專利名稱：一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種物聯(lián)網(wǎng)的路由維護(hù)方法，尤其涉及一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)各種傳感器采集信息，以幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問(wèn)題的位置，這樣農(nóng)業(yè)將逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，由于供電情況或其它原因?qū)е鹿?jié)點(diǎn)失效的情況或者人為 撤掉節(jié)點(diǎn)情況在實(shí)際應(yīng)用中常有發(fā)生，對(duì)個(gè)別節(jié)點(diǎn)撤除網(wǎng)絡(luò)的失效處理顯得尤為重要。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)失效情況往往性質(zhì)不一，導(dǎo)致對(duì)原網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的影響也不完全相同。但這些影響會(huì)造成局部網(wǎng)絡(luò)有所變動(dòng)。因此，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由維護(hù)在無(wú)線自組網(wǎng)通信領(lǐng)域處于非常重要的地位。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)不同，無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)是動(dòng)態(tài)變化的，極易受到環(huán)境變化影響發(fā)生信號(hào)減弱或出現(xiàn)信號(hào)盲區(qū)，導(dǎo)致原組網(wǎng)路徑中斷。國(guó)內(nèi)外研究路由維護(hù)的應(yīng)用特點(diǎn)大多都是針對(duì)節(jié)點(diǎn)密集布置型，通信距離短的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。在密布的網(wǎng)絡(luò)里，研究路由維護(hù)的核心主要是研究路由在動(dòng)態(tài)維護(hù)中的可靠性和降低路由動(dòng)態(tài)維護(hù)的對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量造成的影響。而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在大規(guī)模農(nóng)田中的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的距離遠(yuǎn)，每一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)很難同時(shí)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的有效通信信號(hào)覆蓋。其次，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境特殊，節(jié)點(diǎn)均為太陽(yáng)能供電，因此，在長(zhǎng)期陰雨天氣里有些節(jié)點(diǎn)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過(guò)重而導(dǎo)致備用電池電力消耗盡的可能。導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)斷電失效而從網(wǎng)絡(luò)中退出，原有通信鏈路遭到破壞。另外，節(jié)點(diǎn)在斷電后因?yàn)樘鞖夂棉D(zhuǎn)電能供應(yīng)充足的情況下，節(jié)點(diǎn)又恢復(fù)通信，重新加入網(wǎng)絡(luò)，因此，新增節(jié)點(diǎn)也能改變網(wǎng)絡(luò)通信鏈路，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)發(fā)生較少變動(dòng)。另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用上，某些采集節(jié)點(diǎn)在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)需要挪動(dòng)位置，因此導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信鏈路發(fā)生一定變化。要保持網(wǎng)絡(luò)通信效率最 高、能耗最低且穩(wěn)定運(yùn)行，必須研究這些網(wǎng)絡(luò)變異情況下的路由維護(hù)和組網(wǎng)通信規(guī)則?，F(xiàn)有技術(shù)的不足是某些中轉(zhuǎn)信息的節(jié)點(diǎn)短路后，造成整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中斷，信息丟失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，解決了節(jié)點(diǎn)中斷造成的信號(hào)中斷，且在有效范圍內(nèi)無(wú)有效節(jié)點(diǎn)連接的問(wèn)題。