CN108347711B - 一种基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于NB‑IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统，包括：数据采集终端、NB‑IoT主控器、数据中心服务器以及管理客户端。该系统的主控器采用了基于NB‑IoT协议的无线通信部分并具有低功耗设计，能够可靠性强、成本低的进行通信传输，能够进一步降低位于农业生产现场的主控器的功耗，极大延长待机时间，减少更换电池的次数。本发明为主控器设计了基于多层构件的嵌入式系统，形成了可封装的、规范的、可重用的、具有嵌入式特性的功能架构。本发明对于数据中心服务器设置了用于实现与主控器之间数据通信的侦听模块以及用于实现农田现场状态显示、故障告警、数据统计、报表生成以及用户管理的管理模块。

Description

一种基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统

技术领域

本发明涉及信息传感与数据采集领域，具体为一种基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统。

背景技术

数据采集作为信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号测量与处理和微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。数据采集系统是利用计算机、通信和测控等技术采集、记录和显示现场的各种物理参数，以供管理人员和现场操作者参考的系统，是现代测控系统的基础。

智能农业对改善农业生产效率、实现精细化作业具有显著的意义。智能农业的基本前提是对农田、大棚、温室等农业生产场所的环境进行数据采集、传输、汇聚、存储、分析和应用。由于农业生产场所一般呈现大面积空间分布，因此以远程数据采集系统为主。

目前应用于智能农业的远程数据采集系统主要由四部分组成：数据采集终端、主控器、通信链路和数据中心服务器。数据采集终端和主控器安装在农业现场，主要负责对环境数据和图像信息的采集；主控器通过无线通信模块实现与数据中心服务器的数据传输；通信链路主要用作数据传输的载体，为数据传输提供有效路径；数据中心服务器接收来自主控器的现场数据和信息，实现数据的处理、存储、分析功能，同时提供信息查询与统计。用户通过浏览器等人机交互接口访问数据中心服务器，获得远程现场的环境和图像信息。

从通信方面来说，目前对于智能农业的远程数据采集缺少适用的信息传输技术，现有的智能农业系统主要是采用GPRS通信方式实现主控器与数据中心服务器的数据传输。但是，GPRS通信方式终端功耗过高，采用5wh电池待机时间大约2个月左右；信号覆盖不好，需要专门引出天线；接入容量有限，面对海量的前端设备，基站的容纳能力经常捉襟见肘。特别是随着智能农业的发展，数据采集呈现类型多样化、监测持续化的需求，从过去主要对温度、湿度监测扩展到对土壤墒情、化学品浓度、光照、田间生物分布等各种指标进行采集，并且抽样采集的频繁程度呈几何级提升，这使得传统通信方式在功耗、信号质量、稳定性、容量等方面的问题更为突出。

为了满足低功耗、广域覆盖物联网的需求，NB-IoT(Narrow Band InternetofThings，窄带物联网)标准应运而生；到2016年5月，3GPP已经完成了NB-IoT标准核心部分的制定。NB-IoT是一种窄带蜂窝通信技术，作为一项应用于低速率业务中的技术，NB-IoT的优势在于以下方面：(1)超强的接入能力：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数；一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。举例来说，受限于带宽，运营商给家庭中每个路由器仅开放8-16个接入口，而一个家庭中往往有多部手机、笔记本、平板电脑，未来要想实现全屋智能、上百种传感设备需要联网就成了一个棘手的难题，而NB-IoT足以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。(2)高覆盖：NB-IoT室内覆盖能力强，比LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村这样的广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。(3)低功耗：低功耗特性是物联网应用一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备，它们不可能像智能手机一天一充电，长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。(4)低成本：与LoRa相比，NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例，900MHZ里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接进行LTE和NB-IoT的同时部署。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。

