基于机会网络的牧场物联网数据传输方法

智能化畜牧业管理需要对牧场中牲畜的行为进行检测以及对牲畜的运动路径、位置等信息进行采集，利用牧 场物联网系统可以实现对上述信息的获取。基于无线传感器网络的系统架构能够满足各个采样节点间的通信需 求，但是由于牧场所处的地理位置一般比较偏远，网络环境复杂，与互联网连接时经常出现连接中断、丢包等问题。 采用传统的网络连接方式可能导致数据大量丢失，为了减少在与互联网连接中断时采样数据的丢失，提出了一种 基于机会网络的牧场物联网数据传输方案，分析了在牧场环境中传感器之间的通信状态，总结出传感器之间通信 的 ３种方式，分别予以建模分析。在传感器有限存储容量的前提下，利用机会网络的原理，提出接入点密度的计算 方法，并总结了牲畜运动速度、传感器节点存储容量与数据传输丢包率之间的内在联系，从而保证了系统数据丢失 在设计允许的范围内。通过评估和验证所提方法理论结果的实验，证明了方法的正确性。

随着物联网技术在农业中的广泛应用［１］ ，信息 化手段也逐步用于畜牧业生产中［２］ 。牧场中的牲 畜行为监控是畜牧业集约化、智能化管理的一个基 本条件。

利用物联网技术可以有效地实现牲畜行为的监 测［３－６］ 。一般牧场处于比较偏远的地区，牧场物联 网经常处于网络服务区的边缘地带或服务区外，传 感器节点通信能力有限，在牧场环境中只能通过无 线公网与最近基站连接［７－１１］进行信息的传输，导致 连续的物联网监控数据经常无法通过网络进行传 输，出现信号中断等网络异常状况。

机会网络（Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｓｔｉｃｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＯＮ）［１２－１４］是 一种自组织网络，是专门针对无线网络链路经常断 开，源节点与目标节点之间可能不存在完整链路的 情况，利用节点的移动性，在节点进入相互通信覆盖 区域进行数据交换，以完成数据通信。因此机会网 络常用于解决野生动物监控［１５－１６］ 与偏远地区［１７－１８］ 的网络接入等问题。

本文分析牧场这种特殊条件下的物联网数据传 输环境，利用机会网络技术的特点对畜牧业物联网 进行网络数据传输设计，使牧场物联网的数据传输 适应牧场环境中传感器网络经常中断的特性，为解 决畜牧业牧场物联网数据传输间断问题提供有效的 方案。

１ 牧场物联网系统分析

１１ 牧场物联网系统结构 牧场物联网系统可以实现牲畜的行为信息采 集、处理 等。系 统 通 过 传 感 器 采 集 物 理 系 统 信 息 （如牲畜位置信息、体温信息及运动状态信息等）， 利用网络（２Ｇ／３Ｇ／４Ｇ等无线公网）将信息传送给应 用服务器处理。图 １是一个牧场的牲畜信息监测物 联网系统结构图。感知层中的智能传感器具有一定 的存储、计算与通信能力。传感器采集的数据利用 传感器网络进行短距离的数据传输，如利用 ＺｉｇＢｅｅ 等协议组成的网络。同时，节点利用广域网络接入 技术，一般采用无线方式，如 ＧＰＲＳ网络等，将传感 器采集数据传送至互联网中。这部分网络组织形式 构成了牧场物联网系统的网络层。

畜牧业物联网系统在信息采集过程中传感器处 于移动状态，采集节点不断的变换空间位置，这种空 间拓扑结构的改变使得畜牧业物联网不同于当前广 泛讨论的设施农业中的其它领域，如智能温室等的 物联网系统；在网络层，传感器节点与互联网的数据通信过程中，由于节点本身的移动性，且当节点利用 无线通信方式时，节点与基站的距离经常超出基站 的覆盖范围，使网络经常处于中断状态。

１２ 牧场物联网系统通信状态分析 牧场环境中，网络传输主要利用无线网络，在基 站与通信节点之间交互数据，有 ３种情况：传感器网 络节点分布全在基站通信覆盖范围内；传感器网络 节点分布部分在基站通信覆盖范围内；传感器网络 节点分布均在基站通信覆盖范围以外。

用集合表示以上 ３种情况：Ａ＝｛ａ１，ａ２，ａ３｝。 传感器网络通信的组织方式也有 ３种情况：所 有传感器网络节点都可以直接与基站通信，传感器 网络节点间无法通信；传感器网络节点中部分可以 与基站通信，传感器网络节点之间可以相互连接通 信；所有传感器网络节点都可以与基站通信并且节 点间也可以相互连接。