一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，包括根據(jù)節(jié)點(diǎn)地理位置生成節(jié)點(diǎn)通信路徑圖，還包括(I)在所述節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中，建立直角坐標(biāo)系，通過(guò)橫向?qū)Ρ确ǎ_定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在有效通信范圍內(nèi)的橫向距離最大的相鄰節(jié)點(diǎn)，歷遍所有節(jié)點(diǎn)建立最大橫向路徑通信圖；(2)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，根據(jù)最大橫向路徑通信圖與相鄰節(jié)點(diǎn)之間建立最大橫向路徑鏈接，并將信號(hào)通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；(3)若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)無(wú)法檢測(cè)到所述相鄰節(jié)點(diǎn)，則在有效通信范圍內(nèi)按照橫向距離由大至小的順序檢測(cè)并發(fā)送信號(hào)給下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，通過(guò)所述下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)將信號(hào)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；(4)若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在有效通信范圍內(nèi)無(wú)法檢測(cè)到任何可與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信的相鄰節(jié)點(diǎn)，則提高當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的無(wú)線發(fā)射功率以擴(kuò)大有效通信范圍，直到無(wú)線信號(hào)有效覆蓋至下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)；在擴(kuò)大后的有效通信范圍內(nèi)，按照步驟(2) 至(3)與相應(yīng)的相鄰節(jié)點(diǎn)建立通 目。相鄰節(jié)點(diǎn)分為相鄰的前向節(jié)點(diǎn)及相鄰的后向節(jié)點(diǎn)。相鄰的前向節(jié)點(diǎn)是指當(dāng)前節(jié)點(diǎn)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)時(shí),沿?cái)?shù)據(jù)傳輸方向的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)傳輸?shù)男枰c當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相鄰的前向節(jié)點(diǎn)一般有多個(gè)，因此要分別計(jì)算與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的距離并進(jìn)行比較；同理，后向節(jié)點(diǎn)為上位機(jī)向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，沿?cái)?shù)據(jù)傳輸方向的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。正常情況下，所述當(dāng)前節(jié)點(diǎn)會(huì)定時(shí)將信息傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，若所述當(dāng)前節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間信息發(fā)送不到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明當(dāng)前節(jié)點(diǎn)已脫離網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)將采取局部重組網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。所述當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為需要發(fā)送信息的任一節(jié)點(diǎn)。所述目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信的最終節(jié)點(diǎn)，一般僅有一個(gè)。步驟(4)中，若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在有效通信范圍內(nèi)無(wú)法檢測(cè)到任何可與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信的相鄰節(jié)點(diǎn)，則提高當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的功率以擴(kuò)大有效通信范圍；在擴(kuò)大后的有效通信范圍內(nèi)，按照步驟(2)至(3)與相應(yīng)的相鄰節(jié)點(diǎn)建立通信。所述不存在任何可與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信的相鄰節(jié)點(diǎn)，包括兩方面的情況( I)在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的有效通信范圍內(nèi)，除第一相鄰節(jié)點(diǎn)外，不存在任何其余節(jié)點(diǎn)。(2)在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的有效通信范圍內(nèi)，除第一相鄰節(jié)點(diǎn)外，存在相鄰節(jié)點(diǎn)，但所述相鄰節(jié)點(diǎn)無(wú)法將信號(hào)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。若功率放大到最大，所述當(dāng)前節(jié)點(diǎn)仍然檢測(cè)不到可與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信的相鄰節(jié)點(diǎn)，則造成所述當(dāng)前節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)失敗。