La gestione intelligente del bestiame deve rilevare il comportamento del bestiame nel pascolo e raccogliere informazioni come il percorso di movimento e la posizione del bestiame. Il sistema Internet of Things del pascolo può essere utilizzato per ottenere queste informazioni. L'architettura del sistema basata su reti di sensori wireless può soddisfare le esigenze di comunicazione tra i vari nodi di campionamento. Tuttavia, a causa della posizione geografica remota degli allevamenti e del complesso ambiente di rete, durante la connessione a Internet si verificano spesso problemi come l'interruzione della connessione e la perdita di pacchetti. L'uso dei metodi tradizionali di connessione alla rete può comportare una grande perdita di dati. Per ridurre la perdita di dati campionati quando la connessione a Internet viene interrotta, viene proposto uno schema di trasmissione dei dati IoT in ranch basato su reti opportunistiche e viene analizzata la comunicazione tra i sensori nell'ambiente del ranch. Lo stato della comunicazione, tre modi di comunicazione tra i sensori sono riassunti, e rispettivamente modellati e analizzati. Partendo dal presupposto che la capacità di memorizzazione dei sensori è limitata, utilizzando il principio della rete opportunistica, viene proposto un metodo di calcolo della densità dei punti di accesso e viene riassunta la relazione intrinseca tra la velocità di movimento del bestiame, la capacità di memorizzazione dei nodi sensore e il tasso di perdita dei pacchetti di trasmissione dei dati, garantendo così che la perdita di dati del sistema rientri nell'intervallo consentito dal progetto. La correttezza del metodo è dimostrata attraverso esperimenti che valutano e verificano i risultati teorici del metodo proposto.
Con l'applicazione diffusa della tecnologia Internet of Things in agricoltura [1], i metodi informatici vengono gradualmente utilizzati nella produzione zootecnica [2]. Il monitoraggio del comportamento del bestiame nei pascoli è una condizione fondamentale per una gestione intensiva e intelligente dell'allevamento.
Il monitoraggio del comportamento del bestiame può essere efficacemente realizzato utilizzando la tecnologia Internet of Things [3-6]. In genere, gli allevamenti si trovano in aree relativamente remote e l'IoT del ranch è spesso ai margini dell'area di servizio della rete o al di fuori dell'area di servizio. Le capacità di comunicazione dei nodi sensore sono limitate. Nell'ambiente del ranch, possono essere collegati alla stazione base più vicina solo attraverso una rete pubblica wireless [7-11] A causa della trasmissione di informazioni, i dati di monitoraggio IoT continuo spesso non possono essere trasmessi attraverso la rete, con conseguenti anomalie di rete come le interruzioni del segnale.
Le reti opportunistiche (ON) [12-14] sono un tipo di rete auto-organizzata, progettata appositamente per le situazioni in cui i collegamenti di rete wireless sono spesso scollegati e potrebbe non esserci un collegamento completo tra il nodo sorgente e il nodo target, utilizzando il movimento dei nodi. Lo scambio di dati avviene quando i nodi entrano nell'area di copertura della comunicazione reciproca per completare la comunicazione dei dati. Pertanto, le reti opportunistiche sono spesso utilizzate per risolvere problemi quali il monitoraggio della fauna selvatica [15-16] e l'accesso alla rete in aree remote [17-18].
Questo articolo analizza l'ambiente di trasmissione dei dati dell'Internet of Things nelle condizioni speciali del pascolo e utilizza le caratteristiche della tecnologia di rete opportunistica per progettare la trasmissione dei dati di rete per l'Internet of Things del settore zootecnico, in modo che la trasmissione dei dati dell'Internet of Things del pascolo possa adattarsi alle frequenti interruzioni della rete di sensori nell'ambiente del pascolo. Fornire una soluzione efficace per risolvere il problema dell'interruzione della trasmissione dei dati dell'Internet of Things negli allevamenti.
