出反馈信息的候选节点确定为待判断候选节点；确定所有待判断候选节点的发送优先级，将发送优先级最高的待判断候选节点确定为下一跳节点；所述反馈信息用于指示所述候选节点已接收到从当前节点传输的所述数据；所述待判断候选节点的发送优先级是根据当前节点与每一待判断候选节点间的期望能耗效率，按照从小至大的顺序排序而确定的。
在步骤1031中，将所有向当前节点发出反馈信息的候选节点确定为待判断候选节点，所述反馈信息用于指示所述候选节点已接收到从当前节点传输的所述数据，本发明首先将数据从当前节点发送至与所述当前节点相对应的候选转发集合中的每一候选节点，而其中有些候选节点能够接收到数据，有些候选节点无法接收到数据，所有接收到来自当前节点的数据的候选节点此时向当前节点发出反馈信息，以使得当前节点能够得知哪些候选节点接收到了数据，进而将所有向当前节点发出反馈信息的候选节点确定为待判断候选节点。
在步骤1032中，确定所有待判断候选节点的发送优先级，将发送优先级最高的待判断候选节点确定为下一跳节点，所述待判断候选节点的发送优先级是根据当前节点与每一待判断候选节点间的期望能耗效率，按照从小至大的顺序排序而确定的，根据式(4)，可以确定当前节点与每一待判断候选节点间的期望能耗效率，并按照从大至小的顺序对所有待判断候选节点进行排序，将发送优先级最高的待判断候选节点确定为下一跳节点。
本发明在候选转发集合构建完成后，根据节点间的期望传输能耗对转发节点进行排序，当网络中发生数据传输事件时，若发送节点为簇内成员节点，则先将数据传输至当前簇的簇首，若发送节点为簇首节点时，簇首节点执行机会路由算法向候选转发集中所有节点发送数据包，接收到传输数据包且优先级最高的节点作为实际下一跳节点，其他候选节点则丢弃数据包。可选地，如果实际下一跳节点为其他簇的簇内成员节点，则首先将数据发送至簇首节点，再由簇首节点执行机会路由算法进行数据转发。如果实际下一跳节点为其他簇首节点，则执行机会路由算法选择下一跳节点，重复上述步骤，直到所有数据传输至汇聚节点，结束数据的转发与传输。
图4是本发明提供的农田数据机会传输方法的流程示意图之二，在响应于任一当前节点的数据传输指令之前，还包括：
针对每一节点，向所述节点的所有邻居节点发送报文通知信息，以使得所述节点接收来自所有邻居节点发送的报文通知信息；
根据所述节点接收到报文通知信息的数量以及所有节点的数量确定所述节点的节点密度，根据所述节点的节点位置以及所述汇聚节点的节点位置确定所述节点至所述汇聚节点的距离；
根据所述节点的节点密度、所述节点至所述汇聚节点的距离以及所述节点的剩余能量计算所述节点成为簇首节点的概率，遍历所有节点，以获取所有节点中每一节点成为簇首节点的概率；
针对每一节点，根据每一节点所生成的随机数与每一节点成为簇首节点的概率确定每一节点的变量值，将每一节点成为簇首节点的概率以及每一节点的变量值发送至所述节点的所有邻居节点，以使得每一节点获取所有邻居节点成为簇首节点的概率以及所有邻居节点的变量值；
确定成为簇首节点的概率最高且变量值为预设常数的节点为簇首节点，并根据簇首节点向所有邻居节点发送当选信息，以根据每一节点所接收到的当选信息对所有节点进行分簇；
所述报文通知信息包括节点位置、节点名称以及节点的剩余能量。
可选地，在响应于任一当前节点的数据传输指令之前，需要根据每一节点所接收到的当选信息对所有节点进行分簇，具体地：
在步骤201中，针对每一节点，向所述节点的所有邻居节点发送报文通知信息，以使得所述节点接收来自所有邻居节点发送的报文通知信息，所述报文通知信息包括节点位置、节点名称以及节点的剩余能量，本发明旨在将网络中的节点划分成簇，并为每个簇分配一个簇首(cluster head,CH)，簇首负责接收并聚合簇内节点感知到的数据，然后发送到汇聚节点。本发明公开了一种基于节点密度、剩余能量以及欧式距离的CH选举协议。
在步骤202中，根据所述节点接收到报文通知信息的数量以及所有节点的数量确定所述节点的节点密度，根据所述节点的节点位置以及所述汇聚节点的节点位置确定所述节点至所述汇聚节点的距离，具体地：
图6是本发明提供的节点邻居表的示意图，在节点密度的计算中，节点在收到邻居节点的报文通知信息时，将每个邻居的信息存储在图6所示的邻居表中，并统计收到的报文数为Sc，从而确定邻居的数量|Nei|，所述节点密度的计算公式为：
Figure BDA0004009200700000171
