一种农业物联网云通信系统性能仿真平台

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一种农业物联网云通信系统性能仿真平台\n技术领域\n[0001] 本发明涉及通信系统仿真试验技术领域，具体地，涉及一种农业物联网云通信系统性能仿真平台。\n背景技术\n[0002] 在一些有线固定设施不足的室外场合，使用移动通信网络接入数据是不可避免的。但是，移动通信网络成本较高，系统负载，因此对这一部分进行分析和优化具有重要意义。\n[0003] 在主从式的分层物联网的网络结构中，节点、中继的数量，中继的排列方式以及合适的业务类型是关系到网络性能的重要参数。在进行网络部署的过程中，需要根据业务需求合理的规划中继节点数量。对于各种应用场景，需要估计网络的容量情况。现有许多关于物联网的方案和建设实践，但所有这些方案和实践缺少指标上的衡量，也难以从系统的方面考察每个部分的表现和性价比。\n[0004] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在网络成本高、系统负载大和部署难度大等缺陷。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种农业物联网云通信系统性能仿真平台，以实现网络成本低、系统负载小和部署难度小的优点。\n[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种农业物联网云通信系统性能仿真平台，包括信道管理模块，以及分别与所述信道管理模块连接的基站系统、主节点和传感器节点，其中：\n[0007] 所述基站系统，用于代表GPRS基站和WLAN基站以及通过公网连接的服务器系统，将有效的数据包传递给信道管理模块；\n[0008] 所述主节点，用于监听主-从网络以及接入网络IEEE 802.11和GPRS；主节点接收从节点数据并压缩、整合成规范数据包然后通过GPRS或WLAN传递给基站系统；\n[0009] 所述传感器节点，用于作为数据源，周期的产生数据，数据通过制定的格式，经主-从传感器网络发送，然后被主节点接受；\n[0010] 所述信道管理模块，用于统一管控基站系统、主节点和传感器节点。在OMNeT++中，ChannelControl(信道管理)模块是移动网络结构的核心，它根据节点之间的距离及节点的物理特点，在节点之间动态建立或拆散连接。包含位置信息和移动信息，以及哪个节点需要发送和通信等信息。ChannelControl(信道管理)模块使用一个固定的值或根据SNR门限计算这个值，然后将网络以干扰范围的长度细分为几个象限。由于每一个单独的节点列表仅保存在各自的象限，ChannelControl(信道管理)模块根据相应的列表更新节点之间的连接，而不需要遍历所有的节点。\n[0011] 进一步地，所述基站系统，包括依次连接至所述信道管理模块的服务系统应用层和WLAN网络模块。\n[0012] 进一步地，所述基站系统，包括依次连接至所述信道管理模块的服务系统应用层和GPRS网络模块。\n[0013] 进一步地，所述基站系统，还包括分别与服务系统应用层连接的移动性管理器和事件提示器。\n[0014] 进一步地，所述主节点，包括主节点应用层，以及分别与所述信道管理模块连接的GPRS移动台、WLAN移动台和IEEE 802.11接入点；所述GPRS移动台和IEEE 802.11接入点，分别与主节点应用层连接。移动设备模块，即主节点，实现传感器与服务器网络之间的数据转发。内部协议结构如图3所示。协议模块包括最上层的应用层，实现对传感器数据的整合与转发。然后传输网络包括GPRS、WLAN两部分。WLAN网络，包括转换层与接入点网卡与上一节中传感器部分类似；不同之处在于当传感器节点通过WLAN网络传输数据到主节点时主节点处于WLAN 接入点模式，当主节点通过WLAN网络传输数据到服务器时主节点处于WLAN移动台模式。GPRS 网络，代表了数据通过移动通信网络，以GPRS流量的形式传输的过程。主节点在GPRS网络中处于移动台的角色。\n[0015] 进一步地，所述主节点，还包括分别连接在所述GPRS移动台、WLAN移动台和IEEE \n802.11接入点与信道管理模块之间的消息分检器；和/或，\n[0016] 所述主节点，还包括连接在所述主节点应用层与IEEE 802.11接入点之间的转换模块；和/或，\n[0017] 所述主节点，还包括分别与所述主节点应用层连接的移动性管理器和事件提示器。