CN106873676A - 一种基于物联网的智慧农业数据采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的智慧农业数据采集方法及系统，根据环境数据的变化速率，对传感器网关采集请求的频率做出调整，在环境数据趋于稳定时，采取较低的频率发送采集请求，在环境数据变化快时，环境数据可能会迅速超过其理想的范围，故采取较高的频率发送采集请求。从而在降低能源消耗和减轻设备负荷的同时，能够保证智慧农业系统的精细化监控。

Description

一种基于物联网的智慧农业数据采集方法及系统

技术领域

本发明涉及农业物联网领域，特别涉及一种基于物联网的智慧农业数据采集方法及系统。

背景技术

我国农业正处于传统农业向现代化农业转型时期，农业生产由粗放型经营向集约化经营方式的转变，全面实践这一新技术体系的转变，物联网技术将发挥独特而重要的作用，经过几年的发展，国内初步开始形成农业物联网的一些具体应用。以信息传感设备，无线传感网，互联网和智能信息处理为核心的农业互联网，可以实现对土壤、农作物、及其生态环境从宏观到微观的实时监测，通过云端服务器提高农业生产经营精细化管理水平。

但是由于农业互联网需要由传感器、网关、云端服务器等构建的系统实现实时监控，传感器节点采集、传输信息都需要消耗能源，网关需要不断向云端服务器发送采集数据，以及云端服务器需要处理大量的采集数据，考虑到能源的利用和各设备特别是远端服务器的负荷。一方面为了提高监测精度需要提高采样频率，另一方面为了减轻设备负荷和节省能源及成本需要降低采样频率，因此需要合理的设置系统的采样频率。

发明内容

本发明的目的一是提供一种基于物联网的智慧农业数据采集方法，其可根据数据的变化速率改变采集请求的频率。

本发明的上述技术目的一是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于物联网的智慧农业数据采集方法，所述方法为，以第一频率发送数据采集请求，接收采集到的数据，将采集到的数据远程发送；接收远程发送的数据，进行存储和分析处理，得出数据变化速率，当数据变化速率越过一定阈值时，发出切换指令；以第二频率发送数据采集请求。

进一步的，所述阈值、第一频率和第二频率均可调,并且所述阈值可根据数据库进行自动调整。

本发明的目的二是提供一种基于物联网的智慧农业数据采集系统，其解决了在保证监测精度前提下减轻设备负荷和节约能源及成本的问题。

本发明的上述技术目的二是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于物联网的智慧农业系统，所述农业系统包括：多种传感器，用于采集大棚的各项数据，并发出各项数据的检测信号；传感器网关，用于以一定频率发送采集请求，接收检测信号，并将检测信号转化为另一可远程发送的数据信号；云端服务器，用于接收数据信号，将数据信号进行存储分析，得出数据变化速率，当数据变化速率超过一定阈值时，所述服务器向传感器网关发出切换指令，改变传感器网关发送采集请求的频率；移动终端，用于调整服务器发出采集请求的频率以及阈值；多种环境控制器，用于调节大棚环境情况；智能开关，受控于移动终端，用于启闭所述多种环境控制器。

进一步的，所述云端服务器还存储有植物生长知识库，根据植物生长状况自动调整阈值。

进一步的，所述传感器包括光敏传感器、二氧化碳传感器、湿度传感器和温度传感器，所述环境控制器包括天窗、侧窗、湿帘、风机、内遮阳和外遮阳，所述移动终端包括手机和PC端。

进一步的，所述云端服务器包括数据接收单元，用于接收传感器网关发出的数据信号，并将所述数据信号传输给处理单元；存储单元，用于保存处理单元获取的数据信号；处理单元，用于对获取到的数据信号进行分析，计算得到所述数据变化量，判断是否越过阈值，当数据变化量越过阈值时发出切换指令；通信单元，用于与外界进行数据通信，处理单元将数据信号通过通信单元上传到移动终端，以及将处理单元的切换指令通过通信单元发送到传感器网关。

