CN107454560A

CN107454560A - 通信特性获取方法及装置

Info

Publication number: CN107454560A
Application number: CN201710680016.5A
Authority: CN
Inventors: 郁晓庆
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2017-12-08

Abstract

本发明提供了一种通信特性获取方法及装置，涉及土壤信息采集领域。该通信特性获取方法应用于土壤信息采集系统，该土壤信息采集系统包括地上接收节点以及多个地下采集节点，所述地上接收节点与所述多个地下采集节点耦合，所述地上接收节点设置于地表，所述多个地下采集节点设置于地表以下的距离所述地上接收节点不同水平距离以及不同竖直距离处。该通信特性获取方法包括：获取多个环境条件下所述地上接收节点与所述多个地下采集节点之间的通信特性数据；对所述通信特性数据进行回归分析，获取到所述土壤信息采集系统的通信特性。该通信特性获取方法能较为准确地获取土壤信息采集系统的通信特性。

Description

通信特性获取方法及装置

技术领域

本发明涉及土壤信息采集领域，具体而言，涉及一种通信特性获取方法及装置。

背景技术

目前，土壤信息的采集系统，例如水分、温度的检测系统，通常是通过设置多个采集节点于地表下，设置接收节点于地表上，并且采集节点与接收节点之间进行无线通信。由于对土壤信息的采集系统的通信特性不了解，采集节点以及接收节点的位置设定通常根据工作者经验而设置，导致一些采集节点与接收节点的通信质量较差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种通信特性获取方法及装置，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种通信特性获取方法，应用于土壤信息采集系统，所述土壤信息采集系统包括地上接收节点以及多个地下采集节点，所述地上接收节点与所述多个地下采集节点耦合，所述地上接收节点设置于地表，所述多个地下采集节点设置于地表以下的距离所述地上接收节点不同水平距离以及不同竖直距离处，所述方法包括：获取多个环境条件下所述地上接收节点与所述多个地下采集节点之间的通信特性数据；对所述通信特性数据进行回归分析，获取到所述土壤信息采集系统的通信特性。

一种通信特性获取装置，所述装置包括数据获取模块以及回归分析模块，其中，所述数据获取模块用于获取多个环境条件下地上接收节点与多个地下采集节点之间的通信特性数据；所述回归分析模块用于对所述通信特性数据进行回归分析，获取到土壤信息采集系统的通信特性。

本发明实施例提供的通信特性获取方法及装置，通过获取多个环境条件下地上接收节点与多个不同位置处的地下采集节点之间通信特性数据，再对所有通信特性数据进行回归分析，获取到土壤信息采集系统的通信特性。从而，获取到了土壤信息采集系统的通信特性，为土壤信息采集系统的地下采集节点以及接收节点的位置的设置提供了依据，解决现有技术中对土壤信息采集系统的通信特性未知，而导致土壤信息采集系统设置后的通信质量较差的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明较佳实施例提供的土壤信息采集系统的示意图；

图2示出了本发明较佳实施例提供的土壤信息采集系统的模块图；

图3示出了本发明较佳实施例提供的用户终端的方框示意图；

图4示出了本发明较佳实施例提供的通信特性获取方法的流程图；

图5示出了本发明较佳实施例提供的通信特性获取方法的步骤S120的流程图；

图6示出了本发明较佳实施例提供的小麦分蘖期对应的接收信号强度的特性曲面图；

图7示出了本发明较佳实施例提供的通信特性获取装置的功能模块图；

图8示出了本发明较佳实施例提供的通信特性获取装置的回归分析模块的功能模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参见图1，土壤信息采集系统10包括地上接收节点11以及多个地下采集节点12。其中，请参见图2，地上接收节点11与多个地下采集节点12耦合。地上接收节点11设置于地表，多个地下采集节点12设置于地表以下的距离地上接收节点11不同水平距离以及不同竖直距离处。需要说明的是，图1中的地下采集节点12以及地上接收节点11仅为示意，说明两者之间在水平方向以及竖直方向的位置，且地下采集节点12的个数并不作为具体限定。

具体的，地下采集节点12在竖直方向上距离地上接收节点11为0.5米至2米的竖直距离。具体地下采集节点12在竖直方向上距离地上接收节点11的竖直距离可以为0.5米、1米、1.5米、2米。

地下采集节点12在水平方向上距离地上接收节点11为5米至50米的水平距离。具体地下采集节点12在水平方向上距离地上接收节点11的水平距离可以为5米、10米、15米、20米、25米、30米、35米、40米、45米、50米。