可选地，根据所述节点的节点位置以及所述汇聚节点的节点位置确定所述节点至所述汇聚节点的距离可以参考：
Figure BDA0004009200700000181
其中(xs,ys)和(xi,yi)分别表示汇聚节点和当前节点的位置。
在步骤203中，根据所述节点的节点密度、所述节点至所述汇聚节点的距离以及所述节点的剩余能量计算所述节点成为簇首节点的概率，可选地，参考如下公式：
Figure BDA0004009200700000182
式(11)中，α，β，ε表示权重因子，通过熵权法计算得到，Pr为网络中的簇首比例，r为迭代次数，dmin为节点i和邻居节点构成的集合与汇聚节点的最小距离，di为节点i距离汇聚节点的距离，Ermax为节点i和邻居节点构成的集合中的最大剩余能量，遍历所有节点，以获取所有节点中每一节点成为簇首节点的概率。
在步骤204中，针对每一节点，根据每一节点所生成的随机数与每一节点成为簇首节点的概率确定每一节点的变量值，将每一节点成为簇首节点的概率以及每一节点的变量值发送至所述节点的所有邻居节点，以使得每一节点获取所有邻居节点成为簇首节点的概率以及所有邻居节点的变量值。
可选地，在完成权重pci的计算后，每个节点生成随机数pdi∈[0,1]，若pdi<pci，则令变量l＝1，否则l＝0，任一节点通过发送广播包将自身节点的当选概率和l值发送给相邻节点，存储在如图6的邻居表中，通过信息交互，每一节点均能够获取自身及其邻居节点的当选概率和当选意愿。
在步骤205中，确定成为簇首节点的概率最高且变量值为预设常数的节点为簇首节点，并根据簇首节点向所有邻居节点发送当选信息，以根据每一节点所接收到的当选信息对所有节点进行分簇，可选地，所述预设常数为1，选择当选概率最高且l值为1的节点成为簇首，并将簇首信息发送至邻居节点，根据每一节点所接收到的当选信息对所有节点进行分簇。
可选地，所述根据每一节点所接收到的当选信息对所有节点进行分簇，包括：
在任一节点接收到一个当选信息的情况下，将所述节点加入至所述当选信息所对应的簇首所在簇中；
在任一节点接收到多个当选信息的情况下，将所述节点加入至成为簇首节点的概率最高的当选信息所对应的簇首所在簇中。
本领域技术人员理解，如果任一节点只接收到一个CH通告报文对应的当选信息时，则所述节点将选择报文的发送方作为其簇首加入；同时，当任一节点接收到两个或两个以上的CH通告报文所对应的当选信息时，所述节点将加入当选信息中当选概率最高的簇首节点。可选地，当任一节点收到来自当选信息中当选概率相同的数据包时，则随机选择其中一个簇首节点加入。
图5是本发明提供的农田数据机会传输方法的流程示意图之三，在向所述节点的所有邻居节点发送报文通知信息之前，包括：
针对任一节点，根据所述节点的发射功率、所述节点与目标区域内每一节点的距离、数据速率、数据包大小以及噪声带宽确定所述节点与目标区域内每一节点的数据包接收成功率；
将数据包接收成功率大于预设阈值的目标区域内节点确定为所述节点的邻居节点；
遍历所有节点，直至确定目标区域内所有节点的邻居节点。
在步骤301中，所述目标区域可选地为农场区域，例如设大小为400×400m2的无人农场中部署了N个传感器，其网络拓扑可以简化为无向图G＝(V,E)，其中集合V＝{v1,v2,…,vN}表示节点的集合，E是所有链路的集合，边eij∈E存在当且仅当节点vi和vj之间存在连接。
进一步地，农场中频繁变化的生态环境及其密集作物会对无线传感器信号传输产生障碍，使节点之间的通信链路连通概率不稳定。基于IEEE 802.15.6标准，可以构建如下遵循对数正态分布的路径损耗模型:
Figure BDA0004009200700000201
式(12)中，PL(d)和d分别表示发送节点与接收节点间的路径损耗和距离，PL(d0)为参考距离β0处的路径损耗，h为路径损耗指数(信号衰减的速率)。Xσ为零均值高斯分布随机变量，单位为(dB)。
设节点的发射功率为Pt和加性高斯白噪声功率为Pn，得到接收机的信噪比为:
γ(d)＝Pt-PL(d)-Pn(13)
网络环境的背景噪声值Pn通常为-115dBm，基于以上接收信噪比，本发明采用数据包接收成功率(PAR)来衡量通信链路的质量，可以用以下公式计算:
Figure BDA0004009200700000202
式(14)中，d为发送节点与接收节点间的路径距离，R为数据速率，f为数据包大小(以字节为单位)，BN为噪声带宽。
