《农业物联网技术与应用》第10章 网络技术ppt课件.pptx

信息科学与工程,第10章 网络技术,10.1 概 述,物联网（internet of things，IoT）是通过各类传感器等信息感知方式获取物体相关属性与信息，然后实现物与物之间、物与人之间的交互。而实现交互的通信环节则极为重要 。物联网信息通信指的是大范围、多尺度信息的通信与融合，而传统的点对点通信已经无法满足实现应用需求。随着无线通信技术的发展，无线网络应运而生，且发展迅速。无线网络是无线通信技术与网络技术相结合的产物。能够通过无线信道来实现网络设备之间的通信，并实现通信的移动化、个性化和宽带化。相比有线网络而言，无线网络通信具有如下优点：灵活性和移动性，无线网络在无线信号覆盖区域内的任何一个位置都可以接入网络，并且连接到无线局域网的用户可以移动且能同时与网络保持连接；,易于进行网络规划和适时调整，无线组网网络具有桥接功能，通过网桥接力传输信息可使网络数据通信通力更加便捷和方便；易于扩展，无线局域网有多种配置方式，可以很快从只有几个用户的小型局域网扩展到上千用户的大型网络，并且能够提供节点间“漫游”等有线网络无法实现的特性。 由于无线局域网有以上诸多优点，因此其发展十分迅速。近些年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。,在物联网网络传输方面，无线网络传输自然发挥极其重要的作用，在农业物联网方面更是如此。农业信息具有获取面积大、农田不便拉线等特点，无线网络传输将在农业信息获取与农业物联网方面更加重大实际应用意义。目前，农业物联网自组织无线网络除常用的Zigbee网络外，也有一些根据实际需要改进或重新定义的网络协议。,10.2 Zigbee组网原理与应用,10.2.1 IEEE 802.15.4 技术标准1. IEEE 802.15.4技术标准概述随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人体自身附近几米范围之内通信的需求，从而出现了个人区域网络（personal area network，PAN）和无线个人区域网络（wireless personal area network，WPAN）的概念（王泉，2015）WPAN网络可为近距离范围内的设备建立无线连接/把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入局域网（LAN）或互联网（Internet）。,1998年3月，美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）（图10.1）中的IEEE802.15工作组着手致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目的是为在个人操作空间（personal operating space，POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。 POS 一般是指用户附近10m左右的空间范围，在这个范围内用户既是可以固定的，也可以是移动的。在IEEE 802.15工作组内有4个任务组（task group， TG）分别制定适合不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。,下面是4 个任务组各自的主要任务。任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标准，又称为蓝牙无线个人区域网络标准。这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、 iPad等设备的短距离通信。任务组TG2：制定IEEE 802.15.2 标准，研究IEEE 802.15.1与IEEE.805.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。任务组TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究髙传输速率无线个人区域网络标准。该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更髙的传输速率与服务品质。任务组TG4：制定IEEE 802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络(low-rate wireless personal area network，LR-WPAN)制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。