在本发明实施例中，地下采集节点12与土壤信息传感器电性连接，如土壤水分传感器连接，并且将地下采集节点12进行防水密封。

图3示出了一种可应用于本发明实施例中的计算机的结构框图。如图3所示，计算机100包括存储器102、存储控制器104，一个或多个(图中仅示出一个)处理器106、外设接口108、射频模块110、音频模块112、显示单元114等。这些组件通过一条或多条通讯总线/信号线116相互通讯。计算机100用于实现本发明实施例中的通信特性获取方法，土壤信息采集系统10的地上接收节点与计算机可通过外设接口108连接。

存储器102可用于存储软件程序以及模块，如本发明实施例中的通信特性获取方法及装置对应的程序指令/模块，处理器106通过运行存储在存储器102内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，如本发明实施例提供的通信特性获取模块。

存储器102可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。处理器106以及其他可能的组件对存储器102的访问可在存储控制器104的控制下进行。

外设接口108将各种输入/输出装置耦合至处理器106以及存储器102。在一些实施例中，外设接口108，处理器106以及存储控制器104可以在单个芯片中实现。在其他一些实例中，他们可以分别由独立的芯片实现。

射频模块110用于接收以及发送电磁波，实现电磁波与电信号的相互转换，从而与通讯网络或者其他设备进行通讯。

音频模块112向用户提供音频接口，其可包括一个或多个麦克风、一个或者多个扬声器以及音频电路。

显示单元114在计算机100与用户之间提供一个显示界面。具体地，显示单元114向用户显示视频输出，这些视频输出的内容可包括文字、图形、视频及其任意组合。

可以理解，图3所示的结构仅为示意，计算机100还可包括比图3中所示更多或者更少的组件，或者具有与图3所示不同的配置。图3中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

第一实施例

如图4示出了本发明实施例提供的通信特性获取方法的流程图。请参见图4，该方法包括：

步骤S110：获取多个环境条件下所述地上接收节点与所述多个地下采集节点之间的通信特性数据。

在进行土壤信息采集系统的通信特性获取之前，需要获取地上接收节点与地下采集节点之间的通信特性数据。

在获取地上接收节点与地下采集节点之间的通信特性数据之前，则需要建立地上接收节点与地上采集节点之间的通信连接。因此，在步骤S110之前，该通信获取方法还包括：

建立所述地上接收节点与所述多个地下采集节点之间的通信连接。

具体的，可以控制地上接收节点以及地下采集节点开启，再控制上接收节点以及地下采集节点建立无线通信。

由于土壤信息的采集通常要在不同的环境条件下进行，即土壤信息采集系统需要在不同环境条件下工作。因此通信特性获取也需要在不同环境条件下进行，以便于获取到土壤信息采集系统在不同环境条件下的通信特性。

在本发明实施例中，环境条件可以包括土壤温度和土壤湿度。当然，环境条件的具体内容在本发明实施例中并不作为限定，也还可以包括其他，例如土壤盐度等。

由于土壤信息的采集通常在应用于农业行业，而农作物的生长与土壤的特性有较大的关系。因此，具体在进行通信特性获取时，可以分为不同农作物的不同生育期，而不同生育期则对应了不同的环境条件，即土壤温度和土壤湿度等条件不同。

例如，选择小麦四个生育期进行土壤信息采集系统的通信特性获取，小麦四个生育期可以包括分蘖期、拔节期、抽穗期以及灌浆期。分蘖期对应的环境温度为6度、土壤含水量为24％；拔节期对应的环境温度为14度、土壤含水量为18％；抽穗期对应的环境温度为21度、土壤含水量为26％；灌浆期对应的环境温度为26度、土壤含水量为32％。当然，小麦各生育期的环境温度仅为举例，并不代表实际的环境条件。

在本发明实施例中，地下采集节点以及地上接收节点的射频频率可以设定为433MHz。

在本发明实施例中，地上接收节点与多个地下采集节点之间的通信特性数据可以包括接收信号强度以及丢包率。接收信号强度是通信特的重要指标，能直接反映出通信的信号水平；丢包率是指测试中所丢失数据包数量占发送的数据包的比率，与数据包长度以及数据包发送频率有关，是衡量信号水平的重要指标。

在不同的环境条件下，测试地上接收节点与多个地下采集节点之间的接收信号强度以及丢包率，从而获取到多个环境条件下地上接收节点与多个地下采集节点之间的通信特性数据。

步骤S120：对所述通信特性数据进行回归分析，获取到所述土壤信息采集系统的通信特性。

在获取到多个环境条件下地上接收节点与多个地下采集节点之间的通信特性数据之后，需要对通信特性数据以及地上接收节点以及地下采集节点之间的位置关系进行处理，以获取到土壤信息采集系统的通信特性。