可见，如果将NB-IoT技术应用于智能农业的远程数据采集系统，可以发挥该技术的巨大优势，扩大数据采集终端的接入容量，改善信号覆盖与通信质量，特别是降低数据采集终端的功耗，降低系统维护的成本和难度。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的上述需求，本发明提供了一种基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统。该系统的主控器采用了基于NB-IoT协议的无线通信部分并具有低功耗设计，能够可靠性强、成本低的进行通信传输，从而实现与数据中心服务器的双向数据交互，特别是能够进一步降低位于农业生产现场的主控器的功耗，极大延长待机时间，减少更换电池的次数。本发明为主控器设计了基于多层构件的嵌入式系统，形成了可封装的、规范的、可重用的、具有嵌入式特性的功能架构。本发明对于数据中心服务器设置了用于实现与主控器之间数据通信的侦听模块以及用于实现农田现场状态显示、故障告警、数据统计、报表生成以及用户管理的管理模块，实现了业务逻辑与显示的分离，业务逻辑和显示格式无关，每个业务逻辑模块可以有不同的显示方式，相同的显示模块也可以用于不同的业务逻辑模块，从而降低了不同模块之间的依赖性，提高了程序的可维护性、可移植性、可扩展性与可重用性，降低程序开发、维护和扩展的难度。

(二)技术方案

本发明涉及一种基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统，其特征在于，包括：数据采集终端、NB-IoT主控器、数据中心服务器以及管理客户端；其中，

所述数据采集终端用于通过配置的多种类型的传感器感应农业生产的环境参数数据，并且将环境参数数据传输给NB-IoT主控器；

所述NB-IoT主控器用于接收所述环境参数数据，以及采集农业生产的现场画面数据，并且基于NB-IoT通信方式将所述环境参数数据和现场画面数据上传至数据中心服务器，并且接收由数据中心服务器下达的远程控制命令和配置参数；

所述数据中心服务器用于从所述NB-IoT主控器接收所述环境参数数据以及现场画面数据并进行存储，执行对环境参数数据的统计和分析；以及响应管理客户端的请求而向管理客户端提供所述环境参数数据、现场画面数据以及统计分析结果数据；以及向所述NB-IoT主控器发送远程控制命令和配置参数；

所述管理客户端用于向用户提供图形化交互功能，获得以及向用户图形化显示所述环境参数数据、现场画面数据以及统计分析结果数据，接收用户输入的交互指令，并且根据交互指令向所述数据中心服务器传输所述远程控制命令和配置参数。

优选的是，所述NB-IoT主控器包括：数据采集终端接口、摄像头接口、主控模块、NB-IoT通信模块、配置参数存储器模块以及电源模块；所述数据采集终端接口用于连接数据采集终端并接收所述数据采集终端发送的环境参数数据；所述摄像头接口用于连接摄像头并且接收摄像头输入的现场画面数据；所述主控模块接收所述环境参数数据和现场画面数据，并将所述环境参数数据和现场画面数据发送给所述NB-IoT通信模块；并且，主控模块还用于控制电源模块对所述NB-IoT主控器其它模块供电的导通和切断；所述主控模块通过NB-IoT通信模块接收远程控制命令和配置参数，并且根据远程控制命令控制所述数据采集终端执行数据采集，以及将所述配置参数存储在配置参数存储器模块；所述NB-IoT通信模块用于基于NB-IoT通信方式将所述环境参数数据和现场画面数据上传给所述数据中心服务器；所述电源模块在所述主控模块的控制下为所述NB-IoT主控器的各模块供电。

优选的是，所述配置参数包括用户自定义的环境参数报警阈值，所述主控模块从配置参数存储器模块读取用户自定义的环境参数报警阈值，并且比较所述环境参数数据与环境参数报警阈值，在环境参数数据超出所述环境参数报警阈值时向所述NB-IoT通信模块发送自动报警数据。

优选的是，所述配置参数包括通信中断时间阈值，并且所述NB-IoT主控器包括声光电路；当所述NB-IoT通信模块与所述数据中心服务器之间无法建立通信连接的时长大于等于所述通信中断时间阈值，所述主控模块控制NB-IoT主控器的声光电路发出声光报警信号。

优选的是，所述主控模块通过供电控制引脚连接电源模块，并且通过所述供电控制引脚控制所述电源模块对NB-IoT主控器其它模块的供电的导通与切断状态。

优选的是，所述电源模块包括第一供电输出端和第二供电输出端，其中第一供电输出端用于为所述主控模块供电；所述第二供电输出端用于为所述NB-IoT主控器的其它模块供电；并且电源模块根据所述供电控制引脚的状态控制所述第二供电输出端供电的导通和切断。