进一步的，所述移动终端可调整所述云端服务器的阈值以及通过所述云端服务器调整所述传感器网关采集请求的频率。

进一步的，所述智慧农业系统还包括环境控制器网关，所述环境控制器网关接收云端服务器的控制信号，控制智能开关启闭环境控制器。

进一步的，所述移动终端具有手动模式和监管模式，所述移动终端处于手动模式时，环境控制器均受人通过移动终端手动控制，所述移动终端处于委托模式时，环境控制器均受移动终端预先设定的多项数据范围控制。

进一步的，所述委托模式为，移动终端将多项数据预先设定于云端服务器，当某一数据在其对应的数据范围阶跃时，服务器发出控制信号，通过智能开关控制这一数据相关联的环境控制器的启闭。

综上所述，本发明具有以下有益效果：传感器将农业大棚中的温度、湿度、二氧化碳浓度等数据通过传感器网关发送给服务器，服务器对分别对这些数据进行计算求出数据变化速率，当数据变化速率较小时，服务器控制传感器网关以较低的频率向传感器发出采集请求，当数据变化速率较大时，服务器控制传感器网关以较高的频率向传感器发出采集请求。通过上述操作，在农业大棚的环境状况变化较慢时，传感器网关以较低的频率发出采集请求，可减少传感器网关的能源消耗和降低其负荷，同时传感器网关在单位时间内发送较少的数据给云端服务器，可降低云端服务器的工作符合；在农业大棚的环境状况变化较快时，传感器网关以较高的频率发出采集请求，并在单位时间内发送较多的数据给云端服务器，使服务器或移动终端在环境状况超过预设的数据范围时迅速做出反应，通过启闭环境控制器调节环境状况。

附图说明

图1是农业物联网体系架构图；

图2是本发明的智慧农业系统概念性方框图；

图3是智能控制模式的概念性框图；

图4是本发明的智慧农业系统中数据采集的概念性方框图；

图5是本发明中智慧农业数据采集方法的流程图。

图中，1、传感器网关；2、云端服务器；3、环境控制器；4、智能开关；5、光敏传感器；6、二氧化碳传感器；7、湿度传感器；8、温度传感器；9、天窗；10、侧窗；11、湿帘；12、风机；13、内遮阳；14、外遮阳；15、手机；16、PC端；17、环境控制器网关；18、摄像头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。

通过农业物联网的信息系统，能够实现农作物从生产、管理、经营、运输等各个方面的标准化、网络化以及数字化。农业物联网是一个交叉学科，涉及了传统的互联网技术，又包含了计算机处理技术和自动化控制技术等多种高新技术，相比于传统互联网的七层体系架构，物联网的体系架构相对而言较为简单，主要包括物联网信息感知层、物联网信息传输层以及物联网信息应用层三个分层，具体体系结构划分如图1所示。

在农业物联网的体积构架中处于最底层的是物联网的信息感知层，其主要功能是通过各种各样的传感器以及射频识别设备来采集农作物的环境参数信息，在整个物联网的运作过程当中，所有数据信息的来源均来自信息感知层。此外，物联网信息感知层所运用的主要技术包括无线传感器网络技术和短距离无线传输技术，信息感知层一方面受控于高层来采集具体的环境参数信息。

在农业物联网体系架构中处于中间层的使物联网的信息传输层，这部分的主要工作类似于传统互联网中的传输层，主要起到一个承上启下的作用。信息传输层接收信息感知层所采集到的环境数据信息，并将其转发给物联网的信息应用层，在整个数据的传输和转发的过程中既要保证数据信息的真实可靠性，又要保证数据传输的及时性，因此在信息传输层要对现有的网络技术进行融合和扩充，以实现更加安全、快速的信息转发和传输。

物联网的信息应用层位于整个农业物联网体系结构的最上层，信息应用层主要面对物联网的使用者进行工作，通过对信息传输层传递来的信息进行分析、计算、处理等，最终完成与使用者之间的人机交互，从而实现整个农业经营和管理的自动化和智能化。在物联网的信息应用层可以实现对大棚种植、园艺设施、水产养殖等不同农业生产过程的精细化管理，通过与使用者之间的交互过程，能够帮助用户实现对农作物的远程监控、对突发情况的及时处理等等，从而使整个农业生产达到高产和安全的最终目标。

