Интеллектуальное управление животноводством должно определять поведение скота на пастбище и собирать такую информацию, как маршрут движения и местоположение скота. Для получения этой информации можно использовать систему Интернета вещей на пастбище. Архитектура системы, основанная на беспроводных сенсорных сетях, может удовлетворить потребности в связи между различными узлами отбора проб. Однако из-за удаленного географического положения ранчо и сложной сетевой среды при подключении к Интернету часто возникают такие проблемы, как обрыв соединения и потеря пакетов. Использование традиционных методов подключения к сети может привести к потере большого количества данных. Для того чтобы уменьшить потерю отобранных данных при прерывании соединения с Интернетом, предлагается схема передачи данных IoT на ранчо, основанная на оппортунистических сетях, и анализируется связь между датчиками в условиях ранчо. Состояние связи, три способа связи между датчиками обобщены, смоделированы и проанализированы соответственно. В предпосылке ограниченной емкости датчиков, используя принцип оппортунистической сети, предложен метод расчета плотности точек доступа, и обобщена внутренняя взаимосвязь между скоростью движения скота, емкостью памяти узла датчика и скоростью потери пакетов при передаче данных, что позволяет обеспечить потерю данных в системе в допустимом диапазоне. Корректность метода демонстрируется с помощью экспериментов, которые оценивают и проверяют теоретические результаты предложенного метода.
С широким применением технологии Интернета вещей в сельском хозяйстве [1], информационные методы постепенно используются в животноводстве [2]. Мониторинг поведения скота на пастбищах является основным условием для интенсивного и интеллектуального управления животноводством.
Мониторинг поведения домашнего скота может быть эффективно реализован с помощью технологии Интернета вещей [3-6]. Как правило, ранчо находятся в относительно удаленных районах, и IoT ранчо часто находится на границе зоны обслуживания сети или за ее пределами. Коммуникационные возможности сенсорных узлов ограничены. В условиях ранчо они могут быть подключены к ближайшей базовой станции только через беспроводную сеть общего пользования [7-11] Из-за передачи информации данные непрерывного мониторинга IoT часто не могут быть переданы по сети, что приводит к аномалиям в сети, таким как прерывание сигнала.
Оппортунистические сети (ON) [12-14] представляют собой разновидность самоорганизующихся сетей, которые специально разработаны для ситуации, когда каналы беспроводной сети часто разрываются и может не быть полной связи между узлом-источником и узлом-целью, используя перемещение узлов. Обмен данными происходит, когда узлы входят в зону покрытия взаимной связи для завершения обмена данными. Поэтому оппортунистические сети часто используются для решения таких задач, как мониторинг дикой природы [15-16] и доступ к сети в удаленных районах [17-18].
В этой статье анализируется среда передачи данных Интернета вещей в особых условиях ранчо, и используются характеристики оппортунистической сетевой технологии для проектирования сети передачи данных для животноводческой отрасли Интернета вещей, так что передача данных пастбищного Интернета вещей может адаптироваться к частым перебоям в работе сенсорной сети в условиях пастбища. Предоставить эффективное решение для решения проблемы прерывания передачи данных Интернета вещей на животноводческих фермах.
1 Анализ системы Интернета вещей для фермерских хозяйств
1.1 Структура системы Интернета вещей на пастбище Система Интернета вещей на пастбище может осуществлять сбор и обработку информации о поведении домашнего скота. Система собирает информацию о физической системе (например, информацию о местонахождении скота, информацию о температуре тела, информацию о состоянии движения и т. д.) с помощью датчиков и использует сеть (2G/3G/4G и другие беспроводные сети общего пользования) для передачи информации на сервер приложений для обработки. На рисунке 1 представлена структурная схема системы Интернета вещей для мониторинга информации о поголовье скота на пастбище. Интеллектуальные датчики на уровне восприятия обладают определенными возможностями хранения, вычисления и связи. Для передачи данных, собранных датчиками, используются сенсорные сети на короткие расстояния, например сети, построенные по протоколам типа ZigBee. В то же время для передачи собранных датчиками данных в Интернет узлы используют технологию доступа к глобальным сетям, как правило, с применением беспроводных методов, таких как сети GPRS. Эта часть сетевой организации образует сетевой уровень системы ранчо Интернета вещей.
В системе Интернета вещей для животноводства датчики находятся в мобильном состоянии во время процесса сбора информации, а узлы сбора постоянно меняют свое пространственное положение. Такое изменение пространственной топологии отличает животноводческий Интернет вещей от других широко обсуждаемых в настоящее время областей сельского хозяйства, таких как интеллектуальные системы Интернета вещей, например теплицы; на сетевом уровне в процессе обмена данными между узлами датчиков и Интернетом из-за мобильности самих узлов и использования узлами беспроводных методов связи расстояние между узлами и базовой станцией часто превышает зону покрытия базовой станции, в результате чего сеть часто выходит из строя.
1.2 Анализ состояния связи системы Интернета вещей на ранчо В условиях ранчо для передачи данных между базовыми станциями и узлами связи в основном используются беспроводные сети. Существует три ситуации: узлы сенсорной сети распределены в пределах зоны связи базовой станции; сенсорная сеть распределяет узлы в пределах зоны связи базовой станции; узлы сенсорной сети распределены за пределами зоны связи базовой станции.
Используйте множества для представления трех описанных выше ситуаций: A = {a1, a2, a3}. Существует также три ситуации организации связи в сенсорной сети: все узлы сенсорной сети могут напрямую связываться с базовой станцией, а узлы сенсорной сети не могут связываться друг с другом; некоторые из узлов сенсорной сети могут связываться с базовой станцией, а узлы сенсорной сети могут связываться друг с другом; все узлы сенсорной сети могут связываться друг с другом. Узлы сенсорной сети могут взаимодействовать с базовой станцией, а также могут быть связаны друг с другом.