在步骤302中，将数据包接收成功率大于预设阈值的目标区域内节点确定为所述节点的邻居节点，可选地，如果两个节点之间连通概率peij大于预设阈值peth，则两个节点之间存在一条连通链路，其连通性受发送节点选择的传输功率所影响，与节点i具有连通链路的所有节点构成了节点i的邻居节点集合，由Nei表示，Er＝{Er1,Er2,…,ErN}表示节点的剩余能量集合。
在步骤303中，遍历所有节点，直至确定目标区域内所有节点的邻居节点，根据步骤301至步骤302，针对每一节点，根据所述节点的发射功率、所述节点与目标区域内每一节点的距离、数据速率、数据包大小以及噪声带宽确定所述节点与目标区域内每一节点的数据包接收成功率，将数据包接收成功率大于预设阈值的目标区域内节点确定为所述节点的邻居节点。
图7是本发明提供的农田数据机会传输方法的流程示意图之四，本发明输入节点数量、发射功率等级、节点位置、节点剩余能量、簇首节点集合等信息，计算所有节点的候选转发结合并进行转发节点排序，在网络中发生数据传输事件时，判断其发送节点是否为簇首节点，若是簇首节点，则将数据广播至候选转发集，选择接收到数据包且优先级最高的节点转发数据，若不是簇首节点，则将数据传输至当前簇的簇首节点，再将数据广播至候选转发集，选择接收到数据包且优先级最高的节点转发数据，进而判断转发节点是否为汇聚节点，若不是汇聚节点，则返回到判断发送节点是否为簇首节点的步骤，并重复执行上述步骤，若是汇聚节点，则结束。
本发明针对农场开放环境和密集作物导致的无线信号衰减不规律与传输能耗大的现象，提出了一种联合功率控制与网络分簇的机会传输机制，首先根据节点距离汇聚节点距离、邻居密度与剩余能量计算节点簇首当选概率，并设计贪婪算法将网络划分成簇，簇内成员通过单跳通信将信息传输至簇头，信息融合后利用节点可靠性模型与能耗模型获得簇间链路传输代价，构建簇头的候选转发节点集，提高农场传感器网络吞吐量。由于协调候选节点和冗余数据包传输的开销，它们可能会导致网络的额外能量成本，该协议在选择转发节点集合时则尽可能降低传输功率，同时保证对节点之间可接受的链路质量，在保证每一跳链路质量的基础上减少能量消耗。
本发明提出了一种农业无线传感器网络分簇方法，网络中的传感器节点在本地处理和融合感知数据，以减少数据传输量。首先通过计算节点的邻居节点密度，距离汇聚节点的距离与剩余能量改进当选簇首的阈值公式，同时利用熵权法确定不同影响因子的权重值，在均衡不同网络性能的同时将网络划分为簇内单跳通信的簇结构。而考虑到农场环境下链路传输质量难以保证的问题，进一步引入机会路由理论实现簇间数据的高可靠传输。
为了进一步优化农业无线传感器网络的能效利用率，本发明在农业无线传感器网络分簇方法的基础上，还提出一种适应动态传输功率的簇间机会路由方法，通过利用传输误码率预测节点传输成功概率，并建立了包含发射功率影响因子的节点能耗模型。在此基础上得到了网络传输代价；然后，本发明将数据从源节点传输到目标节点的能效传输代价转化为单播传输代价与候选转发节点集的路径传输代价，通过迭代选择节点传输功率并构建簇首节点的候选转发节点集合；候选转发集中传输代价越小的中继节点对数据包转发具有较高的优先级，从而实现农业监测数据的高能效高可靠传输。
图8是本发明提供的农田数据机会传输装置的结构示意图，本发明提供了一种农田数据机会传输装置，包括确定单元1：用于响应于任一当前节点的数据传输指令，确定所述当前节点的候选转发集合，所述确定单元1的工作原理可以参考前述步骤101，在此不予赘述。
所述农田数据机会传输装置还包括传输单元2：用于通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点，所述传输单元2的工作原理可以参考前述步骤102，在此不予赘述。
所述农田数据机会传输装置还包括响应单元3：用于从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点，所述响应单元3的工作原理可以参考前述步骤103，在此不予赘述。
候选节点所述候选转发集合是与所述当前节点所在簇的簇首节点相关的候选节点的集合；所述当前节点所在簇与所述候选节点所在簇不同；所述候选节点是根据其加入所述候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入所述候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的。