為防止上述情況的發(fā)生，規(guī)定在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)布置時(shí)，遵循以下規(guī)則在所述節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中，任何X軸上相鄰三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，處于兩端節(jié)點(diǎn)間的最大有效距離不得超出彼此的有效通信范圍。這樣可以保證有效通信范圍半徑提高到原來(lái)的兩倍時(shí)，一定可以尋找到下個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)。步驟(I)中建立直角坐標(biāo)系時(shí)，以正東方向作為直角坐標(biāo)系中的X軸的正向，以正北方向作為直角坐標(biāo)系中的Y軸的正向。步驟(I)中建立的最大橫向路徑通信圖，存儲(chǔ)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，在進(jìn)行通信路徑的建立時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)存儲(chǔ)的最大橫向路徑通信圖，進(jìn)行相鄰節(jié)點(diǎn)的尋找的判斷。所述根據(jù)節(jié)點(diǎn)地理位置生成節(jié)點(diǎn)通信路徑圖的過(guò)程如下有GIS地圖情況下，將節(jié)點(diǎn)布置于農(nóng)田中，利用GPS位置測(cè)定儀測(cè)量該節(jié)點(diǎn)處的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)；將節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的圖紙坐標(biāo)；獲得所有節(jié)點(diǎn)的圖紙坐標(biāo)，并將圖紙坐標(biāo)疊加在GIS地圖上，得到所述節(jié)點(diǎn)通信路徑圖。無(wú)GIS地圖情況下，在農(nóng)田中確定一已知地理位置參照點(diǎn)；在平面地圖中確定待設(shè)置的節(jié)點(diǎn)與參照點(diǎn)之間的地理位置偏移；根據(jù)所述地理位置偏移將待設(shè)置的節(jié)點(diǎn)布置在農(nóng)田中。所述橫向?qū)Ρ确長(zhǎng)，=Xa-Xb ； 其中L’為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中X軸方向的水平距離；Xa為相鄰節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中的橫坐標(biāo)；Xb為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中的橫坐標(biāo)。通過(guò)橫向?qū)Ρ确ㄟM(jìn)行組網(wǎng)，可盡量減少路由級(jí)數(shù)，防止深度路由，提高網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量。本發(fā)明的有益效果是解決了通信中斷造成的信息丟失的問(wèn)題，可對(duì)中斷的通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部重組。新增節(jié)點(diǎn)進(jìn)入農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)后可實(shí)現(xiàn)有效連接。節(jié)點(diǎn)可通過(guò)增大功率來(lái)提聞?dòng)行?[目范圍，實(shí)現(xiàn)有效連接。


圖I為本發(fā)明的部分節(jié)點(diǎn)通信路徑圖。圖2為本發(fā)明的部分最大橫向路徑示例圖。圖3為本發(fā)明的最大橫向路徑圖。圖4為節(jié)點(diǎn)失效后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為Sk重建路由通過(guò)Sn的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為Sn節(jié)點(diǎn)不在Sk有效范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為節(jié)點(diǎn)失效示意圖。圖8為越級(jí)路由維護(hù)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為節(jié)點(diǎn)信號(hào)無(wú)線發(fā)射原理圖。圖10 Ca)為100M時(shí)的節(jié)點(diǎn)能耗圖。圖10 (b)為2000M時(shí)的節(jié)點(diǎn)能耗圖。圖11為信號(hào)放大倍數(shù)與通信距離的關(guān)系圖。圖12為節(jié)點(diǎn)布置示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開了一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，可對(duì)中斷的通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行越
級(jí)局部重組。根據(jù)大規(guī)模農(nóng)田監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息采集節(jié)點(diǎn)位置基本固定，且布置節(jié)點(diǎn)時(shí)可以預(yù)先設(shè)置節(jié)點(diǎn)位置。節(jié)點(diǎn)的位置分布根據(jù)環(huán)境、土質(zhì)、土壤養(yǎng)分含量情況均勻布置。在這些特點(diǎn)下，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通訊方法包括以下幾個(gè)步驟I、節(jié)點(diǎn)位置規(guī)劃節(jié)點(diǎn)位置規(guī)劃有兩種方式(I)有GIS地圖情況下，將節(jié)點(diǎn)布置于農(nóng)田中，利用GPS位置測(cè)定儀測(cè)量該節(jié)點(diǎn)處的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)；將節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的圖紙坐標(biāo)；獲得所有節(jié)點(diǎn)的圖紙坐標(biāo)，并將圖紙坐標(biāo)疊加在GIS地圖上，得到所述節(jié)點(diǎn)通信路徑圖。如圖I所示。
