一种应用于饲养环境监测的蓝牙网关优化方法

【技术领域】本发明公开了一种应用于饲养环境监测的蓝牙网关优化方法，属于无线通信领域。

背景技术：
蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术，具有低功耗、低辐射、低成本的特点。低功耗蓝牙技术已在人们的日常生产生活中获得了广泛的应用，如消息推送，室内定位以及无线传感器网络。

在无线传感器网络领域中，蓝牙网关采用星型结构将多个载有蓝牙设备的传感器节点进行组网，可以最小化数据传输过程的功率。当网关与服务器距离较远时利用wi-fi等远距离通信协议实现网关内缓存数据与服务器之间的传输。蓝牙网关具有组网灵活、功耗低、鲁棒性强的优势，被广泛应用于辅助畜牧生产、环境参量监测等领域。

研究表明，猪、牛等畜禽所发生的大部分主要疾病都与饲养环境密切相关，因此监测并改善饲养环境对控制畜禽疾病起至关重要的作用。实时监测饲养环境中光照度、温湿度、氨气和二氧化碳的变化趋势，同时监测风机状态和卷帘状态可以及时发现并应对环境变化做出有效控制。

现有技术应用于饲养环境监测的蓝牙网关存在以下技术问题：

由于蓝牙“点对多点”通信效率的限制，蓝牙网关连接8个或以上设备时会因为数据高并发问题导致网关存储数据溢出、数据丢失等情况，需要设计缓存队列存储待转发至服务器的数据。

在饲养环境监测中，多类型传感器使用统一的数据采样频率难以适应实际要求，需要动态调整采样频率以实时掌握监测效果。

当前蓝牙技术的远程通信机制由于网络高复杂度、网络拥堵和网络故障多样，需要应用重传机制降低丢包率，这也意味着网关的缓存队列会因为不断的重传而面临数据量陡增的情况，同时重传带来的网络开销会导致时延增加。因此，需要提供一种蓝牙网关优化方法，使其在保证数据通信可靠性的同时降低时延敏感信息的延迟，提高蓝牙数据传输的实时性能。

技术实现要素：
鉴于上述蓝牙网关设计中存在的问题，本发明的目的在于将优先队列和反馈机制应用于饲养环境监测中的蓝牙网关构建过程，提出一种应用于饲养环境监测的蓝牙网关优化方法。

本发明所述的一种应用于饲养环境监测的蓝牙网关优化方法，所述方法包括：

(1)数据优先队列排队机制：对传输至蓝牙网关的多种类型传感器的数据使用一种根据参量类型和数值异常程度分配优先级的排序机制。所述排序机制是对于需求低时延性的数据帧，所述网关为其分配高优先级并存入缓存队列中，所述网关按照优先级由高至低的顺序依次向服务器转发信息。

(2)缓存队列管理方法：在缓存队列已满时，删除优先级低冗余度高的数据，将当前数据缓存至队列中。所述优先级是对数据进行优先度计算，并将所述数据的优先级与所述缓存队列中已有数据的优先级进行比较，删除所述缓存队列中优先级最低的数据。所述冗余度较高的数据，是指数据与相邻时刻数据部分相同，相同部分越多冗余度越高。

(3)采样频率自适应机制：对节点传输至所述蓝牙网关的多参量数据进行阈值判断，根据所述参量的异常程度确定传感器采样频率，并将反馈信息发送给所述节点，对所述节点传感器的采样频率实现自适应调控。所述反馈信息是包含所述节点编号和所述采集周期值的数据帧。

进一步地，所述内容(1)包括如下步骤：

1)开发人员对需要监测的饲养环境参量类型进行优先级划分，对低时延和可靠性需求较高的参量类型分配较高优先度，并为所述传感器采集参量数值设定阈值，如果超出阈值设定较高优先度，数值在正常范围内设定较低优先度；