,IEEE 802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了较低的两层：物理(PHY) 层和媒体接入控制（MAC）子层的协议。其中包含两个PH Y层，它操作于两个分离的频率范围：868/915 MHz和2.4GHz。低频率PHY层包括868MHz欧洲频段和美国、澳大利亚等国家使用的915MHz频段。高频率PHY层实际上是供全世界使用，MAC子层控制使用CSMA-CA机制接入到无线信道。它的职责包括传输信标帧，同步和提供可靠传输机制(周鸣争和严楠，2013)。,2. 基于IEEE802.15.4标准LR-WPAN的特点,低速无线个人区域网（LR-WPAN）是一个简单的、低成本的通信网络，它主要应用于功率有限，以及对网络吞吐量无严格要求的设备之间的无线连接。 LR-W PAN的目标是建立一个易于安装、有可靠的数据传输、通信距离短、成本低、电池寿命长的一个网络，并且它能保持简单和灵活的网络协议。IEEE 802.15.4标准定义的LR-W PAN网络具备如下特点：可在不同的载波频率下实现20kbp、40kbp和250kbp三种不同的传输速率；支持星型和对等两种网络拓扑结构；有16位和64位两种地址格式，其 中64位地址是全球唯一的扩展地址；支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）；支持确认(ACK) 机制，保证传输可靠性；保证时隙(GTS)的分配；低功率；能量检测 ；链路质量标识。,3. LR-WPAN的组成,LR-WPAN中含有全功能设备（full function device，FFD）和简单功能设备（reduced function device，RFD）两种不同类型的设备。FFD在三种网络模式中可作为整个PAN的网络协调器、路由器或网络中的应用设备。FFD可以和RFD或者FFD通信，而RFD只能和FFD通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据，这个与RFD相关联的FFD设备称为RFD协调器（coordinator）。RFD设备在网络中主要是一个应用设备，然而其的存储容量是有限的，故其传输的数据量较少，且在某一时刻只能和一个FFD相联系。但是因为RFD对传输资源和通信资源占用不多，所以RFD设备可以釆用非常廉价的实现方案。,LR-WPAN系统最基本部分是设备，设备既可以是FFD，也可以是RFD。WPAN是由两个或更多地在一个个人通信空间（POS）范围内和同一信道通信内的设备组成的。但网络中必须含一个FFD 设备作为PAN协调器，作为LR-WPAN网络中的主控制器。PAN网络协调器除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理及分组转发等任务。,4. LR-WPAN的拓扑结构,LR-WPAN有两种拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构，两种拓扑结构如图10.2所示。在星型拓扑结构中，所有的终端设备和唯一的中心协调器（也称为PAN协调器）进行通信，终端设备之间的通信通过PAN协调器的转发来完成。终端设备既可以作为发起设备，也可以作为终端设备。PAN协调器是一个特殊的设备，是PAN中的控制设备 ，有多种功能，如可以作为发起设备、终端设备或作为路由器等。运行在任何一种拓扑结构中的设备都应当有其独特的64 bit扩展地址，这个地址在PAN 中用于直接通信，或者当设备与协调器连接以后，用它与PAN协调器分配给它的短地址进行交换。PAN协调器可由交流电供电，而设备由电池供电。星型拓扑网络结构主要用于家庭自动化、PC外围、玩具、游戏设备和个人卫生保健设备等（王建珍等，2013）。,对等拓扑结构同样需要PAN协调器，但是它与星型拓扑网络结构的不同：网络中的任何两个设备只要在相互的无线通信有效范围内，它们之间就可以直接进行通信，而无 须PAN协调器中转（袁宗福，2013）。PAN协调器主要负责实现设备注册和访问控制等基本的网络管理功能，所以对等网络拓扑结构可以构建更为复杂的网络。例如，网状网（mesh network）适合工业控制与监测、无线传感器网络、智能农业等设备分布范围广泛的应用。一个对等网络是一个自组织、 自愈合的网络。在网络中任何设备发送的消息经过多条路由传输后可以到达任何其他设备。,10.3 ZigBee组网原理,10.3.1 ZigBee技术概述ZigBee技术是一种基于802.15.4标准的低速无线个人区域网（LR-WPAN）技术。