(2)無(wú)GIS地圖情況下，在農(nóng)田中確定一已知地理位置參照點(diǎn)；在平面地圖中確定待設(shè)置的節(jié)點(diǎn)與參照點(diǎn)之間的地理位置偏移；根據(jù)所述地理位置偏移將待設(shè)置的節(jié)點(diǎn)布置在農(nóng)田中。如圖I所示。2、最大橫向路徑圖建立根據(jù)節(jié)點(diǎn)地理位置生成節(jié)點(diǎn)通信路徑圖，通過(guò)橫向?qū)Ρ冗M(jìn)行組網(wǎng)。生成路徑圖的規(guī)則是根據(jù)節(jié)點(diǎn)通信路徑圖上節(jié)點(diǎn)的分布情況，建立直角坐標(biāo)系，通過(guò)橫向?qū)Ρ确ㄓ?jì)算各相鄰節(jié)點(diǎn)的水平距離。假定5號(hào)節(jié)點(diǎn)與2、3、4號(hào)節(jié)點(diǎn)均在有效通信范圍內(nèi)，2號(hào)節(jié)點(diǎn)與I號(hào)節(jié)點(diǎn)及S節(jié)點(diǎn)也在有效通信范圍內(nèi)。Max (S' i} S' k) =L1 S_K節(jié)點(diǎn)間的橫向路徑為V 4_5=x5_x4L1 3_5=χ5-χ3L1 2_5=χ5-χ25號(hào)節(jié)點(diǎn)的通信路徑應(yīng)該由5號(hào)節(jié)點(diǎn)到4號(hào)節(jié)點(diǎn)的橫向路徑、5號(hào)節(jié)點(diǎn)到3號(hào)節(jié)點(diǎn)的橫向路徑及5號(hào)節(jié)點(diǎn)到2號(hào)節(jié)點(diǎn)的橫向路徑進(jìn)行比較，取最大橫向路徑Max (S' , νS' k)=L' S_K，即最大橫向路徑為 Max(L' 4_5，L' 3_5，L' 2_5)=L' 2_5。同理，2號(hào)節(jié)點(diǎn)與I號(hào)節(jié)點(diǎn)及S節(jié)點(diǎn)在有效通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間的橫向路徑為V 2-i=x2_xiV 2-s=x2_xs則最大橫向路徑為Max(L' 2_1; L' 2_S)=L' 2_s。如圖2所示，5號(hào)節(jié)點(diǎn)將信號(hào)先傳遞到2號(hào)節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)2號(hào)節(jié)點(diǎn)傳遞到S號(hào)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)S將獲得的信息發(fā)送到上位機(jī)中。根據(jù)上述方法，建立最大橫向路徑圖，如圖3所示。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)Sk發(fā)送信息時(shí)，根據(jù)最大橫向路徑通信圖與相鄰節(jié)點(diǎn)Sii間建立最大橫向路徑鏈接，并在Sk的有效通信范圍I內(nèi)將信號(hào)通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)Si發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)S。3、建立路由維護(hù)機(jī)制若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)無(wú)法檢測(cè)到所述相鄰節(jié)點(diǎn)，則在有效通信范圍內(nèi)按照橫向距離由大至小的順序檢測(cè)并發(fā)送信號(hào)給下個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，通過(guò)所述下個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)將信號(hào)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。路由維護(hù)發(fā)生的前提是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，Si節(jié)點(diǎn)為Sk節(jié)點(diǎn)的前向節(jié)點(diǎn)，Sk節(jié)點(diǎn)在原網(wǎng)絡(luò)路徑上依靠Si節(jié)點(diǎn)路由信息，當(dāng)Si節(jié)點(diǎn)失效后，Sk節(jié)點(diǎn)將陷入盲區(qū)。如圖4所示。當(dāng)31失效后，在Sk的有效通信范圍I內(nèi)，還存在Sn和Sm節(jié)點(diǎn)，而且Sn節(jié)點(diǎn)可通以前向節(jié)點(diǎn)將信息路由到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。因此，Sk可以通過(guò)局部網(wǎng)絡(luò)重組后，通過(guò)Sn節(jié)點(diǎn)路由信息，如圖5所示。假如圖5中的Sn節(jié)點(diǎn)不在Sk節(jié)點(diǎn)的有效通信范圍I內(nèi)，而Sm節(jié)點(diǎn)在Sn節(jié)點(diǎn)的有效通信范圍I內(nèi)，而且Sm節(jié)點(diǎn)的有效通信范圍2內(nèi)包含了可將信息傳遞到Snf點(diǎn)的前向節(jié)點(diǎn)，此時(shí)，Sk節(jié)點(diǎn)仍可通過(guò)Sm節(jié)點(diǎn)將信息路由到Sn節(jié)點(diǎn)。最后把信息傳輸給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，如圖6所示。如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)有效通信范圍內(nèi)不存在任何節(jié)點(diǎn)可為之路由，或者可以找到多個(gè)節(jié)點(diǎn)，也能組網(wǎng)，但是卻無(wú)法將信息傳遞給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)可通過(guò)加大當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的功率，來(lái)擴(kuò)大有效通信范圍。