2)所述网关根据参量类型优先度和数值优先度为所述数据帧设定优先级，存入优先队列；

3)所述网关根据优先级从高至低的顺序依次发送所述优先队列中的所述数据帧，同时创建一个超时定时器，用于等待服务器返回确认报文数据帧的计时；

4)所述网关收到确认报文，删除所述优先队列中的已发送数据，同时删除所述定时器；

5)如果超时后所述网关还没有收到确认报文，则执行重传操作，相同数据帧最多执行5次重传。

进一步地，所述内容(2)包括如下步骤：

1)所述蓝牙网关接收到一条数据帧并为其设定优先级后，读取缓存队列的长度，判断缓存队列是否已满；

2)在所述缓存队列已满时，对所述缓存队列中全部数据进行优先级排序，删除优先级最低的数据；存在不止一条优先级最低数据时，删除冗余度较高的数据；

3)将当前收到的数据存入缓存队列中。

进一步地，所述内容(3)包括如下步骤：

1)所述网关对各种类型传感器采集到的数值与设定的阈值进行比较，用于确定所述参量的异常程度；

2)根据所述参量的异常程度为终端节点分配采样周期值，将所述采样周期值存入与所述节点对应的数组中；

3)将所述节点编号和所述网关建议的采样周期值打包，发送给所述节点。

【本发明的优点和积极效果】与现有技术相比，本发明具有如下优点和积极效果：

第一，本发明将优先队列和反馈机制应用于饲养环境监测中蓝牙网关的设计，优先发送对监测效果影响最大的关键信息。该设计利用智能决策的方式大大降低了关键信息的传输时延，提高了数据传输的实时性和可靠性。

第二，针对网关连接多个节点时的数据拥堵问题，引入缓存队列管理方法，队列已满时选择删除队列中优先级最低且冗余度较高的数据，存入当前的最新数据。最大程度降低了系统丢包率，保证了关键信息的完整度与连贯性。

第三，饲养环境中的监测参量随时间变化的敏感程度不同，对于在异常情况下需要频繁监测的参量，本发明通过反馈机制自适应地调控节点的采样周期。相较于传统的网关设计方法，本发明处理异常数据更及时有效，大大降低环境突变带来的损失。

【附图说明】图1为本发明的框图；

图2为本发明数据帧排队机制流程图；

图3为本发明反馈机制流程图。

【具体实施方式】为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实例并配合附图详予说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。

原有蓝牙网关的设计实现传感器数据由节点至服务器端的传输以及反馈信息由网关向对应节点的传达。本发明提供一种应用于饲养环境监测的蓝牙网关优化方法，如图1所示：猪舍内部署有温湿度、光照强度、二氧化碳和氨气传感器，采样数据通过蓝牙传送至网关，网关处理数据并利用wi-fi远传至服务器。所述网关对数据进行优先排序并置于缓存队列中，在队列已满时，删除队列中优先级最低且冗余度较高的数据。所述网关应用反馈机制自适应地调控节点的采样周期，将反馈信息通过蓝牙发送至所述对应节点。

以生猪饲养环境监测的蓝牙网关为一实施例，本发明具体包括以下步骤：

步骤1：设计数据优先队列排队机制。所述机制是在数据帧到达蓝牙网关之后，网关解析数据帧内容，分析数据参量类型，判断数值是否超过阈值，分别为数据分配类型和数值的优先度，计算优先级并置于优先队列内。优先队列的工作机制是，依次发送队列中优先级由高至低的信息，对于需求低时延性的信息，为其分配高优先级以保证信息的及时传输。

实施例以生猪饲养为例，实施例中采样的参数类型有温湿度、光照强度、氨气和二氧化碳。温湿度和光照强度是保障猪群饲养环境的重要参数，氨气和二氧化碳是猪群活动产生的有害气体，参数变化对生猪的影响最大。实施例根据参量对猪饲养环境影响的重要程度为参量类型分配优先度，设计将氨气和二氧化碳划分为最高优先级，分配最高优先度，次高优先级参量为光照强度，分配较高优先度，温湿度为最低优先级，相应地分配较低优先度。在网关中预设参量阈值，超出阈值部分划分为多个档位，按照超出越多、优先度越大的原则为参量数值分配优先度。

所述优先级计算方法是根据参量类型优先度(ptp)和参量数值优先度(pnp)采用加权平均的方式计算优先级，网关每次收到数据帧后首先为数据帧信息分配优先度，带入下式中计算优先级(p)：

p＝(1-α)×ptp+α×pnp

ptp代表当前数据帧所含参量的类型优先度，pnp代表当前数据的数值优先度。α的值是参量数值优先度的权重，一般取0到1之间，如果所述α值趋近于0，说明猪饲养环境监测的关键信息主要取决于参量类型，如果接近1，说明参量数值变化可能对监测效果影响很大，这里一般推荐的α取值为0.125。