图2所示，提供了一种基于物联网的智慧农业系统，包括多种传感器、传感器网关1、云端服务器2、移动终端、环境控制器3网关、智能开关4和多种环境控制器3。其中传感器的种类有光敏传感器5、二氧化碳传感器6、湿度传感器7、温度传感器8和摄像头18，它们均设置在大棚内，分别检测大棚内的光照强度、二氧化碳浓度、环境湿度和环境温度。环境控制器3的种类有天窗9、侧窗10、湿帘11、风机12、内遮阳13和外遮阳14，其中，天窗9和侧窗10用于大棚的通风，改变大棚的二氧化碳浓度；湿帘11可用于大棚的降温和增加湿度；风机12用于加快大棚内与大棚外的空气交换速度；内遮阳13和外遮阳14都可改变大棚内的光照强度，但使用内遮阳13时大棚内的温度是升高的，而使用外遮阳14则是降低大棚内的温度。智能开关4设置在大棚内，控制环境控制器3的启闭。

所述云端服务器2包括数据接收单元，用于接收传感器网关1发出的数据信号，并将所述数据信号传输给处理单元；存储单元，用于保存处理单元获取的数据信号；处理单元，用于对获取到的数据信号进行分析，计算得到所述数据变化量，判断是否越过阈值，当数据变化量越过阈值时发出切换指令；通信单元，用于与外界进行数据通信，处理单元将数据信号通过通信单元上传到移动终端，以及将处理单元的切换指令通过通信单元发送到传感器网关1。

多种传感器通过有线网络连接传感器网关1，传感器的检测信号通过MODBUS协议转化为数据信号无缝连接云端服务器2，其中传感器网关1与云端服务器2通过有线网络或GPRS连接，但不局限于这两种通信方式，云端服务器2通过互联网连接移动终端，通过移动终端将大棚内的环境数据实时反应给人，实现人机交互。这里的移动终端可以是手机15或PC端16，或其他通信设备。

移动终端可通过云端服务器2控制多种环境控制器3，而云端服务器2到环境控制器3的控制需经过环境控制器3网关和智能开关4，环境控制器3的启闭实质是通过智能开关4实现的。其中，远端服务器可通过GPRS或有线网络连接环境控制器3网关，环境控制器3网关和智能开关4通过有线网络连接，智能开关4与环境控制器3通过有线网络连接。传感器网关1还可连接大棚现场计算机，人可通过现场计算机了解大棚的环境数据，在现场对智能开关4进行操作。为了更好的显示大棚内的环境数据，现场计算机可连接大屏幕。

由于人不可能实时对大棚的环境数据进行监控，为了在环境数据超过理想范围时对人进行提醒，人可对移动终端设定各项数据范围，当移动终端接收的某一数据超过其对应的数据范围时，移动终端可进行报警，发出声音提示或其他提示方式。这时人就可通过移动终端向远端服务器发送指令，启闭这一超标数据相关联的环境控制器3。具体来说，例如大棚内的空气湿度低于移动终端中预先设定的湿度范围时，移动终端报警提示，人就可通过移动终端打开湿帘11来提高大棚的空气湿度，为了使空气湿度迅速提高，可打开风机12加速湿帘11的水分流入大棚内的空气中。当然，这种报警提示也可在现场计算机中运用。由于智能开关4可现场控制也可通过移动终端远程控制，因此智能开关4的状态需要及时返回到移动终端，避免移动终端显示的环境控制器3启闭状态与现场不一致。

移动终端对环境控制器3的启闭还具有两种模式，分别为手动模式和委托模式。手动模式是人通过移动终端，经由云端服务器2、控制器网关和智能开关4手动启闭环境控制器3。而委托模式是通过移动终端在云端设置环境的多项数据范围，当某一环境数据超过其对应的数据范围时，云端服务器2向控制器网关发出指令，通过智能开关4对这一环境数据相关联的环境控制器3进行相应的启闭操作。

为了更好的监控大棚内植物的生长状况，大棚内还配置有多个摄像头18，摄像头18不仅可观察植物的生长状况还可观察环境控制器3的工作状态。通过云端服务器2将视频信号发送给移动终端。