\n[0018] 进一步地，所述传感器节点，包括传感器节点应用层，与所述信道管理模块连接的IEEE 802.11接入点，以及连接在所述传感器节点应用层与IEEE 802.11接入点之间的转换模块。传感器节点应用层用以产生数据。应用-IEEE 802.11 协议转换层。为通过制定的网络协议发送数据，需要对数据格式进行转换，以适应传输网络的要求。为适应WLAN 网络需要，对数据指定IP地址和端口号。传输网络网卡。使用标准的IEEE 802.11 网络基础设施模式作为承载网络。主节点即WLAN 访问点。数据沿着协议栈传输。\n[0019] 进一步地，所述传感器节点，还包括分别与所述传感器节点应用层连接的移动性管理器和事件提示器。\n[0020] 进一步地，所述IEEE 802.11接入点，包括IEEE 802.11网卡。\n[0021] 本发明各实施例的农业物联网云通信系统性能仿真平台，由于主要包括信道管理模块，以及分别与信道管理模块连接的基站系统、主节点和传感器节点；可以通过在仿真软件内重建网络协议过程，实现对目标网络的验证和性能估计；从而可以克服现有技术中网络成本高、系统负载大和部署难度大的缺陷，以实现网络成本低、系统负载小和部署难度小的优点。\n[0022] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。\n[0023] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。\n附图说明\n[0024] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：\n[0025] 图1为本发明农业物联网云通信系统性能仿真平台的模块架构图；\n[0026] 图2为本发明农业物联网云通信系统性能仿真平台中传感器节点子模块的工作原理图；\n[0027] 图3为本发明农业物联网云通信系统性能仿真平台中主节点子模块的工作原理图；\n[0028] 图4为本发明农业物联网云通信系统性能仿真平台中基站系统子模块的工作原理图。\n具体实施方式\n[0029] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。\n[0030] 为了解决现有方案和实践缺少指标上的衡量的不足，本发明使用OMNeT++对农业物联网的总体和各个部分进行仿真。该仿真，可以模拟现实的网络协议，多次重复执行。通过仿真，得到一个网络协议在不同配置条件下的性能参数，比如消息延迟、丢包率、误码率、信道利用率等信息。根据这些数据可以修正协议过程或者优化网络配置。\n[0031] 根据本发明实施例，如图1-图4所示，提供了一种农业物联网云通信系统性能仿真平台，通过在仿真软件内重建网络协议过程，实现对目标网络的验证和性能估计；验证通过数据到达衡量；性能估计通过目标网络的数据平均、最大端到端延迟和网络信道利用率衡量。\n[0032] 本实施例的农业物联网云通信系统性能仿真平台，包括信道管理模块，以及分别与信道管理模块连接的基站系统、主节点和传感器节点，其中：基站系统，用于代表GPRS基站和WLAN基站以及通过公网连接的服务器系统，将有效的数据包传递给信道管理模块；主节点，用于监听主-从网络以及接入网络IEEE 802.11和GPRS；主节点接收从节点数据并压缩、整合成规范数据包然后通过GPRS或WLAN传递给基站系统；传感器节点，用于作为数据源，周期的产生数据，数据通过制定的格式，经主-从传感器网络发送，然后被主节点接受；\n信道管理模块，用于统一管控基站系统、主节点和传感器节点。\n[0033] 其中，上述基站系统，包括依次连接至信道管理模块的服务系统应用层和WLAN网络模块。和/或，基站系统，包括依次连接至信道管理模块的服务系统应用层和GPRS网络模块。\n[0034] 在上述实施例中，基站系统，还包括分别与服务系统应用层连接的移动性管理器和事件提示器。\n[0035] 上述主节点，包括主节点应用层，以及分别与信道管理模块连接的GPRS移动台、WLAN移动台和IEEE 802.11接入点；GPRS移动台和IEEE 802.11接入点，分别与主节点应用层连接。