1 Analisi del sistema Internet of Things delle aziende agricole
1.1 Struttura del sistema Internet of Things del pascolo Il sistema Internet of Things del pascolo può realizzare la raccolta e l'elaborazione delle informazioni sul comportamento del bestiame. Il sistema raccoglie informazioni sul sistema fisico (come informazioni sulla posizione del bestiame, informazioni sulla temperatura corporea, informazioni sullo stato di movimento, ecc.) tramite sensori e utilizza la rete (2G/3G/4G e altre reti pubbliche wireless) per trasmettere le informazioni al server applicativo per l'elaborazione. La Figura 1 illustra lo schema strutturale di un sistema Internet of Things di monitoraggio delle informazioni sul bestiame in un pascolo. I sensori intelligenti del livello di percezione hanno determinate capacità di memorizzazione, calcolo e comunicazione. I dati raccolti dai sensori utilizzano reti di sensori per la trasmissione di dati a breve distanza, ad esempio reti composte da protocolli come ZigBee. Allo stesso tempo, i nodi utilizzano la tecnologia di accesso alle reti ad ampio raggio, generalmente con metodi wireless, come le reti GPRS, per trasmettere i dati raccolti dai sensori a Internet. Questa parte dell'organizzazione di rete costituisce il livello di rete del sistema ranch Internet of Things.
Nel sistema Internet of Things zootecnico, i sensori sono in uno stato mobile durante il processo di raccolta delle informazioni e i nodi di raccolta cambiano continuamente la loro posizione spaziale. Questo cambiamento nella topologia spaziale rende l'Internet of Things zootecnico diverso da altri settori dell'agricoltura di struttura attualmente ampiamente discussi, come i sistemi intelligenti di Internet of Things come le serre; a livello di rete, durante il processo di comunicazione dei dati tra i nodi sensore e Internet, a causa della mobilità dei nodi stessi e quando i nodi utilizzano metodi di comunicazione wireless, la distanza tra i nodi e la stazione di base spesso supera la copertura della stazione di base, rendendo la rete spesso inattiva.
1.2 Analisi dello stato di comunicazione del sistema Internet of Things del ranch Nell'ambiente del ranch, la trasmissione di rete utilizza principalmente reti wireless per lo scambio di dati tra le stazioni base e i nodi di comunicazione. Esistono tre situazioni: i nodi della rete di sensori sono tutti distribuiti all'interno della copertura di comunicazione della stazione base; la rete di sensori La parte di distribuzione dei nodi è all'interno della copertura di comunicazione della stazione base; i nodi della rete di sensori sono tutti distribuiti al di fuori della copertura di comunicazione della stazione base.
Usate gli insiemi per rappresentare le tre situazioni di cui sopra: A = {a1, a2, a3}. Ci sono anche tre situazioni in cui è organizzata la comunicazione della rete di sensori: tutti i nodi della rete di sensori possono comunicare direttamente con la stazione base e i nodi della rete di sensori non possono comunicare tra loro; alcuni dei nodi della rete di sensori possono comunicare con la stazione base e i nodi della rete di sensori possono comunicare tra loro; tutti i nodi della rete di sensori possono comunicare tra loro. I nodi della rete di sensori possono comunicare con la stazione base e i nodi possono anche essere collegati tra loro.
Espresso come insieme: B = {b1, b2, b3}. Pertanto, nella scena del pascolo, il possibile modo di trasmissione della rete è 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)} tra cui (a1, b1), (a1 , b2), (a1, b3) Nei tre casi, tutti i nodi del sensore possono trasmettere direttamente i dati a Internet. In questo caso, non vi è alcuna interruzione della rete, ecc. e il modello di elaborazione della connessione è coerente con il metodo di elaborazione di Internet; in (a3, b1) , (a3, b2), (a3, b3), la rete è completamente interrotta; pertanto, le questioni discusse in questo articolo si concentrano sulle tre situazioni: (a2, b1), (a2, b2), (a2, b3).
2 Modellazione del Ranch Internet of Things basata su reti opportunistiche
In considerazione della particolarità della comunicazione dei dati dell'Internet of Things nell'ambiente zootecnico e nei pascoli, sulla base dell'analisi dell'architettura del sistema dell'Internet of Things in zootecnia e utilizzando i principi delle reti opportunistiche, si propone un riferimento per la progettazione del sistema utilizzando i principi delle reti opportunistiche nell'implementazione del sistema. modello, risolvendo così problemi quali connessioni instabili e frequenti cambiamenti nella posizione spaziale dei nodi sensore durante la trasmissione dei dati dell'Internet of Things in zootecnia.