本发明提供了一种农田数据机会传输方法、装置、电子设备及介质，本发明针对当前节点的数据传输时，通过当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至候选转发集合中的每一候选节点，并从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点。本发明通过设计簇间的机会路由传输机制，动态选择节点传输功率与候选转发节点集合，以使得数据在各节点间传输时的代价最小，从而提高网络中的数据传输可靠性并改善网络能效利用率。
图9是本发明提供的电子设备的结构示意图。如图9所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)910、通信接口(Communications Interface)920、存储器(memory)930和通信总线940，其中，处理器910，通信接口920，存储器930通过通信总线940完成相互间的通信。处理器910可以调用存储器930中的逻辑指令，以执行农田数据机会传输方法，该方法包括：响应于任一当前节点的数据传输指令，确定所述当前节点的候选转发集合；通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点；从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点；所述候选转发集合是与所述当前节点所在簇的簇首节点相关的候选节点的集合；所述当前节点所在簇与所述候选节点所在簇不同；所述候选节点是根据其加入所述候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入所述候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的。
此外，上述的存储器930中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为待解析的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供农田数据机会传输方法，该方法包括：响应于任一当前节点的数据传输指令，确定所述当前节点的候选转发集合；通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点；从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点；所述候选转发集合是与所述当前节点所在簇的簇首节点相关的候选节点的集合；所述当前节点所在簇与所述候选节点所在簇不同；所述候选节点是根据其加入所述候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入所述候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种农田数据机会传输方法，其特征在于，包括：
响应于任一当前节点的数据传输指令，确定所述当前节点的候选转发集合；
通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点；
从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点；
所述候选转发集合是与所述当前节点所在簇的簇首节点相关的候选节点的集合；
所述当前节点所在簇与所述候选节点所在簇不同；
所述候选节点是根据其加入所述候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入所述候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的。
2.根据权利要求1所述的农田数据机会传输方法，其特征在于，所述确定所述当前节点的候选转发集合，包括：
获取初始节点对应的初始候选转发集合的初始期望传输能耗；
重复执行如下步骤：
在任一当前节点的邻居节点加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗小于所述上一次迭代的期望传输能耗的情况下，加入所述邻居节点至所述当前候选转发集合；
直至任一当前节点的邻居节点加入当前候选转发集合后的当前期望传输能耗等于所述上一次迭代的期望传输能耗的情况下，停止迭代，将迭代后候选转发集合确定为所述当前节点的候选转发集合。