“ZigBee” 一词源自蜜蜂在发现花粉位置时，通 过 跳 ZigZag形舞蹈来告知同伴所发现新食物源的位置、距离和方向等信息，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。人们借此意义来命名一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。ZigBee早期被称为 “HomeRFLiteF”、“LitEasyLink”或“FireFly”无线通信技术，目前统称为ZigBee技术（郭渊博，2010），ZigBee网络示例图如图10.3所示。,ZigBee技术针对某些在智能家庭、智能建筑、工业自动化及医疗领域的特定控制应用需求，锁定只以几十kbp的速率、几米至几十米的距离实现无线组网通信的能力，在这些关键指标条件下，再确定出微功耗、低复杂度和低价格等其他技术要求。2002年8月，英国Invensys、日本三菱电气、美国Motorola和荷兰Philips等几家公司宣布成立ZigBee联盟，合力推动ZigBee技术。ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商及最终使用者。联盟基于IEEE 802.15.4制定了具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。,到了2004年年底，ZigBee v1.0版标准正式公布，并于2006年12月1日公布了改进版本的ZigBee 2006，掀起了全球范围内研究ZigBee技术的热潮。在2004年年底到2006年不到两年时间，ZigBee联盟已经由最初的十多家公司发展到由全世界150多家知名厂商加盟的商业团体。在众多厂商的大力追捧下，ZigBee技术正蓬勃发展(金纯等，2008； ZigBee联盟，2006)。如今，ZigBee技术已是被国际标准组织认证为标准化的无线组网通信技术 。在目前众多的短距离无线通信领域， ZigBee技术的快速发展较为迅猛。,目前市场上也还有多种不同于ZigBee技术的其他近距离无线通信技术，如Z-Wave技术，Zensys与多家公司一起组建了Z-Wave联盟，以推动在家庭自动化领域釆用Zensys的Z-Wave无线协议。另外，还有其他一些以公司自有专利技术为核心的非标准化无线通信产品。那么为什么要选用标准化的无线组网通信技术ZigBee或者说采用标准化的无线组网通信技术ZigBee又有什么好处和优势呢？,首先，各种不同功能的无线网络节点要能相互交流、相互沟通，就需要保证网络节点的互通性，即网络的标准化。其次，各种功能的无线网络节点可以采用星型、树型、网型拓扑结构相互连接，相互间可以在任意节点间进行通信。这就需要管理越来越复杂的无线网络，需要有大量的软件代码来实现，也需要对无线通信技术的精通和大量的人力物力投入来进行开发。而这些则需要集体的力量来完成。所以ZigB ee网络实现的代码 ，都是由国际标准组织和ZigBee联盟这样的机构协助组织完成的，然后以软件库、源代码库的方式提供给产品设计人员，由产品设计人员编写自己的应用程序进行高层调用 ，实现从底层无线通信到髙层应用软件控制的全过程。基于此，产品的部分设计被标准化，显著减小了产品设计人员的工作量，有利于缩短产品上市周期。,10.3.2 ZigBee组网原理,1. 网络初始化ZigBee网络的建立是由网络协调器发起的，而在所有ZigBee节点中只有FFD才能作为协调器，并且一个ZigBee网络中有且只有一个协调器，也就是说必须是未接入任何网络的FFD节点才有权限组建ZigBee网络。在建立ZigBee网络时，FFD节点通过“主动扫描”发送一个信标请求命令，然后设置一个扫描期限，如果在扫描期限内都没有检测到信标，那么就认为FFD节点在其POS范围内没有协调器，那么此时就可以建立自己的ZigBee网络，并且作为这个网络的协调器不断地产生信标并广播出去（马建，2011）。,在确立了协调器之后，协调器开始进行包括“能量扫描”和 “主动扫描”的信道扫描过程。首先对指定的信道或者默认的信道进行能量检测，以避免可能的干扰。以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序，抛弃能量值超出了可允许能量水平的信道，选择可允许能量水平的信道并标注这些信道是可用信道；然后进行主动扫描，搜索节点通信半径内的网络信息。这些信息以信标帧的形式在网络中广播，节点通过主动信道扫描方式获得这些信标帧，然后根据这些信息找到一个最好的、相对安静的信道，通过记录的结果，选择一个信道，而该信道中存在ZigBee网络越少越好，最好是没有ZigBee设备 。