主节点，还包括分别连接在GPRS移动台、WLAN移动台和IEEE 802.11接入点与信道管理模块之间的消息分检器；和/或，主节点，还包括连接在主节点应用层与IEEE 802.11接入点之间的转换模块；和/或，主节点，还包括分别与主节点应用层连接的移动性管理器和事件提示器。\n[0036] 上述传感器节点，包括传感器节点应用层，与信道管理模块连接的IEEE 802.11接入点，以及连接在传感器节点应用层与IEEE 802.11接入点之间的转换模块。传感器节点，还包括分别与传感器节点应用层连接的移动性管理器和事件提示器。\n[0037] 在上述实施例中，IEEE 802.11接入点，包括IEEE 802.11网卡。\n[0038] 上述实施例的农业物联网云通信系统性能仿真平台，包括在仿真软件内重建传感器节点、主节点和基站系统等子模块，构建了融合传感网GPRS/WLAN远程覆盖、异构网络垂直切换以及配置多个传感网的应用场景；通过修改参数配置和不同应用场景仿真，得到一个网络协议在不同配置条件下的性能参数，从而修正协议过程或优化网络配置。该农业物联网云通信系统性能仿真平台，主要包括如下三个方面：\n[0039] ⑴融合传感网GPRS/WLAN远程覆盖\n[0040] 这一功能表现为网络仿真由GPRS与WLAN两种网络协议组成，数据在传输过程中先后经历了这两种网络。通过实现数据交换的详细过程测试传感器网络与GPRS/WLAN网络技术的可行性。\n[0041] ⑵异构网络垂直切换\n[0042] 这一功能表现为GPRS与WLAN两种网络协议通过局域网—广域网方式组合。数据在经过主节点转发的过程中实现两种网络之间的垂直切换过程。仿真系统中重建了这一过程。\n[0043] ⑶传感网应用场景\n[0044] 这一功能表现为针对传感器网络各种应用场景，包括大棚环境、大田环境、冷链运输过程、生产加工。在仿真平台中，传感器节点随机分布在指定大小的场地中；节点具有一定的移动速度。通过修改仿真的配置组合，可以模拟大棚、大田和冷链运输、生产加工等环境。\n[0045] 上述实施例的农业物联网云通信系统性能仿真平台，解决其技术问题所采用的技术方案是：\n[0046] 为了通过网络仿真测试设计系统的性能，在OMNeT++软件中实现分层物联网架构。\nOMNeT++界面如图所示，该界面的抽象模块结构为图1。这个网络由三个部分组成：\n[0047] ⑴若干个传感器节点。传感器节点作为数据源，周期的产生数据。数据通过制定的格式，经主-从传感器网络发送，然后被主节点接受。\n[0048] 传感器节点的OMNeT++内部模块系统如图2所示，图中左边是软件界面截图，右边是说明图标。节点包含若干个协议和软件系统模块。协议模块从上到下构成协议栈：①应用层（app）。用以产生数据。②应用-IEEE 802.11 协议转换层（ethnetwlayer）。为通过制定的网络协议发送数据，需要对数据格式进行转换，以适应传输网络的要求。图中为适应WLAN 网络需要，对数据指定IP地址和端口号。③传输网络网卡（stationwifinic）。图2中使用标准的IEEE 802.11 网络基础设施模式作为承载网络。主节点即WLAN 访问点。数据沿着协议栈传输；无线链路的空中帧由全局的控制模块cc转发。控制主要依赖于移动性模块mobility。该模块可以设置节点坐标，移动速度、方向、加速的和遇到场地边缘后的反转方向。\n[0049] ⑵若干个主节点。主节点同时监听主-从网络以及接入网络。这里分别是IEEE \n802.11和GPRS。主节点接收从节点数据并压缩、整合成规范数据包然后通过GPRS或WLAN传递给基站系统。\n[0050] 移动设备模块，即主节点，实现传感器与服务器网络之间的数据转发。内部协议结构如图3所示。协议模块包括最上层的应用层app，实现对传感器数据的整合与转发。然后传输网络包括GPRS和WLAN两部分。消息分检器multiRadio负责将两套网络映射到一个空中接口中。WLAN网络，包括转换层ethnetwlayer与接入点网卡wifiapnic与上一节中传感器部分类似；不同之处在于主节点处于WLAN 接入点模式。GPRS网络，代表了数据通过移动通信网络，以GPRS流量的形式传输的过程。主节点在GPRS网络中处于移动台的角色。相应的协议模块位于mobile3gnic中。\n[0051] ⑶基站系统。代表了GPRS和WLAN基站以及通过广域网连接的服务器系统。