在圖7中，Si節(jié)點(diǎn)原來(lái)通過(guò)Sj節(jié)點(diǎn)路由信息，再通過(guò)Sk點(diǎn)路由第二次才能將信息轉(zhuǎn)交給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。但當(dāng)Sj點(diǎn)失效后，Si的前向通道被堵，Si節(jié)點(diǎn)在其有效范圍3內(nèi)無(wú)法將信息往前傳，而此時(shí)Si節(jié)點(diǎn)往后傳也無(wú)節(jié)路徑可把Si節(jié)點(diǎn)的信息間接傳給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)因Sj節(jié)點(diǎn)的失效而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中排在Si節(jié)點(diǎn)之后的所有節(jié)點(diǎn)信息通信將會(huì)中斷，這種偶然的節(jié)點(diǎn)失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)破壞性非常嚴(yán)重。 在圖7中，當(dāng)Si節(jié)點(diǎn)無(wú)法尋找到前向節(jié)點(diǎn)，而后向通信鏈路也無(wú)法滿足信息往目標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)，Si節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)node_net屬性將會(huì)從原來(lái)的I變?yōu)镺而脫離網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，Si節(jié)點(diǎn)內(nèi)部管理軟件將自動(dòng)啟動(dòng)增加節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的發(fā)送功率，此時(shí)Si節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大后的有效通信范圍4如圖8的大圓圈所示。前向節(jié)點(diǎn)Sk進(jìn)入了 Si節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大后的有效通信范圍4，Si節(jié)點(diǎn)可以越過(guò)Sj節(jié)點(diǎn)直接與Sk通信。Si的信息可通過(guò)Sk傳輸給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，并且Si節(jié)點(diǎn)的后向節(jié)點(diǎn)全部恢復(fù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈路重新恢復(fù)。圖8說(shuō)明了可以通過(guò)信號(hào)發(fā)射功率的軟件控制而修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，但是該辦法存在以下問(wèn)題Si節(jié)點(diǎn)的功率調(diào)大后，相應(yīng)的能耗必定會(huì)增加。而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采用太陽(yáng)能供電，考慮到成本因素，太陽(yáng)能電池板一般選用低功率的，它只保障節(jié)點(diǎn)正常工作前提下的能源供給。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率增大后，可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電源供給緊或出現(xiàn)斷電停機(jī)現(xiàn)象。又會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)陷于中斷狀態(tài)。為解決上述問(wèn)題，本實(shí)施例通過(guò)節(jié)點(diǎn)硬件與軟件優(yōu)化處理。節(jié)點(diǎn)信號(hào)無(wú)線發(fā)射方式為如圖9所示。在圖9中，MCU通過(guò)控制線與放大器接口電路相連，將控制放大信號(hào)轉(zhuǎn)換為放大器控制增益的信號(hào)。因此，MCU可通過(guò)程序控制無(wú)線模塊的發(fā)射功率。發(fā)射功率的提高，便可使該采集節(jié)點(diǎn)的有效通信范圍擴(kuò)大。本實(shí)施例設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)信息采集節(jié)點(diǎn)采用最大傳輸距離分為三個(gè)層次200M、2KM、8KM。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)上，本文項(xiàng)目示例中實(shí)際用到的節(jié)點(diǎn)距離為2km的射頻無(wú)線通信模塊，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)功率放大到最大后，通信距離也達(dá)到最大。此時(shí)功率消耗也達(dá)到最大。如果不更改信號(hào)發(fā)送頻率，往往容易導(dǎo)致電源供給不足而使節(jié)點(diǎn)失效，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量甚至使網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓。因此，本實(shí)施例提出一種基于能量與通信質(zhì)量及信號(hào)發(fā)射頻率的均衡動(dòng)態(tài)適應(yīng)方法。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在選擇不同的信號(hào)發(fā)射功率，就有不同的功率消耗。