在主动扫描期间，MAC层将丢弃PHY层数据服务接收到的除信标以外的所有帧。从建立的过程可以看到，协调器会选择一个干扰和冲突最少的信道。如果应用需要在某个特定的信道上建立网络，那么可以限定网络工作信道范围为指定的信道，同时设定一个要求较低的门限。,寻找到合适的信道后，协调器将进一步设置包括网络标识符（PAN ID），取值0 x3FFF）、网络地址和扩展PAN ID等的网络参数。PAN ID是一个随机产生的不等于0 xffff的16 bit标识（0 xffff是广播PAN ID），PAN ID在所使用的信道中必须是唯一的，也不能和其他ZigBee网络冲突。 PAN ID可以通过侦听其他网络的ID然后选择一个不会冲突 的 I D 的方式来获取，也可以人为地指定扫描的信道后，来确定不和其他网络冲突的PAN ID。在ZigBee网络中有两种地址模式：扩展地址（64 bit）和短地址（16 bit），其中扩展地址由IEEE组织分配，用于唯一的设备标识；短地址用于本地网络中设备标识，在一个网络中，每个设备的短地址必须唯一，当节点加入网络时由其父节点分配并通过使用短地址来通信。,对于协调器来说，短地址通常设定为0 x0000；而扩展PAN ID可以事先由网络层属性nwkExtendedPANId设置，若该属性的值为0 x0000000000000000，那么就把扩展PAN标识设置为IEEE地址，当这些参数都设置完成以后，协调器的网络初始化过程就结束了（王小强和欧阳骏，2012）。,2. 节点通过协调器加入网络,新节点首先会主动扫描查找周围网络，发现网络后，即直接调用MAC 层的信标请求命令。当检测到的信标获得协调器的有关信息，这时就向协调器发出连接请求。在选择合适的网络之后，上层将请求MAC层对物理层PHY和MAC层的phyCurrentChannel、macPANID等 PIB属性进行相应的设置。如果没有检测到相关信息，间隔一段时间节点会重新发起扫描。其中ZigBee信标当中所携带的净荷如表10.1所示。,节点将关联请求命令发送给协调器，协调器收到后立即回复一个确认帧（ACK），同时向它的上层发送连接指示原语，表示已经收到节点的连接请求。但是这并不意味着已经建立连接，只表示协调器已经收到节点的连接请求。当协调器的MAC层的上层接收到连接指示原语后，将根据自己的资源情况（存储空间和能量）决定是否同意此节点的加入请求，然后给节点的MAC层发送响应。,当节点收到协调器加入关联请求命令的ACK后，节点MAC将等待一段时间，接受协调器的连接响应。如果能在预定的时间内接收到连接响应，它将这个响应向它的上层通告。而协调器给节点的MAC层发送响应时会设置一个等待响应时间（T_response wait time）来等待协调器对其加入请求命令的处理，若协调器的资源足够，协调器会给节点分配一个16bit的短地址，并产生包含新地址和连接成功状态的连接响应命令，则此节点将成功地和协调器建立连接并可以开始通信。若协调器资源不够，待加入的节点将重新发送请求信息，直至入网成功。,如果协调器在响应时间内同意节点加入，那么将产生关联响应命令（associate response command）并存储这个命令。当响应时间过后，节点发送数据请求命令（data request command）给协调器，协调器收到后立即回复ACK，然后将存储的关联响应命令发给节点。如果在响应时间到后，协调器还没有决定是否同意节点加入，那么节点将试图从协调器的信标帧中提取关联响应命令，成功的话即入网成功，否则重新发送请求信息直到入网成功。 节点收到关联响应命令后，立即向协调器回复一个确认帧（ACK），以确认接收到连接响应命令，此时节点将保存协调器的短地址和扩展地址，并且节点的MLME向上层发送连接确认原语，通告关联加入成功的信息（葛广英等，2015）。,3. 节点通过ZigBee父节点加入网络,当靠近协调器的FFD节点和协调器关联成功后，处于这个网络范围内的其他节点就以这些FFD节点作为父节点加入网络，而具体加入网络的方式有两种：关联方式(associate)与直接方式(direct)，关联方式就是由待加入的节点发起加入网络，而直接方式就是将待加入的节点具体加入到那个节点下，作为该节点的子节点。关联方式是ZigBee网络中新节点加入网络的主要途径。对于一个节点来说只有没有加入过网络的才能进行加入网络。在这些节点中，有些曾经加入过网络的，但是却与它的父节点失去联系（这种节点被称为“孤儿节点”），而有些则是新节点。当孤儿节点出现时，在它的相邻表中存有原父节点的信息，于是它可以直接给原父节点发送加入网络的请求信息。