如图3所示的智能控制模式，通过摄像头18对大棚中的植物进行图像采集，然后由云端服务器2对采集的图像与植物生长知识库进行比对，根据植物的长势等数据的分析，再由云端服务器2对各项阈值进行设定，对温度、湿度、二氧化碳浓度等进行控制，从而更好的控制植物的生长。

在上述系统中，如图4所示数据采集的概念性方框图，针对数据的采集，传感器网关1以一固定的频率向传感器发送采集请求，再向服务器以这一固定频率向云端服务器2发送数据信号，由云端服务器2对数据进行存储和处理。考虑到能源消耗和设备工作负荷问题，采集请求的频率应尽量设置的低一些；但考虑环境数据在变化较快超过数据范围时云端服务器2或移动终端能迅速做出反应，采集请求的频率应尽量设置的高一些。可见能源消耗和监控精度这两个方面是相矛盾的。并且图中只是示例性的展示了两个大棚与云端服务器2的信息交互，在实际过程中，会有大量的大棚与云端服务器2进行数据交互，因此云端服务器2需要处理大量的数据，采集频率越高，数据也就越多，云端服务器2的工作负荷也就越大。为了解决这一矛盾，本发明提供了以下解决方案。

如图5所示智慧农业数据采集方法的流程图，不同于常规的用固定频率采集数据的方法。传感器网关1先以第一频率向传感器发送采集请求，并将接收到的检测信号转化为可远程发送的数据信号发送给云端服务器2。云端存储器对数据进行存储和计算，求出数据变化速率，当数据变化速率超过预先设定好的阈值时，传感器网关1改用第二频率发送采集请求。数据变化速率是指这一数据在单位时间内的变化量。这里使用了两种频率来做示例性解释，在实际应用中可有多个阈值对应多个采集请求的频率。其中，这里的数据包括温度、湿度、二氧化碳浓度等，阈值对应这些数据具体为温度变化速率阈值、湿度变化速率阈值、二氧化碳变化速率阈值等。更具体的来说，在大棚环境状况趋于稳定时，环境数据变化缓慢，云端服务器2和移动终端不需要对环境控制器3进行操作，因此传感器网关1采集请求的频率可设置的小一些，来减少解传输设备的能源消耗和缓解移动终端及云端服务器2的负荷。当环境数据变化快时，通过云端服务器2计算得到数据变化速率较大，大棚环境状态可能很快就会超过其理想的范围，为了在其超过理想范围时，迅速通过环境控制器3对环境状态做出调整，云端服务器2就会向传感器网关1发出切换指令，提高传感器网关1采集请求的频率，从而使云端服务器2和移动终端在单位时间内接收到的数据更加密集，对环境控制器3的操作更加及时。这里的阈值以及采集请求的多个频率均可通过移动终端进行设置。人也可通过移动终端向服务器发出指令让传感器网关1发出采集请求，手动刷新得到环境数据。

通过上述方法，在环境状态趋于稳定时，减少单位时间内云端服务器2和移动终端对环境数据信息的获取，降低了通信成本和设备负荷；在环境状态迅速改变时，增加单位时间内云端服务器2和移动终端对环境数据信息的获取，使环境数据超过理想范围时能迅速对环境控制器3进行操作。与现有的固定频率采集环境数据相比，提高了能源的利用率，并且对环境状态的监控更加精细。

其中，移动终端端的手机15可通过APP与云端服务器2进行通信，其操作界面主要包括了环境数据显示界面、多种环境控制器3的状态界面、视频显示界面等。用户可通过APP对环境控制器3的状态进行调整，环境控制器3的状态不限于开和关两个状态，还可包含其开合度，并可通过视频显示界面观察环境控制器3的开合度然后对其进行调整。APP还可调用云端服务器2中存储的历史数据等。同样，PC端16也具有与APP功能相同的软件。应了解，所揭示过程中各步骤的具体次序或层级是若干例示性方法的实例。基于设计偏好，应了解，可在维持于本发明范围内的同时重新安排所述过程中各步骤的具体次序或层级。随附方法权利要求项以取样次序提供各种步骤的元件，且并不打算限定于所提供的具体次序或层级。

结合本文所揭示实施例描述的各种例示性逻辑块、模块、电路、元件及/或组件均可借助通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑组件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或经设计以执行本文所描述功能的任何组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但另一选择为，所述处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算组件的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、一个或一个以上微处理器与DSP核心的联合或任何其它这种配置。