优选的是，所述数据中心服务器包括：网络通信模块，侦听模块和管理模块；所述网络通信模块用于建立与所述NB-IoT主控器之间的通信连接；所述侦听模块用于与所述NB-IoT主控器进行数据通信，处理从NB-IoT主控器接收的所述环境参数数据以及现场画面数据，以及向NB-IoT主控器发送所述远程控制命令和配置参数；所述管理模块用于存储环境参数数据以及现场画面数据，并且执行对环境参数数据的统计和分析，设置NB-IoT主控器的配置参数，执行对主控器与用户的管理，以及向所述管理客户端提供图形化的数据显示与交互页面。

优选的是，所述侦听模块具体包括：

命令发送模块，用于将所述远程控制命令和配置参数封装为数据帧并发送给NB-IoT主控器；数据接收模块，用于接收NB-IoT主控器上传的封装所述环境参数数据以及现场画面数据的数据帧。

优选的是，所述管理模块具体包括：

信息管理子模块，用于查询所存储的环境参数数据以及现场画面数据，并且执行对环境参数数据的统计和分析，生成数据报表；

信息采集子模块，用于实时采集农业生产现场的环境参数数据以及现场画面数据；

参数配置子模块，用于记录和管理针对所述NB-IoT主控器的配置参数；

主控器管理子模块，用于记录NB-IoT主控器的设备管理维护信息，并进行设备管理维护信息的查询；

用户管理子模块，用于记录用户信息及其操作记录，并设定用户权限。

优选的是，所述数据中心服务器进一步包括数据库，所述数据库用于从所述NB-IoT主控器接收并存储环境参数数据以及现场画面数据，并且存储发送给所述NB-IoT主控器的远程控制命令和配置参数。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供具备以下有益效果：

本发明可以面向空间广泛分布的农业生产现场实现环境数据的有效采集、传输、存储、分析、图形化显示以及交互，并且可以面向前端的数据采集点实现有效的配置、管理和远程控制。本发明采用基于NB-IoT的上下行数据通信，可以充分利用NB-IoT的优点，具有专门的低功耗设计。本发明在后台的数据中心服务器设置了数据通信传输机制以及丰富的管理功能，可以实现对监测数据的查询与统计分析，也可以实现对前端的配置与远处控制。

附图说明

图1为本发明所述基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统整体结构示意图；

图2为本发明所述NB-IoT主控器的硬件结构示意图；

图3为本发明所述NB-IoT主控器的电源模块结构示意图；

图4为本发明所述NB-IoT主控器与数据中心服务器通信传输的流程示意图；

图5为本发明所述NB-IoT主控器图像采集流程示意图；

图6为本发明所述数据中心服务器的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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为本发明所述基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统整体结构示意图。本系统整体架构包括：数据采集终端、NB-IoT主控器、数据中心服务器以及管理客户端。

其中，数据采集终端和NB-IoT主控器远程安装在农业生产现场，主要负责现场环境参数信息和现场画面图像信息的采集，通过基于NB-IoT的无线通信实现与数据中心服务器的数据传输。其中，所述数据采集终端用于通过配置的多种类型的传感器感应农业生产的环境参数数据，并且将环境参数数据传输给NB-IoT主控器。所述NB-IoT主控器用于接收所述环境参数数据，以及通过连接该NB-IoT主控器的摄像头采集农业生产的现场画面数据，并且基于NB-IoT通信方式将所述环境参数数据和现场画面数据上传至数据中心服务器。所述数据中心服务器用于从所述NB-IoT主控器接收所述环境参数数据以及现场画面数据并进行存储，执行对环境参数数据的统计和分析；以及响应管理客户端的请求而向管理客户端提供所述环境参数数据、现场画面数据以及统计分析结果数据，从而提供了信息查询功能。所述管理客户端用于向用户提供图形化交互功能，获得以及向用户图形化显示所述环境参数数据、现场画面数据以及统计分析结果数据，使用户可以获得农业生产现场的环境和图像信息。管理客户端还接收用户输入的交互指令，并且根据交互指令向所述数据中心服务器传输远程控制命令和配置参数；数据中心服务器根据管理客户端的指令输入而向所述NB-IoT主控器发送远程控制命令和配置参数；NB-IoT主控器接收由数据中心服务器下达的远程控制命令和配置参数，根据远程控制命令控制所述数据采集终端执行数据采集，以及存储所述配置参数并基于该配置参数实现NB-IoT主控器自身配置，通过参数配置功能，用户可以很方便地根据实际需求为NB-IoT主控器配置不同的参数，例如状态数据告警的阈值、告警号码的设置和心跳包上传时间间隔等。