如果父节点有能力同意它加入，直接告诉它以前被分配的网络地址，它便入网成功；但是如果此时它原来的父节点网络中的子节点数已达到最大值，父节点便无法批准它加入，它只能以新节点身份重新寻找并加入网络（李鹏，2009）。,而对于新节点来说，它首先会在预先设定的一个或多个信道上通过主动或被动扫描周围它可以找到的网络，寻找有能力批准自己加入网络的父节点，并把可以找到的父节点的资料存入自己的相邻表。存入相邻表的父节点的资料包括ZigBee协议的版本、协议栈的规范、PAN ID和可以加入的信息。在相邻表中所有的父节点中选择一个深度最小的，并对其发出请求信息，如果出现相同最小深度的两个以上的父节点，那么随机选取一个发送请求。如果相邻表中没有合适的父节点的信息，那么表示入网失败，终止过程。如果发出的请求被批准，那么父节点同时会分配一个16bit的网络地址，此时入网成功，子节点可以开始通信。如果请求失败，那么重新查找相邻表，继续发送请求信息，直到加入网络。,10.3.3 ZigBee网络性能,人们希望定义一系列的参数用以描述运行网络的链路、端到端路径及网络设备的整体性能，使得用户对网络的可靠性、运行状况有更加准确的理解。这些描述网络的定量参数被称为测量指标。下面我们根据这些测量指标来列举ZigBee的 网 络 性 能（瞿雷等，2007）。数据速率比较低：作为一种低速率无线传输技术， ZigBee网络在最高的数据传输速率 为250kb/s，而这只是链路上的速率，除掉帧头开销、信道竞争、应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100kb/s，并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分，因此不适合做传输视频之类的大型数据，而主要应用于传感和控制。,可靠性： ZigBee在物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰， MAC应用层（APS部分）有应答重传功能。MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。网络层采用了网状网的组网方式，从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性。如果原先的路径因为干扰或是故障等出现了问题，ZigBee可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信。在ZigBee 2007协议栈规范当中，引入一个新的特性-频率捷变（frequency agility）这也是ZigBee加强其可靠性的一个重要特性。当ZigBee网络受到诸如WIFI的外界干扰时，整个网络可以动态地切换到另一个工作信道上以确保正常工作。,时延：这是一个重要的考察因素。由于ZigBee随机接入MAC层，并且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好地支持一些实时业务。而且由于发送冲突和多跳，时延变成一个不易确定的因素。功耗：通常情况下，ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低，节点在不需要通信的时候可以进入很低功耗的休眠状态，而此时的能耗可能只有正常工作状态的1/1000。因此ZigBee可以达到很好的节能效果，如ZigBee的网络有可能依靠普通的电池连续运转12 年。当然，ZigBee节点能够方便地在休眠状态和正常运行状态之间灵活地切换，和它底层的特性是分不开的。ZigBee从休眠状态转换到活跃状态一般只需要十几ms，而且由于其使用的是直接扩频而不是跳频技术，重新接入信道所需要的时间较短。,组网和路由特性：ZigBee在网络层特性方面做得非常棒。由于ZigBee的底层采用了直扩技术，其具有大规模的组网能力，可以支持每个网络多达65 000个节点，相比之下，Bluetooth只支持每个网络8个节点。另外，ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由，因此可以布设范围很广的网络，并且支持多播和广播的特性，能够给丰富的应用带来有力的支撑（华中田，2007）。,10.4 主动诱导式自组织农业物联网通信协议,10.4.1 主动诱导式组网原理1. 主动诱导式网络分级与网络拓扑结构网络拓扑结构主要以星型网为主。在星型网络拓扑结构中，设定网络分三个层面开展研究，三个层面分别表示三种不同规模的组网情况，如图10.4所示。三级网络架构采用三网络、三频段的模式，即在一级网络里，T只能接收到二级网络R发送出来的信息，R只能接收到三级网络的信息。