一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)。包括信息采集系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制中心；信息采集系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點；信息管理系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制器ARM+Linux；互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)接入點和無線網(wǎng)卡；遠(yuǎn)程控制中心包括電腦。本發(fā)明通過優(yōu)化設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由算法，增加數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)吞吐量，減少傳輸延時和數(shù)據(jù)包的丟失，同時避免死亡節(jié)點過早的出現(xiàn)，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間，使整個信息傳輸高效暢通，實現(xiàn)保育豬舍視頻監(jiān)控系統(tǒng)良好運行。
【專利說明】一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器視覺技術(shù)，具體涉及一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的養(yǎng)豬模式都是依靠人工飼養(yǎng)和管理，這種養(yǎng)殖模式養(yǎng)殖人員的勞動強度 大、費時費力，效率低、人力成本大，且養(yǎng)殖場環(huán)境條件差，臭味難聞，對工作人員的身心健 康會帶來嚴(yán)重影響。
[0003] 隨著計算機和控制技術(shù)的發(fā)展，一些規(guī)模大的養(yǎng)殖場在環(huán)境控制和精細(xì)養(yǎng)殖等方 面在不同程度上實現(xiàn)了自動檢測與控制，有少數(shù)先進(jìn)的養(yǎng)殖場還將無線傳感技術(shù)應(yīng)用于環(huán) 境控制中。但是，由于養(yǎng)殖場的飼養(yǎng)員的文化程度和專業(yè)技術(shù)水平普遍較低，因此，研制讓 養(yǎng)殖戶用得起、用得好、經(jīng)濟高效、穩(wěn)定可靠、維護簡單的控制設(shè)備就成為急需。在基于無線 傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)中，為了盡量減少節(jié)點的能量損耗，延長無線傳感網(wǎng)絡(luò)的使用時 間，是數(shù)據(jù)通信和傳輸高效暢通，從而確保整個系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行，無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的路由 算法得到了業(yè)內(nèi)的重視。目前使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在進(jìn)行養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控時，廣泛使用 的算法都是基于單路徑協(xié)議，在進(jìn)行大數(shù)據(jù)傳輸時，控制包的開銷和網(wǎng)絡(luò)延時都比較大。當(dāng) 負(fù)載較大時，將面臨節(jié)點能量快速消耗、網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題，尤其是在傳輸視頻信息時，較大 的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時將不能保證視頻的服務(wù)質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞、不能保證視頻的服務(wù)質(zhì)量的不足，本 發(fā)明提出一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)能有效地增加網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶 寬，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，實現(xiàn)保育豬舍的良好運行。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，包括信息采集系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、互 聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制中心；信息采集系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點；信息管 理系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制器ARM+Linux ;互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)接入點和無線網(wǎng)卡；遠(yuǎn)程控制 中心包括電腦；終端節(jié)點和路由節(jié)點采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成一個無線網(wǎng)絡(luò)，通過 ZigBee協(xié)議棧，將采集到的數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)節(jié)點；協(xié)調(diào)節(jié)點通過串行通信接口與信息管理 系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；信息管理系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制中心連接。
