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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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 DI0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DI0 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，提尚使用效率为目标。
【发明内容】
[0005] 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：
[0006] -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：
[0007]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d;
[0008] 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1_，则保持I值为1_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 工_，并执行c，否则执行b;
[0009] c.在异常处理模式中，无线传感网节点首先以最小间隔1_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；
[0010] 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辛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；
[0011] 其中，p为非零整数，m= 1，2, 3…；
[0012] 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。
[0013] 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1_。
[0014] 进一步地，所述d中：当m%p辛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1_;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1_。
[0015] 进一步地，Imin彡I彡I"所述Imin= 2 12,所述Imax= 2 2°，所述p= 3,所述Q= 3， 所述Cvalue= 15。
[0016] 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。
[0017] 进一步地，所述无线传感网节点采用的CPU为TIMSP430,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+61owpan〇
[0018] 和现有技术相比，本发明的有益效果：
[0019] (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。
[0020] (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】
[0021] 图1是正常模式下处理流程图；
[0022] 图2是异常模式下处理流程图；
[0023] 图3是监测系统网络结构图；
[0024] 图4是实测能量剩余比较图；
[0025] 图5是传输时间比较图；
[0026] 图6是传输成功率比较图。
【具体实施方式】
[0027] 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DI0报文的频率，通知邻居节点相关链路质量，以此维护D0DAG的路由稳定性。
[0028] 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：
[0029]
[0030] 关系式⑴中，？"_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…，Mlcmp是每 次重构网络的时候当前间断I相对于1_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Si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：
[0031]
[0032] 关系式⑵中，PsaTC为改进算法相比TA节省的功耗，Si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 为使用改进算法后 总共增加的功耗。
[0033] 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:
[0034] T1= 2 20 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:
[0035
[0036] 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。
[0037] 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