三个层次的网络拓扑结构分别为三级网络为星型拓扑结构、二级网络以网状网结构、一级网络以点对点的模式传输。,2. 上位机诱导无线网络组网原理,主动诱导式无线网络自组网主要指的是在已知节点布置的位置和布置平面图的情况下，上位机根据计算各节点间的距离、节点将代理传输节点数据的数量基础上，生成引导式的网络通信路径。该路径在每个节点路由限制路数、带宽的情况下，自动根据所设定的限制规则修改通信路径。达到通信距离最短、通信功率消耗最小、通信延时最短的最佳通信链路。根据大田农业信息监测特点，农业物联网信息采集节点位置基本固定，且布置节点时可以预先设置节点位置。节点的位置分布根据环境、养分分布情况均匀布置。在这些特点下，无线网络架构主要包括以下几个步骤。,第一步：节点位置规划，有两种方式。无GIS地图情况下，应该根据理论预测和实际情况大致找出农田特征信息采集位置。因此，结合上位机处理系统来固定节点放置位置。确定布置位置有两种情况：在已知平面图上，根据设定位置标识与放置某个确定地址的节点。然后在上位机软件中把该平面地图作为监控界面、将节点逐个地根据预设地点把节点布置好，如图10.5所示。有GIS地图情况下，将节点布置于预设定的某个地方，然后利用GPS位置测定仪测量该节点处的卫星定位数据，并记录该数据。所有节点均采用这种方法布置。然后在上位机软件系统载入GIS地理信息图层，输入每个节点的地址编号及定位位置信息。软件将根据GIS系统运算处理后形成一张节点平面分布图，如图10.5所示。,有GIS地图情况下，将节点布置于预设定的某个地方，然后利用GPS位置测定仪测量该节点处的卫星定位数据，并记录该数据。所有节点均采用这种方法布置。然后在上位机软件系统载入GIS地理信息图层，输入每个节点的地址编号及定位位置信息。软件将根据GIS系统运算处理后形成一张节点平面分布图，如图10.5所示。第二步：根据节点位置分布生成节点通信路径图，本节采用最短路径进行初步组网。生成路径图的规则是：根据农田平面图上的分布，通过坐标标定法计算各节点前向、后向的水平距离、垂直距离。计算每个节点间的距离。在图10.5中，上位计算每个节点相邻的位置距离。节点间的距离为,因此，4号节点的信息应该由2号或3号通过比较，找出节点最短路径Min(si,sk)=Ks-k。依此类推，图10.5上节点的通信数据转发最短路径（LSR）流程如图10.6所示。,因此，图10.6中上位机可通过图10.6通信链路将每个节点的前向节点编号发送给网络内布置好的节点，形成一张链表关系，如图10.7所示。,同时，从图10.7可知， 4号节点将通过2号节点路由一次后，2号节点的信息又将路由到1号节点，请求1号节点代理发送到号节点采集到的数据，同时也要传递4号节点的信息。因此，我们将这种多层路由的每个层称为一个路由级别。路由级别从直线上来看，就是一个节点需要的信息需要中转的次数称为路由的级数。记为G(si)，其中si代表第i号节点。图10.7所示可以扩展到更大范围的节点布置，如图10.8所示。图10.8中，sm点传递信息的路由深度按最短距离为G(sm) = 9，传递的第一个路由信息节点为左上方节点，但是，如果sm节点将信息传递给它的左下方节点时， G(sm) = 9，路由的深度少了一级。,3. 自组织网络组网原理与实现方法,节点硬件设计架构如图10.9所示 。,所研制的物联网节点利用CPU与射频通信模块分开的方法构建信息釆集与数据无线传输系统。并在每个节点部署自组网网络协议栈。该协议栈不仅根据本节研究部署了协议限制规则与组网通信规则，并在每一个节点软件设计中引入一个前向事件驱动消息响应机制（F-MSG）。该消息实际为一个结构体消息命令。F-MSG能够以目标为导向，在实现目标组网的过程中，不断地感知、探测所处环境的变化，并做出相应的调整，适应网络信息路由过程中的动态变化的环境，实现组网效率高且通信质量可靠的目标。利用F-MSG的智能化路由的关键就是设计出比较好的F-MSG，同时将网络测试性能指标引入到F-MSG中去。,4. 基于F-MSG的消息驱动组网实现方法,F-MSG作为网络通信节点中的前向消息驱动，实际上是一组数据报文和一个消息命令模式， F-MSG的数据结构是其报文的主要内容，每个节点均有两路消息机制。即每个节点有一个向前传递信息的前向消息，也有一个向后面节点传递信息的后向消息。前向消息用于报告自己组网管理、传递采集信息、节点属性情况。后向节点作用是报告自己节点能量、网络资源等信息。分别称为前向消息F-MSG和后向消息B-MSG。所有前向F-MSG和后向B-MSG具有同样的结构。