一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统的制作方法

一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种多路径路由算法的保育猪舍监控系统

【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】

[0004] 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。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] -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。
[0007] 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。
[0008] 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：
[0009] (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；
[0010] (2)设计多路径转发决策机制；
[0011] (3)节点能量阈值的设定和路由策略。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。

【专利附图】

【附图说明】
[0016] 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。
[0017] 图1是本发明所应用的猪舍环境监控系统结构图。
[0018] 图2是温、湿度及C02等现场数据的采集以及设备控制的执行图。
[0019] 图3是源节点的中继节点的选择示意图。
[0020] 图4是中间节点的中继节点的选择示意图。
[0021] 图5是多路径路由的具体示意图。

【具体实施方式】
[0022] 以下结合附图1、2、3、4进一步说明本发明的技术方案。
[0023] -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：
[0024] (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；
[0025] (2)设计多路径转发决策机制；
[0026] (3)节点能量阈值的设定和路由策略。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 1、信息采集系统
[0031] 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。
[0032] 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 C02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C02等现场数据的采集以及设备控制的执行图如图2所示。
[0033] 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。
[0034] (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
[0035] 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TRKCp C2, C^.Cd)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。Ck为深度为k的子节点的秩。数组序列TRI的表达式 如式（1):

【权利要求】
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。
【文档编号】H04W40/10GK104049602SQ201410198856
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】朱伟兴, 王爱平, 梅秀义, 黄鹏 申请人:江苏大学