[0007] 進(jìn)一步地,終端節(jié)點包括傳感器、攝像頭以及ZigBee模塊；通過傳感器與攝像頭， 可采集豬舍內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)；通過ZigBee模塊發(fā)送采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。
[0008] 進(jìn)一步地，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用一種基于節(jié)點能量均衡消耗的多路徑路由算 法，一種基于節(jié)點能量均衡消耗的多路徑路由算法包括如下步驟：
[0009] (1)統(tǒng)計每一個節(jié)點的父子節(jié)點以及相鄰節(jié)點，生成該節(jié)點動態(tài)的鄰居節(jié)點列 表；
[0010] (2)設(shè)計多路徑轉(zhuǎn)發(fā)決策機制；
[0011] (3)節(jié)點能量閾值的設(shè)定和路由策略。
[0012] 進(jìn)一步地，鄰居節(jié)點列表包括鄰居節(jié)點標(biāo)識、節(jié)點關(guān)系類型、和用來判斷鄰居節(jié)點 是否被其他路徑所使用的flag集。
[0013] 進(jìn)一步地，多路徑轉(zhuǎn)發(fā)決策機制為通過路徑數(shù)Pn值來判斷其具體的路徑；當(dāng)源 節(jié)點通過多路徑傳輸機制開始傳輸數(shù)據(jù)時，通過在數(shù)據(jù)包DP中添加一個字段作為標(biāo)志位 flag來判斷路徑所使用的路由方式，若flag = 1時，則使用樹路由算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸； flag = 0時，則選擇新的多路徑轉(zhuǎn)發(fā)機制。
[0014] 進(jìn)一步地，節(jié)點能量閾值的設(shè)定和路由策略為，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定節(jié)點能量閾 值a和b(a>b)來保護能量偏低的節(jié)點；當(dāng)節(jié)點剩余能量大于a時，若有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò) 時，可優(yōu)先選擇此節(jié)點作為父節(jié)點；若節(jié)點剩余能量大于b小于a時，此類節(jié)點可作為中繼 節(jié)點；如果節(jié)點剩余能量小于b時，則此類節(jié)點不作為路由節(jié)點，也不接收新的節(jié)點為子節(jié) 點，只轉(zhuǎn)發(fā)信息至其子節(jié)點。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：通過優(yōu)化設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由算法，增加數(shù)據(jù)傳輸速 率和系統(tǒng)吞吐量，減少傳輸延時和數(shù)據(jù)包的丟失，同時避免死亡節(jié)點過早的出現(xiàn)，延長網(wǎng)絡(luò) 的生存時間，使整個信息傳輸高效暢通，實現(xiàn)保育豬舍視頻監(jiān)控系統(tǒng)良好運行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017] 圖1是本發(fā)明所應(yīng)用的豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖2是溫、濕度及C02等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及設(shè)備控制的執(zhí)行圖。
[0019] 圖3是源節(jié)點的中繼節(jié)點的選擇示意圖。
[0020] 圖4是中間節(jié)點的中繼節(jié)點的選擇示意圖。
[0021] 圖5是多路徑路由的具體示意圖。

【具體實施方式】
[0022] 以下結(jié)合附圖1、2、3、4進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0023] -種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，包括信息采集系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)、互 聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制中心；信息采集系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點；信息管 理系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制器ARM+Linux ;互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)接入點和無線網(wǎng)卡；遠(yuǎn)程控制 中心包括電腦；終端節(jié)點和路由節(jié)點采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成一個無線網(wǎng)絡(luò)，通過 ZigBee協(xié)議棧，將采集到的數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)節(jié)點；協(xié)調(diào)節(jié)點通過串行通信接口與信息管理 系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；信息管理系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制中心連接。終端節(jié)點包括 傳感器、攝像頭以及ZigBee模塊；通過傳感器與攝像頭，可采集豬舍內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)；通過 ZigBee模塊發(fā)送采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用一種基于節(jié)點能量均衡消 耗的多路徑路由算法，一種基于節(jié)點能量均衡消耗的多路徑路由算法包括如下步驟：
[0024] (1)統(tǒng)計每一個節(jié)點的父子節(jié)點以及相鄰節(jié)點，生成該節(jié)點動態(tài)的鄰居節(jié)點列 表；
[0025] (2)設(shè)計多路徑轉(zhuǎn)發(fā)決策機制；