2.1 Panoramica delle reti opportunistiche Le reti opportunistiche sono uno schema di organizzazione della rete per il quale può non esistere un percorso completo per la comunicazione tra i nodi della rete. La soluzione dell'architettura fisica di questa forma di organizzazione di rete deriva dalla rete DTN (Disruption Tolerant Network) ks) [19-20]. Le reti opportunistiche possono essere considerate come reti DTN nell'ambito di una rete wireless auto-organizzata. Il percorso tecnico della sua architettura consiste nel completare le attività di comunicazione secondo il meccanismo di instradamento storage-carry-forward. La funzione di "trasporto" delle informazioni dei pacchetti nelle reti opportunistiche è ottenuta aggiungendo all'architettura della rete un livello bundle [14]. La Figura 2 mostra un confronto tra un'architettura di rete opportunistica e una normale architettura di rete TCP/IP. Grazie al bundle layer, le reti opportunistiche possono soddisfare i requisiti di affidabilità della trasmissione dei dati in ambienti particolari, quali ritardi e frequenti interruzioni di rete.
Il presente lavoro propone una soluzione ingegneristica per la trasmissione di dati nei pascoli basata su reti opportunistiche. Per soddisfare le esigenze di ampia applicabilità e stabilità del sistema nel lavoro attuale, nel meccanismo di inoltro dei dati viene adottata una strategia di invio dei dati basata su una singola copia dell'algoritmo di flooding. L'aspetto della mobilità si basa sul movimento del processo di alimentazione nel pascolo. In queste condizioni, viene calcolata la relazione tra la memoria dell'apparecchiatura, la velocità di campionamento dei dati, il raggio di alimentazione e la velocità di movimento degli animali necessari per il progetto, fornendo basi teoriche e metodi per calcolare la memoria, il periodo di campionamento dei dati, ecc. necessari per la progettazione del sistema nell'implementazione del progetto.
2.2 Analysis and modeling of farm Internet of Things scenarios. Section 1.2 discusses the data transmission situations in three network environments: (a2, b1), (a2, b2), (a2, b3) respectively. In Figure 3, respectively Scene 1, scene 2 and scene 3 are represented. Here we discuss the connection conditions of the opportunistic network required for the transmission of information on the Internet of Things in the pasture under these three situations. 2.2.1 Scenario 1 The communication relationship between the sensor network node and the base station when the connection is (a2, b1). Some of the sensor nodes are connected to the base station and some are not connected. The sensor nodes can move, that is, the sensor nodes Part of the movement range is within the base station signal coverage. At this time, there is no communication association between sensors. In this case, it is equivalent to forming a network between each sensor network node and the base station. In the network configuration shown in Scenario 1, each sensor node has the opportunity to connect and communicate with the base station only when it reaches the base station signal coverage. The base station signal coverage and livestock activity radius are shown in Figure 4. Let the livestock activity range be In a circular area (for convenience of explanation, it is related to the shape of the pasture in actual grazing), the radius of activity of livestock is r (m), which is the length of line segment A1O2 in the figure, and the distance between the base station and the center of livestock activity is D (m) , that is, the length of O1O2. The base station signal coverage range is R (m), which is the length of A1O1. The gray diagonal area in Figure 4 of the base station is the signal instability area. When the sensor node transmits signals within this range, there will be packet loss. The packet loss law obeys the function φ. The function φ is a function related to the distance between the node and the base station and the maximum delay limit of the network. , this function can be set accordingly according to different system design requirements and corresponding transmission methods. The width of the gray area is d (m). According to the geometric relationship in Figure 4, the angle formed by the livestock activity center and the intersection point of the two circles can be calculated as ∠A1O2A2, which is expressed as α1 = 2arccos ((r2 + D2 – R2) / (2rD)). The angle between the intersection points of the circles is ∠A1O1A2, expressed as α2 = 2arccos ((R2 + D2 – r2) / (2RD)). The area where the base station signal coverage intersects with the livestock activity range is S1 = r2α1/2 + R2α 2/2 -sin(α1/2)rD
Parole chiave: Gateway per l'Internet degli oggetti