3.根据权利要求1所述的农田数据机会传输方法，其特征在于，所述通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点，包括：
在所述当前节点为当前节点所在簇的簇首节点的情况下，将所述数据发送至所述候选转发集合中每一候选节点；
在所述当前节点为当前节点所在簇的非簇首节点的情况下，将所述数据从当前节点发送至当前节点所在簇的簇首节点，并根据所述当前节点所在簇的簇首节点将所述数据发送至所述候选转发集合中每一候选节点。
4.根据权利要求1所述的农田数据机会传输方法，其特征在于，所述从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，包括：
将所有向当前节点发出反馈信息的候选节点确定为待判断候选节点；
确定所有待判断候选节点的发送优先级，将发送优先级最高的待判断候选节点确定为下一跳节点；
所述反馈信息用于指示所述候选节点已接收到从当前节点传输的所述数据；
所述待判断候选节点的发送优先级是根据当前节点与每一待判断候选节点间的期望能耗效率，按照从小至大的顺序排序而确定的。
5.根据权利要求1所述的农田数据机会传输方法，其特征在于，在响应于任一当前节点的数据传输指令之前，还包括：
针对每一节点，向所述节点的所有邻居节点发送报文通知信息，以使得所述节点接收来自所有邻居节点发送的报文通知信息；
根据所述节点接收到报文通知信息的数量以及所有节点的数量确定所述节点的节点密度，根据所述节点的节点位置以及所述汇聚节点的节点位置确定所述节点至所述汇聚节点的距离；
根据所述节点的节点密度、所述节点至所述汇聚节点的距离以及所述节点的剩余能量计算所述节点成为簇首节点的概率，遍历所有节点，以获取所有节点中每一节点成为簇首节点的概率；
针对每一节点，根据每一节点所生成的随机数与每一节点成为簇首节点的概率确定每一节点的变量值，将每一节点成为簇首节点的概率以及每一节点的变量值发送至所述节点的所有邻居节点，以使得每一节点获取所有邻居节点成为簇首节点的概率以及所有邻居节点的变量值；
确定成为簇首节点的概率最高且变量值为预设常数的节点为簇首节点，并根据簇首节点向所有邻居节点发送当选信息，以根据每一节点所接收到的当选信息对所有节点进行分簇；
所述报文通知信息包括节点位置、节点名称以及节点的剩余能量。
6.根据权利要求5所述的农田数据机会传输方法，其特征在于，所述根据每一节点所接收到的当选信息对所有节点进行分簇，包括：
在任一节点接收到一个当选信息的情况下，将所述节点加入至所述当选信息所对应的簇首所在簇中；
在任一节点接收到多个当选信息的情况下，将所述节点加入至成为簇首节点的概率最高的当选信息所对应的簇首所在簇中。
7.根据权利要求5所述的农田数据机会传输方法，其特征在于，在向所述节点的所有邻居节点发送报文通知信息之前，包括：
针对任一节点，根据所述节点的发射功率、所述节点与目标区域内每一节点的距离、数据速率、数据包大小以及噪声带宽确定所述节点与目标区域内每一节点的数据包接收成功率；
将数据包接收成功率大于预设阈值的目标区域内节点确定为所述节点的邻居节点；
遍历所有节点，直至确定目标区域内所有节点的邻居节点。
8.一种农田数据机会传输装置，其特征在于，包括：
确定单元：用于响应于任一当前节点的数据传输指令，确定所述当前节点的候选转发集合；
传输单元：用于通过所述当前节点所在簇的簇首节点将数据传输至所述候选转发集合中的每一候选节点；
响应单元：用于从所述候选转发集合中筛选出下一跳节点，并响应于下一跳节点的数据传输指令，直至将所述数据传输至汇聚节点；
候选节点所述候选转发集合是与所述当前节点所在簇的簇首节点相关的候选节点的集合；
所述当前节点所在簇与所述候选节点所在簇不同；
所述候选节点是根据其加入所述候选转发集合之前的当前节点期望传输能耗，与加入所述候选转发集合之后的当前节点期望传输能耗的大小关系确定的。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的农田数据机会传输方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的农田数据机会传输方法。
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