这里为简化起见，省去了利用服务器所在的公共广域网，而简化为GPRS 协议之上的一个应用层实体。\n[0052] 基站网络模块，如图4所示，代表GPRS基站和WLAN基站以及通过公网连接的服务器系统。本发明技术方案简化了关联度较小的公共网络协议，直接使基站网络将有效的数据包传递给相当于服务器处理程序的数据分析模块app。子系统中除应用层以外的其他模块在之前已有说明，不再重复。\n[0053] 在图4中，移动性管理模块（mobility），用来更新设备节点的位置坐标。由于只有物理设备才需要更新坐标，因此每个设备有一个移动性模块；该模块可以作为独立设备的标志。不需要与模块内部子模块连接。\n[0054] 事件提示器（NotificationBoard）模块，用于在网络发生事件时激活相关的模块。\n由于OMNeT++仿真框架的限制，主要的时间处理函数handleMessage()函数仅在收到消息时触发。其他类型的事件，比如信号冲突，信道状态切换成忙或者空闲等，需要一种机制触发响应过程。这一触发机制由事件提示器（NotificationBoard）模块实现，相当于设计模式中的事件监听器。提示器模块包含在INeT库中。模块用一个枚举类型表示所有的提示信息类型。所有的设备有自己的提示器模块；所有提示器共享订阅列表。当一个已知的事件发生时，提示器会被触发。根据共享的模块列表，所有的事件订阅者的接收函数会被调用。该模块接收模块外部事件，不需要与模块内部子模块连接。\n[0055] 在图1所示的系统协议栈体系中，数据从传感器节点的应用层协议开始，经过转发到达基站系统的应用层实体。其中的无线通信通过信道管理模块转发实现。在图中所示的仿真模块中，物联网应用层自行编写。IEEE 802.11 使用OMNeT++ 官方网站上下载的标准模块库INET中现有的代码。GPRS没有现成的版本，本系统中编写了一个较简易的仿真版本，实现为主节点提供信道接入和管理无线资源分配的功能。\n[0056] 本发明技术方案可以达到的技术效果是：通过修改参数配置和不同应用场景仿真，得到一个网络协议在不同配置条件下的性能参数，比如消息延迟、丢包率、误码率、信道利用率等信息。根据这些数据可以修正协议过程或者优化网络配置。\n[0057] 例如，仿真程序可以运行于一台计算机上，使用Ubuntu 10.10操作系统，OMNeT++ \n4.1仿真程序。OMNeT++ 4.1自带了Eclipse IDE，需要JAVA JDK 7u1 32位。仿真平台内部使用了INET模块库20110225版本。\n[0058]\n[0059] 依次安装JAVA JDK、OMNeT++软件。\n[0060] 打开OMNeT++自带的Eclipse开发环境，然后选定工作目录，导入INET和AgriSafe项目。\n[0061] 编译所有项目。选择AgriSafe/simulation目录下的配置文件运行。\n[0062] 设定上述一般配置参数后，分别更改节点数量、场地尺寸和节点应用层发送频率、数据包长度和信道数量后，观察端到端延迟、信道利用率的变化情况。\n[0063] 可以使用OMNeT++的Cmdenv界面，通过脚本控制批量运行。使用命令行模式，调用程序自带的opp_runall工具，批量运行仿真，使用指定的run号和配置文件：\n[0064] system "opp_runall -j2  ./AgriSafe -l  ../inet/src/inet -u Cmdenv -f ../simulation/ scenarios /${simRun}.ini -r 15..17 -c $config"。\n[0065] 综上所述，本发明上述各实施例的农业物联网云通信系统性能仿真平台，主要包括在仿真软件内重建传感器节点、主节点和基站系统等子模块，构建了融合传感网GPRS/WLAN远程覆盖、异构网络垂直切换以及配置多个传感网的应用场景。通过修改参数配置和不同应用场景仿真，得到一个网络协议在不同配置条件下的性能参数，从而修正协议过程或优化网络配置。该农业物联网云通信系统性能仿真平台，可解决现有方案和实践缺少指标上的衡量的不足，能从系统的方面考察每个部分的性能表现的优点。\n[0066] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。\n凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。