本實(shí)施例所用的無(wú)線射頻模塊核心芯片為CC2430芯片，先使內(nèi)部放大器，將發(fā)射距離調(diào)節(jié)在100M左右。加上外部信號(hào)功率放大后，利用軟件程控放大器將信號(hào)發(fā)射功率調(diào)到最大2KM。兩種不同模式下的節(jié)點(diǎn)能耗情況如圖10所示。另外，將信號(hào)放大倍數(shù)由I倍慢慢往上增大，通過(guò)測(cè)量它有效距離得知信號(hào)放大倍數(shù)與通信距離之間的關(guān)系如圖11所示。從圖11分析，當(dāng)信號(hào)放大倍數(shù)越大，通信有效距離越長(zhǎng)，但隨著信號(hào)放大的倍數(shù)增加，通信距離不完全呈線性關(guān)系。也就是在該頻段下放大倍數(shù)越大，電磁波在傳輸過(guò)程中損耗的能量也越大。但在本實(shí)施例中，為了可以量化功率與倍數(shù)之間的關(guān)系，可近似地認(rèn)為放大倍數(shù)與發(fā)送距離成正比。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信的功率SPs(i)，節(jié)點(diǎn)的非休眠狀態(tài)時(shí)消耗功率為Pdormant(i)，設(shè)信號(hào)采集與發(fā)射頻率為f，單位時(shí)間內(nèi)消耗的功率為Pnmial (i)，剩余能量為
Efemainder
⑴。在t時(shí)間內(nèi)，消耗的能量為
E (Si) =Et* Pdormant ⑴ +t · f · (Pnormal ⑴ +Ps ⑴)Eremainder ⑴=Ebattery-E (Si)在式中可知,節(jié)點(diǎn)功率消耗正比于發(fā)射頻率,從圖11可知,節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率增大的情況下，接收功率并沒(méi)有明顯變化，也就是說(shuō)發(fā)射功率增大后，功耗與接收信號(hào)關(guān)系不大。因此，在增大信號(hào)發(fā)射功率的時(shí)候，等比例地降低信號(hào)的發(fā)射頻率才能有效預(yù)防節(jié)點(diǎn)電源供應(yīng)不足而斷電的現(xiàn)象。設(shè)定發(fā)射信號(hào)放大倍數(shù)A，則
I/ = *· —
Ak為補(bǔ)償系數(shù)。從圖11可知，信號(hào)放大倍數(shù)越大，通信距離增幅越小，因此，為補(bǔ)償系統(tǒng)的近似線性處理，當(dāng)放大倍數(shù)越大，則k取值越小。在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，隨著農(nóng)作物的不斷生長(zhǎng)，較高的農(nóng)作物將可能對(duì)無(wú)線信號(hào)有一定的阻擋作用。另外，單棟大棚種植的某些作物在一定生長(zhǎng)周期內(nèi)大棚將會(huì)蓋上薄膜，薄膜對(duì)無(wú)線信號(hào)也有一定的阻礙作用。因此，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)發(fā)生路由維護(hù)的可能性比較大。又由于大規(guī)模農(nóng)田的信息采集往往布點(diǎn)較稀，導(dǎo)致越級(jí)路由維護(hù)現(xiàn)象發(fā)生的可能性也較大。假如節(jié)點(diǎn)功率調(diào)到最大，有效通信范圍內(nèi)仍找不到其它前向或后向可構(gòu)成通暢路徑的組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)仍會(huì)被自組織網(wǎng)絡(luò)孤立。因此，本發(fā)明為防止上述情況的發(fā)生，規(guī)定在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)布置時(shí)，遵循以下規(guī)貝U，如圖12所示，在節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中，Sm節(jié)點(diǎn)的有效通信范圍5覆蓋了 Si節(jié)點(diǎn)，Sm節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大后的有效通信范圍6覆蓋了 Sj節(jié)點(diǎn)，因此，任何X軸上相鄰三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，處于兩端節(jié)點(diǎn)間的最大有效距離不得超出彼此的有效通信范圍。
權(quán)利要求
1.一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，包括根據(jù)節(jié)點(diǎn)地理位置生成節(jié)點(diǎn)通信路徑圖，其特征在于，還包括 (1)在所述節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中，建立直角坐標(biāo)系，通過(guò)橫向?qū)Ρ确?，確定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在有效通信范圍內(nèi)的橫向距離最大的相鄰節(jié)點(diǎn)，歷遍所有節(jié)點(diǎn)建立最大橫向路徑通信圖； (2)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，根據(jù)最大橫向路徑通信圖與相鄰節(jié)點(diǎn)之間建立最大橫向路徑鏈接，并將信號(hào)通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)； (3)若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)無(wú)法檢測(cè)到所述相鄰節(jié)點(diǎn)，則在有效通信范圍內(nèi)按照橫向距離由大至小的順序檢測(cè)并發(fā)送信號(hào)給下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，通過(guò)所述下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)將信號(hào)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)； (4)若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在有效通信范圍內(nèi)無(wú)法檢測(cè)到任何可與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信的相鄰節(jié)點(diǎn)，則提高當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的無(wú)線發(fā)射功率以擴(kuò)大有效通信范圍，直到無(wú)線信號(hào)有效覆蓋至下一個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)；在擴(kuò)大后的有效通信范圍內(nèi)，按照步驟(2)至(3)與相應(yīng)的相鄰節(jié)點(diǎn)建立通 目。