具体的，请参见图5，步骤S120可以包括：

步骤S121：设定用于对所述通信特性数据进行拟合的二元二次方程。

可以先设用于对接收信号强度数据进行拟合的二元二次方程：R_ss＝b₁*I_h ²+b₂*I_h*H_r+b₃*H_r ²+b₄*I_h+b₅*H_r+b₆，其中，R_ss为接收信号强度，单位为dBm；I_h为地下采集节点距离地上接收节点的竖直距离，单位为m；H_r为地下采集节点距离地上接收节点的竖直距离，单位为m。

以及设用于对丢包率进行拟合的二元二次方程：P_lr＝b₁*I_h ²+b₂*I_h*H_r+b₃*H_r ²+b₄*I_h+b₅*H_r+b₆，其中，P_lr为接收信号强度，单位为dBm；I_h为地下采集节点距离地上接收节点的竖直距离，单位为m；H_r为地下采集节点距离地上接收节点的竖直距离，单位为m。

步骤S122：利用多元回归分析函数以及二元二次方程对所述通信特性数据进行拟合，获取到所述通信特性数据对应的通信特性曲面。

具体的，可以利用Matlab的regress()函数以及二元二次方程对通信特性数据进行拟合。在Matlab中，regress()函数的命令格式为[b,bint,r，rint,stats]＝regress(H_r,I_h)。其中，b为参数估计值，拟合函数系数；bint为b的置信区间；r为残差向量，测试值与拟合值的差值；rint为r的置信区间；stats为检验统计量，置信度，F统计量，p值。

地下采集节点与地上接收节点之间对应有一个水平距离以及竖直距离，并对应有同一环境条件下的一个接收信号强度以及一个丢包率，因此，有多个地下采集节点与地上接收节点之间的接收信号强度以及丢包率。

利用拟合函数以及用于对接收信号强度进行拟合的二元二次方程，对每个地下采集节点与地上接收节点之间的水平距离、竖直距离以及同一环境条件下的接收信号强度进行拟合，可以获取到一环境条件下的接收信号强度的特性曲面以及接收信号强度与水平距离、竖直距离之间的关系式。

利用拟合函数以及用于对丢包率进行拟合的二元二次方程，对每个地下采集节点与地上接收节点之间的水平距离、竖直距离以及同一环境条件下的丢包率进行拟合，可以获取到一环境条件下的丢包率的特性曲面以及丢包率与水平距离、竖直距离之间的关系式。

从而，可以获取到多个环境条件下的土壤信息采集系统的接收信号强度的特性以及丢包率的特性。

例如，获取到小麦分蘖期对应的环境条件下土壤信息采集系统的接收信号强度的特性曲面，如图6所示，需要说明的是，其中图中左侧深色部分表示60dBm以上部分，右侧深色部分表示75dBm至80dBm部分，图中的具体颜色的分布仅代表接收信号强度的分别情况，其实际的接收信号强度可根据坐标获取。以及获取到接收信号强度与竖直距离、水平距离的关系式：R_ss＝-46.650-1.282I_h-6.9053H_r+0.0148I_h ²+0.002I_hH_r+1.680H_r ²。当然，该特性曲面以及关系式仅为举例。

在获取到通信特性曲面之后，该通信特性方法还可以包括：

对所述通信特性曲面进行误差分析，获取到所述通信特性曲面的拟合优度以及均方根误差分析。

具体的，为了能够评估地下发射节点和地上接收节点间通信预测模型，可以采用SPASS软件对能反映数据波动的拟合优度R²和均方根误差RMSE进行分析，获取到拟合优度以及均方根误差。

例如，对上述小麦分蘖期对应的环境条件下土壤信息采集系统的接收信号强度的特性曲面与不同竖直距离的接收信号强度数据进行误差分析，获取到拟合优度R²以及均方根误差RMSE，如下表所示：

由上表，地下采集节点和地上接收节点通信中，接收信号强度的特性曲面的计算结果和实际测量值之间的拟合优度R2在接收节点高度2m时最小为0.714，在接收节点高度0.5m时最大为0.927。RMSE在1.518～3.372dBm之间。

在本发明实施例中，该通信特性获取方法还包括：利用所述通信特性曲面，确定实际的地上接收节点以及多个地下采集节点的位置。

在获取到通信特性曲面后，可以根据实际的环境条件，选择对应环境条件的通信特性曲面获取通信水平较高的地下采集节点与地上接收节点的水平距离以及竖直距离，根据地下采集节点与地上接收节点的水平距离以及竖直距离确定实际土壤信息采集系统的地上接收节点以及多个地下采集节点的设置位置。