Выражается в виде множества: B = {b1, b2, b3}. Таким образом, в сцене с пастбищем возможный способ передачи сети - 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)}, среди которых (a1, b1), (a1 , b2), (a1, b3) В этих трех случаях все узлы сенсора могут напрямую передавать данные в Интернет. В этом случае не происходит прерывания сети и т. д., а модель обработки соединения соответствует методу обработки данных в Интернете; (a3, b1), (a3, b2), (a3, b3) - сеть полностью прервана; поэтому вопросы, обсуждаемые в данной статье, сосредоточены на трех ситуациях: (a2, b1), (a2, b2), (a2, b3).
2 Моделирование Ранчо Интернета вещей на основе оппортунистических сетей
Учитывая специфику передачи данных Интернета вещей в животноводческой среде и на пастбищах, на основе анализа архитектуры системы Интернета вещей в животноводстве и использования принципов оппортунистических сетей предложена рекомендация по проектированию системы с использованием принципов оппортунистических сетей при реализации системы. модель, тем самым решая такие проблемы, как нестабильные соединения и частые изменения пространственного расположения сенсорных узлов при передаче данных Интернета вещей в животноводстве.
2.1 Обзор оппортунистических сетей Оппортунистические сети - это схема организации сети, для которой может не существовать полного пути для связи между узлами сети. Физическое архитектурное решение этой формы организации сети заимствовано из сети DTN (Disruption Tolerant Network) ks [19-20]. Оппортунистические сети можно рассматривать как сети DTN в рамках беспроводной самоорганизующейся сети. Технический маршрут ее архитектуры заключается в выполнении коммуникационных задач в соответствии с механизмом маршрутизации "хранение-передача-передача". Функция "переноса" пакетной информации в оппортунистических сетях достигается за счет добавления в архитектуру сети уровня связки [14]. На рисунке 2 показано сравнение архитектуры оппортунистической сети с архитектурой обычной сети TCP/IP. Благодаря пакетному уровню оппортунистические сети могут удовлетворять требованиям надежной передачи данных в особых условиях, таких как задержки и частые прерывания сети.
В данной статье предлагается инженерное решение для передачи данных на пастбищах на основе оппортунистических сетей. Для того чтобы удовлетворить потребности широкого применения и стабильности системы в реальной работе, в механизме пересылки данных принята стратегия отправки данных, основанная на единственной копии алгоритма наводнения. Аспект мобильности основан на перемещении процесса кормления на пастбище. В этих условиях рассчитывается соотношение между памятью оборудования, скоростью выборки данных, радиусом кормления и скоростью движения животных, необходимое для проекта, что обеспечивает теоретическую основу и методы расчета памяти, периода выборки данных и т.д., необходимых для проектирования системы при реализации проекта.
2.2 Анализ и моделирование сценариев фермерского Интернета вещей. В разделе 1.2 рассматриваются ситуации передачи данных в трех сетевых средах: (a2, b1), (a2, b2), (a2, b3) соответственно. На рисунке 3 представлены соответственно сцена 1, сцена 2 и сцена 3. Здесь мы рассмотрим условия подключения оппортунистической сети, необходимой для передачи информации в Интернете вещей на пастбище в этих трех ситуациях. 2.2.1 Сценарий 1 Коммуникационные отношения между узлом сенсорной сети и базовой станцией при соединении (a2, b1). Некоторые из сенсорных узлов подключены к базовой станции, а некоторые - нет. Узлы датчиков могут перемещаться, то есть часть узлов датчиков находится в зоне действия сигнала базовой станции. В это время связь между датчиками отсутствует. В данном случае это эквивалентно формированию сети между каждым узлом сети датчиков и базовой станцией. В конфигурации сети, показанной в Сценарии 1, каждый узел датчика имеет возможность подключиться и установить связь с базовой станцией только тогда, когда он достигает зоны покрытия сигнала базовой станции. Зона покрытия сигнала базовой станции и радиус активности домашнего скота показаны на рисунке 4. Пусть радиус активности скота составляет В круговой области (для удобства объяснения это связано с формой пастбища при реальном выпасе), радиус активности скота составляет r (м), что является длиной отрезка линии A1O2 на рисунке, а расстояние между базовой станцией и центром активности скота составляет D (м), то есть длину отрезка O1O2. Дальность покрытия сигнала базовой станции составляет R (м), что равно длине отрезка A1O1. Серая диагональная область базовой станции на рисунке 4 - это зона нестабильности сигнала. Когда сенсорный узел передает сигналы в пределах этого диапазона, происходит потеря пакетов. Закон потери пакетов подчиняется функции φ. Функция φ - это функция, связанная с расстоянием между узлом и базовой станцией и максимальным пределом задержки сети. Эта функция может быть установлена в соответствии с различными требованиями к дизайну системы и соответствующими методами передачи. Ширина серой области равна d (м). В соответствии с геометрической зависимостью на рисунке 4, угол, образованный центром активности скота и точкой пересечения двух окружностей, можно рассчитать как ∠A1O2A2, что выражается как α1 = 2arccos ((r2 + D2 - R2) / (2rD)). Угол между точками пересечения окружностей равен ∠A1O1A2, который выражается как α2 = 2arccos ((R2 + D2 - r2) / (2RD)). Область пересечения зоны действия сигнала базовой станции с зоной активности скота равна S1 = r2α1/2 + R2α 2/2 -sin(α1/2)rD
Ключевые слова: Шлюз для Интернета вещей