[0026] (3)節(jié)點能量閾值的設(shè)定和路由策略。
[0027] 鄰居節(jié)點列表包括鄰居節(jié)點標(biāo)識、節(jié)點關(guān)系類型、和用來判斷鄰居節(jié)點是否被其 他路徑所使用的flag集。多路徑轉(zhuǎn)發(fā)決策機制為通過路徑數(shù)Pn值來判斷其具體的路徑； 當(dāng)源節(jié)點通過多路徑傳輸機制開始傳輸數(shù)據(jù)時，通過在數(shù)據(jù)包DP中添加一個字段作為標(biāo) 志位flag來判斷路徑所使用的路由方式，若flag = 1時，則使用樹路由算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的 傳輸；flag = 0時，則選擇新的多路徑轉(zhuǎn)發(fā)機制。節(jié)點能量閾值的設(shè)定和路由策略為，在 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定節(jié)點能量閾值a和b(a>b)來保護能量偏低的節(jié)點；當(dāng)節(jié)點剩余能量大 于a時，若有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，可優(yōu)先選擇此節(jié)點作為父節(jié)點；若節(jié)點剩余能量大于b小 于a時，此類節(jié)點可作為中繼節(jié)點；如果節(jié)點剩余能量小于b時，則此類節(jié)點不作為路由節(jié) 點，也不接收新的節(jié)點為子節(jié)點，只轉(zhuǎn)發(fā)信息至其子節(jié)點。
[0028] 本發(fā)明的實施實例為通過ZigBee終端節(jié)點上的攝像頭、各種傳感器和執(zhí)行設(shè)備 來實現(xiàn)保育豬舍環(huán)境參數(shù)和視頻監(jiān)控，并針對無線傳感網(wǎng)中的能耗問題提出一種能量均衡 的多路徑路由算法，保證信息的傳遞更加流暢。
[0029] 本監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式控制集中管理的模式，主要由信息采集系統(tǒng)、信息管理系 統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制中心等部分組成。其中，信息采集系統(tǒng)主要是由分布在各個豬 欄中的ZigBee終端節(jié)點組成。通過終端節(jié)點上放置的各類傳感器和攝像頭，完成豬舍環(huán) 境參數(shù)和視頻圖像的采集，實時觀察幼豬的生活狀態(tài)以判斷豬只的行為是否異常。在信息 采集系統(tǒng)中，豬舍內(nèi)的信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)節(jié)點。協(xié)調(diào)節(jié)點負(fù)責(zé)信息的 調(diào)配，并通過RS-232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到信息管理系統(tǒng)中。上述信息管理系統(tǒng)是由核心芯片 mini6410組成的現(xiàn)場嵌入式控制器，通過在mini6410平臺上移植的數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器，用戶 可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問與查詢，并且通過控制相關(guān)設(shè)備來實現(xiàn)環(huán)境調(diào)控，使 得幼豬處于最佳的生長環(huán)境中。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
[0030] 1、信息采集系統(tǒng)
[0031] 信息采集系統(tǒng)主要由協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點等部分組成。在保育豬舍監(jiān) 控系統(tǒng)中，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各豬欄內(nèi)的終端節(jié)點和路由節(jié)點組成一個無線網(wǎng) 絡(luò)，通過ZigBee協(xié)議棧，將采集到的數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)節(jié)點，并通過串行通信接口，將數(shù)據(jù)傳 送至信息管理系統(tǒng)中，實現(xiàn)現(xiàn)場控制器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互。對于不同的應(yīng)用背 景和環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件配置也會存在較大的差異?？紤]到功耗和性能以及工作頻段等 方面的問題，本系統(tǒng)采用了集成的CC2430作為芯片。
[0032] ZigBee終端節(jié)點主要由各類傳感器、攝像頭以及ZigBee模塊等組成。通過各類 傳感器與攝像頭，用戶不僅可以準(zhǔn)確獲取豬舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，還可以實時觀察幼豬的活動 情況。當(dāng)終端節(jié)點采集完數(shù)據(jù)后，可通過ZigBee模塊將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至路由節(jié)點或者協(xié)調(diào) 節(jié)點。根據(jù)得到的環(huán)境參數(shù)值，用戶通過網(wǎng)頁遠(yuǎn)程操控一些設(shè)備來調(diào)節(jié)豬舍的環(huán)境，比如當(dāng) C02溶度過高時，用戶可完成對風(fēng)機的開啟。若溫度過低時，可開啟豬欄內(nèi)的熱風(fēng)爐。溫、濕 度及C02等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及設(shè)備控制的執(zhí)行圖如圖2所示。