2.如權(quán)利要求I所述的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，其特征在于，在所述節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中，任何X軸上相鄰三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，處于兩端節(jié)點(diǎn)間的最大有效距離不得超出彼此的有效通信范圍。
3.如權(quán)利要求I所述的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，其特征在于，所述根據(jù)節(jié)點(diǎn)地理位置生成節(jié)點(diǎn)通信路徑圖的過(guò)程如下 將節(jié)點(diǎn)布置于農(nóng)田中，利用GPS位置測(cè)定儀測(cè)量該節(jié)點(diǎn)處的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)； 將節(jié)點(diǎn)的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的圖紙坐標(biāo)； 獲得所有節(jié)點(diǎn)的圖紙坐標(biāo)，并將圖紙坐標(biāo)疊加在GIS地圖上，得到所述節(jié)點(diǎn)通信路徑圖。
4.如權(quán)利要求I所述的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，其特征在于，所述根據(jù)節(jié)點(diǎn)地理位置生成節(jié)點(diǎn)通信路徑圖的過(guò)程如下 在農(nóng)田中確定一已知地理位置參照點(diǎn)； 在平面地圖中確定待設(shè)置的節(jié)點(diǎn)與參照點(diǎn)之間的地理位置偏移； 根據(jù)所述地理位置偏移將待設(shè)置的節(jié)點(diǎn)布置在農(nóng)田中。
5.如權(quán)利要求I所述的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，其特征在于，所述橫向?qū)Ρ确長(zhǎng), = xa-xb ； 其中 L'為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中X軸方向的水平距離； Xa為相鄰節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中的橫坐標(biāo)； Xb為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中的橫坐標(biāo)。
6.如權(quán)利要求I所述的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，其特征在于，步驟(I)中建立直角坐標(biāo)系時(shí)，以正東方向作為直角坐標(biāo)系中的X軸的正向，以正北方向作為直角坐標(biāo)系中的Y軸的正向。
7.如權(quán)利要求6所述的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，其特征在于，步驟(I)中建立的最大橫向路徑通信圖，存儲(chǔ)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的越級(jí)路由維護(hù)方法，包括根據(jù)節(jié)點(diǎn)地理位置生成節(jié)點(diǎn)通信路徑圖，還包括(1)在節(jié)點(diǎn)通信路徑圖中，建立最大橫向路徑通信圖；(2)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)，根據(jù)最大橫向路徑通信圖與相鄰節(jié)點(diǎn)之間建立最大橫向路徑鏈接，并將信號(hào)通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；(3)若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)無(wú)法檢測(cè)到所述相鄰節(jié)點(diǎn)，則在有效通信范圍內(nèi)按照橫向距離由大至小的順序檢測(cè)并發(fā)送信號(hào)給下個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，若無(wú)法檢測(cè)到任何可與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信的相鄰節(jié)點(diǎn)，則擴(kuò)大有效通信范圍，提高當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的功率。本發(fā)明解決了通信中斷造成的信息丟失的問(wèn)題，可對(duì)中斷的通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部重組，實(shí)現(xiàn)有效連接。
文檔編號(hào)H04W4/02GK102724633SQ201210223119
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者何勇, 吳迪, 聶鵬程 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)