用集合表示：Ｂ＝｛ｂ１，ｂ２，ｂ３｝。因此，在牧场场 景中，网络传输可能出现的方式为 Ｃ＝Ａ×Ｂ＝｛ａ１，ａ２，ａ３｝×｛ｂ１，ｂ２，ｂ３｝＝ ｛（ａ１，ｂ１），（ａ１，ｂ２），（ａ１，ｂ３），（ａ２，ｂ１）， （ａ２，ｂ２），（ａ２，ｂ３），（ａ３，ｂ１），（ａ３，ｂ２），（ａ３，ｂ３）｝ 其中（ａ１，ｂ１）、（ａ１，ｂ２）、（ａ１，ｂ３）３种情况中，传感器 所有节点都可以直接将数据传输至互联网，这种情 况不存在网络中断等情况，连接处理模型与互联网 处理办法一致；（ａ３，ｂ１）、（ａ３，ｂ２）、（ａ３，ｂ３）３种情况 时网络完全中断；因此，本文讨论的问题集中于（ａ２， ｂ１）、（ａ２，ｂ２）、（ａ２，ｂ３）３种情况。

２ 基于机会网络的牧场物联网建模

针对畜牧业环境及牧场中物联网在数据通信上的特殊性，在对畜牧业物联网系统构架进行分析的 基础上，利用机会网络的原理，提出在系统实施中采 用机会网络原理设计系统的参考模型，从而解决畜 牧业中物联网数据传输中连接不稳定以及传感器节 点空间位置经常变换等问题。

２１ 机会网络概述 机会网络是针对网络节点之间通信可能不存在 完整路径的一种网络组织方案，这种网络组织形式 的物理架构解决方案来自于 ＤＴＮ（Ｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎｔｏｌｅｒａｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋｓ）网络［１９－２０］ 。机会网络可以看成是一种无 线自组织网络下的 ＤＴＮ网络，其架构的技术路线是 依照存储—携带—转发的路由机制完成通信任务。 机会网络的实现分组信息“携带”功能是通过在网 络体系结构中增加一个 ｂｕｎｄｌｅ层［１４］ 达到的，图 ２所 示为一个机会网络体系结构与普通 ＴＣＰ／ＩＰ网络体 系结构的对比。机会网络通过 ｂｕｎｄｌｅ层，可以满足 延迟、网络经常中断这些特殊环境下数据的可靠传 输。

本文基于机会网络对牧场的数据传输提出一种 工程解决方案，为了满足在实际工作中具有广泛适 用及系统稳定性需求，在数据转发机制上采用基于 泛洪算法单副本的数据发送策略，在节点移动性方 面以牧场中采食过程移动为基础。在这个条件下， 计算出工程需要的设备内存、数据采样的速度、采食 半径以及动物移动速度等关系，为工程实施中计算 系统设计需求的内存、数据采样周期等提供理论依 据及方法。

２２ 牧场物联网场景分析及建模 由 １２节分别讨论 （ａ２，ｂ１）、（ａ２，ｂ２）、（ａ２，ｂ３） ３种网络环境下数据传输情况，在图 ３中分别用场 景 １、场景 ２及场景 ３表示。在此讨论这 ３种情况下 牧场物联网信息传输所需机会网络组网的连接情 况。 ２２１ 场景 １ 当连接为（ａ２，ｂ１）时传感器网络节点与基站之 间的通信关系，传感器节点中部分与基站有连接，部 分没有连接，传感器节点是可以运动的，即传感器节 点的运动范围一部分在基站信号覆盖范围内。此时 传感器间没有通信关联，这种情况下相当于每个传 感器网络节点与基站之间构成网络。 在场景 １所示的网络构成情况，各个传感器节 点只有到达基站信号覆盖范围内时才有机会与基站 进行连接通信，基站信号覆盖范围与牲畜活动半径 如图 ４所示，设牲畜活动范围为一圆形区域（这里 为了方便 问 题 说 明，实 际 放 牧 中 与 草 场 的 形 状 有 关），牲畜的活动半径为 ｒ（ｍ），即图中线段 Ａ１Ｏ２的 长度，基站与牲畜活动中心的距离为 Ｄ（ｍ），即Ｏ１Ｏ２ 的长度。基站信号覆盖范围为 Ｒ（ｍ），即 Ａ１Ｏ１的长 度。基站图 ４中灰色斜线区域为信号不稳定区域， 传感器节点在此范围内传输信号有丢包现象，丢包 规律服从函数 φ，函数 φ是一个节点与基站距离及 网络最大延迟上限相关的函数，此函数根据不同的 系统设计需求及相应的传输方式做相应的设置即 可。灰色区域宽度为 ｄ（ｍ）。 由图 ４中几何关系，可以计算牲畜活动中心与 两圆相交交点连线所成的角为∠Ａ１Ｏ２Ａ２，用 α１表示 为 α１ ＝２ａｒｃｃｏｓ（（ｒ２ ＋Ｄ２ －Ｒ２ ）／（２ｒＤ）） 基站中心与两圆相交交点连线夹角为∠Ａ１Ｏ１Ａ２， 用 α２表示为 α２ ＝２ａｒｃｃｏｓ（（Ｒ２ ＋Ｄ２ －ｒ２ ）／（２ＲＤ）） 基站信号覆盖范围与牲畜活动范围相交处的面 积为 Ｓ１ ＝ｒ２ α１／２＋Ｒ２ α２／２－ｓｉｎ（α１／２）ｒＤ

关键词：物联网网关