需要说明的是，在具体的通信特性获取中，也可以设置一个地下采集节点于地表以下，再通过改变地上接收节点的位置，实现地下采集节点距离地上接收节点不同水平距离以及不同竖直距离。并且每次改变地上接收节点的位置后，获取地上接收节点与地下采集节点之间的通信特性数据。从而，实现不同竖直距离以及不同水平距离的通信特性数据的获取，以用于土壤信息采集系统的通信特性的获取。

第二实施例

本发明第二实施例提供了一种通信特性获取装置200，请参见图7，该通信特性获取装置200包括数据获取模块210以及回归分析模块220。其中，所述数据获取模块210用于获取多个环境条件下所述地上接收节点与所述多个地下采集节点之间的通信特性数据；所述回归分析模块220用于对所述通信特性数据进行回归分析，获取到所述土壤信息采集系统的通信特性。

请参见图8，回归分析模块220包括方程设定单元221以及拟合单元222。其中，所述方程设定单元221用于设定用于对所述通信特性数据进行拟合的二元二次方程；所述拟合单元222用于利用多元回归分析函数以及二元二次方程对所述通信特性数据进行拟合，获取到所述通信特性数据对应的通信特性曲面。

在本发明实施例中，该通信特性获取装置200还包括误差分析模块。所述误差分析模块用于对所述通信特性曲面进行误差分析，获取到所述通信特性曲面的拟合优度以及均方根误差分析。

在本发明实施例中，该通信特性获取装置200还包括位置确定模块。所述位置确定模块用于利用所述通信特性曲面，确定实际的地上接收节点以及多个地下采集节点的位置。

在本发明实施例中，该通信特性获取装置200还包括通信建立模块。所述通信建立模块用于建立所述地上接收节点与所述多个地下采集节点之间的通信连接。

综上所述，本发明实施例提供的通信特性获取方法及装置，通过获取多个环境条件下地上接收节点与多个不同位置处的地下采集节点之间通信特性数据，再对所有通信特性数据进行回归分析，获取到土壤信息采集系统的通信特性。从而，获取到了土壤信息采集系统的通信特性，为土壤信息采集系统的地下采集节点以及接收节点的位置的设置提供了依据，解决现有技术中对土壤信息采集系统的通信特性未知，而导致土壤信息采集系统设置后的通信质量较差的问题。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种通信特性获取方法，其特征在于，应用于土壤信息采集系统，所述土壤信息采集系统包括地上接收节点以及多个地下采集节点，所述地上接收节点与所述多个地下采集节点耦合，所述地上接收节点设置于地表，所述多个地下采集节点设置于地表以下的距离所述地上接收节点不同水平距离以及不同竖直距离处，所述方法包括：

获取多个环境条件下所述地上接收节点与所述多个地下采集节点之间的通信特性数据；

对所述通信特性数据进行回归分析，获取到所述土壤信息采集系统的通信特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述通信特性数据进行回归分析，包括：

设定用于对所述通信特性数据进行拟合的二元二次方程；

利用多元回归分析函数以及二元二次方程对所述通信特性数据进行拟合，获取到所述通信特性数据对应的通信特性曲面。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用所述通信特性曲面，确定实际的地上接收节点以及多个地下采集节点的位置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取多个环境条件下所述地上接收节点与所述多个地下采集节点之间的通信特性数据之前，还包括：

6.一种通信特性获取装置，其特征在于，所述装置包括数据获取模块以及回归分析模块，其中，

所述数据获取模块用于获取多个环境条件下地上接收节点与多个地下采集节点之间的通信特性数据；

所述回归分析模块用于对所述通信特性数据进行回归分析，获取到土壤信息采集系统的通信特性。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述回归分析模块包括方程设定单元以及拟合单元，其中，

所述方程设定单元用于设定用于对所述通信特性数据进行拟合的二元二次方程；

所述拟合单元用于利用多元回归分析函数以及二元二次方程对所述通信特性数据进行拟合，获取到所述通信特性数据对应的通信特性曲面。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括误差分析模块，所述误差分析模块用于对所述通信特性曲面进行误差分析，获取到所述通信特性曲面的拟合优度以及均方根误差分析。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括位置确定模块，所述位置确定模块用于利用所述通信特性曲面，确定实际的地上接收节点以及多个地下采集节点的位置。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括通信建立模块，所述通信建立模块用于建立所述地上接收节点与所述多个地下采集节点之间的通信连接。