[0033] 信息采集系統(tǒng)為ZigBee節(jié)點組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，針對目前使用無線傳感網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)在進(jìn)行養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控時使用單路徑協(xié)議存在的問題，本發(fā)明在分析原因的基礎(chǔ)上， 提出一種基于節(jié)點能量均衡消耗的多路徑路由算法，實現(xiàn)保育豬舍視頻監(jiān)控系統(tǒng)良好運 行。具體算法如下。
[0034] (1)統(tǒng)計每一個節(jié)點的相鄰節(jié)點，生成該節(jié)點動態(tài)的鄰居節(jié)點列表
[0035] 多路徑路由算法主要是在統(tǒng)計父子節(jié)點以及相鄰節(jié)點的基礎(chǔ)上來決定其路由轉(zhuǎn) 發(fā)決策的。在多路徑路由中，每個節(jié)點都統(tǒng)計出一個動態(tài)的鄰居節(jié)點列表，每個節(jié)點列表中 包含了此節(jié)點的所有鄰居節(jié)點。每個鄰居節(jié)點表的入口包含鄰居節(jié)點標(biāo)識、節(jié)點關(guān)系類型 (父子關(guān)系或者相鄰節(jié)點）、以及用來判斷鄰居節(jié)點是否被其他路徑所使用的flag集。在 多路徑路由算法中，我們用一個數(shù)組序列TRKCp C2, C^.Cd)來表示該節(jié)點到匯聚節(jié)點的 父子路徑信息，d為此節(jié)點的深度。Ck為深度為k的子節(jié)點的秩。數(shù)組序列TRI的表達(dá)式 如式（1):

【權(quán)利要求】
1. 一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，包括信息采集系統(tǒng)、信息管 理系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制中心； 所述信息采集系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點；所述信息管理系統(tǒng)包括現(xiàn)場 控制器ARM+Linux ;所述互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)接入點和無線網(wǎng)卡；所述遠(yuǎn)程控制中心包 括電腦； 所述終端節(jié)點和路由節(jié)點采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組成一個無線網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee 協(xié)議棧，將采集到的數(shù)據(jù)匯聚到所述協(xié)調(diào)節(jié)點；所述協(xié)調(diào)節(jié)點通過串行通信接口與信息管 理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；所述信息管理系統(tǒng)通過所述互聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)與所述遠(yuǎn)程控制中心連 接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述 終端節(jié)點包括傳感器、攝像頭以及ZigBee模塊；通過所述傳感器與攝像頭，可采集豬舍內(nèi) 的環(huán)境數(shù)據(jù)；通過所述ZigBee模塊發(fā)送采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于 所述ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用一種基于節(jié)點能量均衡消耗的多路徑路由算法，所述一種 基于節(jié)點能量均衡消耗的多路徑路由算法包括如下步驟： (1) 統(tǒng)計每一個節(jié)點的父子節(jié)點以及相鄰節(jié)點，生成該節(jié)點動態(tài)的鄰居節(jié)點列表； (2) 設(shè)計多路徑轉(zhuǎn)發(fā)決策機制； (3) 節(jié)點能量閾值的設(shè)定和路由策略。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述 鄰居節(jié)點列表包括鄰居節(jié)點標(biāo)識、節(jié)點關(guān)系類型和用來判斷鄰居節(jié)點是否被其他路徑所使 用的flag集。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述 多路徑轉(zhuǎn)發(fā)決策機制為通過路徑數(shù)Pn值來判斷其具體的路徑；當(dāng)源節(jié)點通過多路徑傳輸 機制開始傳輸數(shù)據(jù)時，通過在數(shù)據(jù)包DP中添加一個字段作為標(biāo)志位flag來判斷路徑所使 用的路由方式，若flag = 1時，則使用樹路由算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；flag = 0時，則選擇新 的多路徑轉(zhuǎn)發(fā)機制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多路徑路由算法的保育豬舍監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于節(jié) 點能量閾值的設(shè)定和路由策略為，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定節(jié)點能量閾值a和b(a>b)來保護 能量偏低的節(jié)點；當(dāng)節(jié)點剩余能量大于a時，若有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，可優(yōu)先選擇此節(jié)點作 為父節(jié)點；若節(jié)點剩余能量大于b小于a時，此類節(jié)點可作為中繼節(jié)點；如果節(jié)點剩余能量 小于b時，則此類節(jié)點不作為路由節(jié)點，也不接收新的節(jié)點為子節(jié)點，只轉(zhuǎn)發(fā)信息至其子節(jié) 點。
【文檔編號】H04W40/10GK104049602SQ201410198856
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】朱偉興, 王愛平, 梅秀義, 黃鵬 申請人:江蘇大學(xué)