进一步地，数据帧优先队列排队机制入队出队具体过程如图2所示，节点成功向蓝牙网关发送一个数据帧后，网关解析数据帧内容，通过参量类型和参量数值确定ptp和pnp，根据所述公式计算得到数据帧的优先级并置于优先队列中。当所述网关与所述服务器建立连接后，发送优先队列中优先级最高的数据，同时创建等待回复计时器，如果在超时后所述网关未收到所述服务器返回的确认报文则重发所述消息，直至传输成功。具体过程如下：

1)开发人员对需要监测的猪饲养环境参量类型进行优先级划分，为传感器采样参量数值设定阈值；

2)网关解析数据帧，给定参量类型优先度和参量数值优先度，选定权重α，计算所述数据帧优先级，存入优先队列中；

3)所述网关与所述服务器建立连接，发送队列中优先级最高的数据帧，同时创建超时定时器，等待所述服务器返回确认报文数据帧的计时；

4)所述网关收到确认报文，删除优先队列中的已发送的所述数据，同时删除所述定时器；

5)如果超时后还没有收到确认报文，则执行重传操作，相同数据帧最多执行5次重传。

步骤2：设计缓存队列管理方法。所述方法是数据在传输过程中由于网络复杂度高或网络拥堵原因传输失败后，所述蓝牙网关启动自动重传机制，而节点依照采样频率不断地向网关传送新数据，会导致一段时间内缓存队列中的数据越来越多。

本发明的缓存队列管理办法，在队列已满时选择删除队列中优先级最低且冗余度较高的数据，存入当前的最新数据。在降低了系统丢包率的同时还能够保证关键信息的不遗失。具体过程如下：

1)所述蓝牙网关接收到一条数据帧并为其设定优先级后，读取缓存队列的长度，判断所述缓存队列是否已满；

2)如果所述缓存队列未满，存入所述数据帧；

3)在所述缓存队列已满时，对所述缓存队列中全部数据进行优先级排序，删除优先级最低的数据；存在不止一条优先级最低数据时，判断这些数据的冗余度，删除冗余度较高的数据；

4)将当前收到的数据存入所述缓存队列中。

步骤3：设计采样频率自适应机制。实施例的环境监测中，温湿度和光照强度采集周期为30分钟，氨气和二氧化碳采集周期为15分钟。当监测到参量含量超过阈值后立即采取干预措施，同时增加采样频率，实时监测异常参量的变化。

本发明的自适应调控采样频率机制如图3所示，对节点传输至蓝牙网关的多参量数据进行阈值判断，根据参量的异常程度确定传感器采样频率，并将反馈信息发送给具体节点，对当前节点传感器的采样频率实现自适应调控。具体过程如下：

1)所述网关对各种类型传感器采集到的数值与设定的阈值及超出阈值后的不同档位进行比较，用于确定当前参量的异常程度；

2)根据参量的异常程度为所述终端节点分配采样周期值，超出阈值越多，采样周期越短，将采样周期值存入与节点对应的数组中；

3)从所述数组中取出与所述节点对应的最新采样周期值，将节点编号和网关建议的采样周期值打包，发送给所述节点。

本实施例结合所述环境给出对发明的具体实施方法阐述，所述方法与发明中方法一致。

综上所述，本发明的优点如下：

将优先队列和反馈机制应用于饲养环境监测中蓝牙网关的设计，优先发送对监测效果影响最大的关键信息，降低了关键信息的传输时延，提高了数据传输的实时性和可靠性；引入缓存队列管理方法，最大程度降低了系统丢包率，保证了关键信息的完整度与连贯性；对于在异常情况下需要频繁监测的参量，通过反馈机制自适应地调控节点的采样周期。本发明处理异常数据更及时有效，能够大大降低环境突变为生猪饲养带来的经济损失。

本领域技术人员可以理解，实施例中各个步骤可以以硬件实现，或者在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们组合实现。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。