,Struct F_MSG int MSG_id; /MSG ID int MSG_type; /M SG类型 int run; /MSG对应的操作 int source_node_id;/源节点ID bool net_in; /节点入网标记 int data_transmit_frequency; /节点数据采集与发送频率 char request GS; /深度路由申请获批标识 int destination_node_id; /目的节点ID int current_node; /当前节点ID,int hop_counter; /MSG经过的距离 int local_gs; /本节点分配的路由深度 int local_extent_power; /本节点权限 int currentnodenum; /当前节点ID int local_node_power; /当前节点的能量（电池电压） int *next_node_num; /下一个目标节点ID, 用于链表连接下一个节点通信 int *local_chang_msg_IDn; /当前节点可为n个节点路由数据 int intension_near_noden; /附近节点信号强度 struct time local_ime; intpath_delay;,int path_bandwidth; int path_ packet_loss; int path_power_left; /F_M SG从源节点到当前的各指标 int path_QoS; structtravel_record*trave_record_head; /F_M SG的移动记录Str_travel_record*travel_record_head;,该消息属性中，下一个节点ID 即为该节点信息传递的目标。MSG_id 是网络中MSG的唯一标识，source_node_id 和destination_node_id分别是源节点的地址的和目的节点的地址，hop_counter是路由级数计数器，start_time和arrival_time是 Agent的开始时间和到达目的节点时间，hop_time是这一跳所需要的时间；struct travel_record *travel_record_head是指向了一个动态增加的列表，是MSG的移动信息，列表储存有MSG 经过的节点的ID和当时的路由所需要的信息等。,节点组网动向是：如果某个节点Sm在有诱导的情况下与其他节点Sn建立路由，刚节点Sm创建一个F-MSG 消息并记录创建时间，然后读取系统分配权的权限值。按照本节制定的几项规则发送给周围的相邻节点。如果在节点St接收到一个F-MSG并且St中的*local_chang_msg_IDn包括了St节点的ID号，则该节点心执行链表指针连接，两节点握手通信成功。St节点将信息发送给Sm节点。St节点将Sm节点的信息存写进数据报文，并将重复Sm节点的信息传输模式，将自己采集到的信息与心节点采集到的信息打包往前传输。重复以上规则，则可实现网络节点的自组网通信（图10.10）。,5. 自组织网络的深度路由技术,路由深度与网络性能比较可知，路由深度越大，网络性能越差。由于农业物联网的特点是规模大、信息汇聚点单一，极有可能出现深度路由的通信情况。例如，在 20km开外的大规模农田里，安装的每个物联网信息采集节点有效通信距离为2km的话，那么最远处（20 km）的节点最少需要10次以上的信息中转才能将信息传输到汇聚中心，工业上很少出现这种情况。 目前国内外对物联网的深度路由研究比较鲜见，在工业上，如要实现远程数据采集，大多釆用GPRS技术实现远程数据采集，或者在小规模物联网内建立一个GPRS中转站来避免深度自组织网络内的深度路由的发生。因此，要实现深度路由，必须在原来网络组网原理上进一步改进。,处理网络深度路由的流程为，上位机软件根据位置信息确定路由链表后，产生一个网络通信链路表，并给每个节点的F_M SG 属性赋值，且后，经过网络组网优化与深度路由防护处理后，再给网络中的节点属性更改属性值。此时的节点路由深度将会用于节点系统软件评价深度路由的标准。然后修改F_MSG 的请求状态，并等待系统优先级赋值 ，通过深度路由管理机制实现采集信息的多级路由传输。设定一个优先权系数Ls，该系数的大小直接影响该深度路由在信息传递过程中享受特殊待遇。计算过程略。,农业物联网对信息采集最大的要求是低功耗、远距离无线传输。在信号实时性方面要求不像工业实时性要求髙。相比目前成熟的 ZigBee网络而言，本节研究的主动诱导式自组织网络协议在信息传输的实时性、网络的动态变化和动态维护灵活性与ZigBee有一定差距。但在深度路由方面， ZigBee网络的稳定可靠路由为6 层 。而本节所研究的自组织网络协议路由深度可达12层 ，在大规模农田信息感知方面性能优于ZigBee网络，可满足农田信息感知的实际需求。