结合本文所揭示实施例描述的方法或算法可直接包含在硬件、可由处理器执行的软件模块或两者的组合中。软件模块可驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬磁盘、可装卸磁盘、CD-ROM或所属技术领域中已知的任何其它形式的计算机可读媒体中。计算机可读媒体可耦合到所述处理器以使所述处理器可从计算机可读媒体读取信息及将信息写入到所述计算机可读媒体。或者，计算机可读媒体可集成到处理器。

Claims (10)

1.一种基于物联网的智慧农业数据采集方法，其特征是：所述方法为，

以第一频率发送数据采集请求，接收采集到的数据，将采集到的数据远程发送；

接收远程发送的数据，进行存储和分析处理，得出数据变化速率，当数据变化速率越过一定阈值时，发出切换指令；

以第二频率发送数据采集请求。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的智慧农业数据采集方法，其特征是：所述阈值、第一频率和第二频率均可调，并且所述阈值可根据数据库进行自动调整。

3.一种基于物联网的智慧农业系统，所述农业系统包括：

多种传感器，用于采集大棚的各项数据，并发出各项数据的检测信号；

传感器网关(1)，用于以一定频率发送采集请求，接收检测信号，并将检测信号转化为另一可远程发送的数据信号；

云端服务器(2)，用于接收数据信号，将数据信号进行存储分析，得出数据变化速率，当数据变化速率超过一定阈值时，所述服务器向传感器网关(1)发出切换指令，改变网关发送采集请求的频率；

移动终端，用于调整服务器发出采集请求的频率以及阈值；

多种环境控制器(3)，用于调节大棚环境情况；

智能开关(4)，受控于移动终端，用于启闭所述多种环境控制器(3)，所述智能开关(4)可在现场直接通过人手动控制。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的智慧农业系统，其特征是：所述云端服务器(2)还存储有植物生长知识库，根据植物生长状况自动调整阈值。

5.根据权利要求3所述的一种基于物联网的智慧农业系统，其特征是：所述传感器包括光敏传感器(5)、二氧化碳传感器(6)、湿度传感器(7)、温度传感器(8)和摄像头(18)，所述环境控制器(3)包括天窗(9)、侧窗(10)、湿帘(11)、风机(12)、内遮阳(13)和外遮阳(14)，所述移动终端包括手机(15)和PC端(16)。

6.根据权利要求3所述的一种基于物联网的智慧农业系统，其特征是：所述云端服务器(2)包括，

数据接收单元，用于接收传感器网关(1)发出的数据信号，并将所述数据信号传输给处理单元；

存储单元，用于保存处理单元获取的数据信号；

处理单元，用于对获取到的数据信号进行分析，计算得到所述数据变化量，判断是否越过阈值，当数据变化量越过阈值时发出切换指令；

通信单元，用于与外界进行数据通信，处理单元将数据信号通过通信单元上传到移动终端，以及将处理单元的切换指令通过通信单元发送到传感器网关(1)。

7.根据权利要求3所述的一种基于物联网的智慧农业系统，其特征是：所述移动终端可调整所述云端服务器(2)的阈值以及通过所述云端服务器(2)调整所述传感器网关(1)采集请求的频率。

8.根据权利要求3所述的一种基于物联网的智慧农业系统，其特征是：所述智慧农业系统还包括环境控制器(3)网关，所述环境控制器(3)网关接收云端服务器(2)的控制信号，控制智能开关(4)启闭环境控制器(3)。

9.根据权利要求3所述的一种基于物联网的智慧农业系统，其特征是：所述移动终端具有手动模式和监管模式，所述移动终端处于手动模式时，环境控制器(3)均受人通过移动终端手动控制，所述移动终端处于委托模式时，环境控制器(3)均受移动终端预先设定的多项数据范围控制。

10.根据权利要求9所述的一种基于物联网的智慧农业系统，其特征是：所述委托模式为，移动终端将多项数据预先设定于云端服务器(2)，当某一数据在其对应的数据范围阶跃时，服务器发出控制信号，通过智能开关(4)控制这一数据相关联的环境控制器(3)的启闭。