,10.4.2 主动诱导式网络局部智能维护原理,物联网组网通信的无线自组网通信领域处于非常重要的地位。无线传输网络与有线网络不同，无线自组织网络组网是动态变化的，极易受到环境变化影响发生信号减弱或出现信号盲区，导致原组网路径中断。因此，网络的智能维护在农业生产环境中显得尤为重要。1. 网络局部重组的路由维护机制物联网传输网络中，由于供电情况或其他原因导致节点失效的情况或者人为撤掉节点情况在实际应用中常有发生，对个别节点撤除网络的失效处理显得尤为重要。网络中节点失效情况往往性质不一，导致对原网络通信系统的影响也不完全相同。但这些影响都只造成局部网络有所变动，因此，本节将研究局部网络路由维护的方法。,10. 5 网络结构,“拓扑”（ topology）这个名词来源于几何学，网络拓扑结构是引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法。网络拓扑指的是构成网络的成员间排列方式的网络形状，或者说是传输媒体互连各种设备的物理布局，即把网络中的各个设备连接起来的方式。网络拓扑结构形象地描述了网络服务器、工作站的网络配置和各节点之间的连接方式。网络拓扑结构反映出网中各实体的结构关系，是建设网络的第一步，是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能、系统的可靠性与通信费用都有重大影响（ 罗跃川，2013）。,10.5.1 星型拓扑网,1 . 星型拓扑网概述星型拓扑网又称为集中式网络，是指各工作站以星型方式连接成网，这种结构有中央节点并以此为中心，其 他 节 点 （ 工作站、服务器）都与中央节点直接相连。星型拓扑结构是最古老的一种网络拓扑方式，如今每天都使用的电话就是属于这种结构。目前，星型拓扑结构是常用的网络拓扑设计之一，其被广泛应用于一般网络环境的设计中（杨瑞良和李平， 2007；周奇和梁宇滔， 2009）。,在星型网中任何两个节点的通信都必须经过中央节点控制。因此，中央节点的功能如下：当要求通信的站点发出通信请求后，控制器要检查中央转接站是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接；在两台设备通信过程中要维持这一通路；当通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应能拆除上述通道。在星型网， 目前多数采用集线器（HUB）或交换设备的硬件作为中央节点，以便与多机连接。现有的数据处理和声音通信的信息网大多采用星型网，专用小交换机PBX (privatebranch exchange)，即“电话交换机”就是星型网拓扑结构的典型实例。它在一个单位内为综合语音和数据工作站交换信息提供信道，还可以提供语音信箱和电话会议等业务，是局域网的一个重要分支。,2. 星型拓扑网的优缺点,星型拓扑网中端用户之间的通信必须经过中央节点，因此，它的优点在于方便集中控制，易于维护和保证安全性。星型拓扑网示意图如图10.18所示 。基于星型拓扑结构建设的网络，端用户设备即使因为故障而停机时也不会影响其他端用户间的通 信 ，另外星型拓扑网的网络延迟时间较小，传输误差较低，建网容易，控制简单。但这种结构也存在缺点，要求中心系统必须具有极髙的可靠性，对此中心系统通常釆用双机热备份， 以提高系统的可靠性，而这也无疑增加了成本。另外在星型拓扑网中由于任何两个节点的通信都必须依赖中央节点，因此中央节点相当复杂，负担比各节点重得多，这也更进一步要求中央节点的可靠性。,10.5.2 网型拓扑网,1. 网型拓扑网概述网型拓扑结构主要是指各节点通过传输线互相连接，网络的每台设备之间均有点到点的链路连接，并且每一个节点至少与其他两个节点相连，有时也称为分布式结构。网型拓扑网示意图如图10.19所示。网型拓扑网一般用于Internet骨干网上，使用路由算法来计算发送数据的最佳路径，不常用于局域网。,根据组网硬件不同，网型拓扑网主要有三种类型。网状网：在一个大的区域内，用无线电通信链路连接一个大型网络时，网状网是最好的拓扑结构。通过路由器与路由器相连，可让网络选择一条最快的路径传送数据。主干网：通过桥接器与路由器把不同的子网或局域网连接起来形成单个总线或环型拓扑结构，这种网通常采用光纤作为主干线。星状相连网：利用一些超级集线器的设备将网络连接起来，这种星状相连网络中任一处的故障都可容易查找并修复。,2. 网型拓扑网的优缺点,网型拓扑网可靠性高，一般通信子网中任意两个节点交换机之间，存在着两条或两条以上的通信路径，以此保证当一条路径发生故障时，还可以通过另一条路径把信息送至节点交换机；网