图2是NB-IoT主控器的硬件结构示意图。所述NB-IoT主控器包括：数据采集终端接口、摄像头接口、主控模块、NB-IoT通信模块、配置参数存储器模块、声光电路以及电源模块。

所述数据采集终端接口用于连接数据采集终端并接收所述数据采集终端发送的环境参数数据。所述摄像头接口用于连接摄像头并且接收摄像头输入的现场画面数据。所述主控模块接收所述环境参数数据和现场画面数据，并将所述环境参数数据和现场画面数据发送给所述NB-IoT通信模块；所述NB-IoT通信模块用于基于NB-IoT通信方式将所述环境参数数据和现场画面数据上传给所述数据中心服务器。所述主控模块进而通过NB-IoT通信模块接收远程控制命令，并且根据远程控制命令控制所述数据采集终端执行数据采集。所述主控模块进而通过NB-IoT通信模块接收配置参数，主控模块将所述配置参数存储在配置参数存储器模块；配置参数存储器模块的存储介质用于存储配置参数。用户可以根据需要自定义参数，配置参数包括：环境参数报警阈值、告警号码的设置和心跳包上传时间间隔、通信中断时间阈值等。例如，每一种农作物来说，环境参数变化应该在一定的适宜生长的阈值范围内，对不同的农作物设定不同的环境参数报警阈值，所述主控模块从配置参数存储器模块读取用户自定义的环境参数报警阈值，并且比较所述环境参数数据与环境参数报警阈值，在环境参数数据超出所述环境参数报警阈值时向所述NB-IoT通信模块发送自动报警数据。NB-IoT主控器按照心跳包上传时间间隔与数据中心服务器进行心跳包通信，检测二者的通信连接状态。所述配置参数包括通信中断时间阈值，并且所述NB-IoT主控器包括声光电路；当所述NB-IoT通信模块与所述数据中心服务器之间无法建立通信连接的时长大于等于所述通信中断时间阈值，所述主控模块控制NB-IoT主控器的声光电路发出声光报警信号。从而，本系统具有意外告警的功能，当现场环境数据超出用户设定的告警阈值或者当主控器与数据中心长时间无法建立连接时，系统自动进行告警。告警的方式有两种：声光告警和通信告警。通过这种方式可以检测现场环境的紧急情况，在第一时间提醒工作人员，以便及时处理，减少不必要的损失。可配置参数的设计使得系统可以更大程度满足不同的应用场景，具有参数动态可配置性。

主控模块还用于控制电源模块对所述NB-IoT主控器其它模块供电的导通和切断；所述电源模块在所述主控模块的控制下为所述NB-IoT主控器的各模块供电。参见图3，电源模块具体包括主电池接口、电池电压采样电路、第一稳压电源模块以及第二稳压电源模块。主电池接口连接常规干电池若干节，作为NB-IoT主控器的主电源。电池电压采样电路对主电池电压进行采样，采样电压信号输入至主控模块，以供主控模块判断主电池是否处于欠压状态。主控模块控制电池电压采样电路的工作与否，可以配置电压检测的时间间隔，不必时时检测，不检测时不对电压检测电路供电，从而节约了功耗。第一稳压电源模块的电源输入端连接所述主电池接口，获得主电池的供电，第一稳压电源模块的稳压供电输出端连接主控模块的电源引脚，为该主控模块提供稳压电源。第二稳压电源模块的电源输入端连接所述第一稳压供电输出端，获得供电；第二稳压电源模块的稳压供电输出端连接NB-IoT通信模块、配置参数存储器模块、声光电路的电源引脚，为以上部分提供稳压电源。并且，第二稳压电源模块的使能端连接主控模块的供电控制引脚；当供电控制引脚使使能端输入电平为0时，第二稳压电源模块的稳压供电输出端输出电压也为0；当供电控制引脚使使能端输入电平为1时，第二稳压电源模块的稳压供电输出端正常输出供电电压。从而，主控模块可以通过其供电控制引脚来控制第二稳压电源模块导通或切断供电。具体来说，当需要上行传输数据时，主控模块通过供电控制引脚控制第二稳压电源模块为NB-IoT通信模块导通供电，待NB-IoT通信模块启动后执行NB-IoT通信。NB-IoT通信模块建立与数据中心服务器的通信连接，然后向数据中心服务器执行数据上传；完成数据上传阶段后，NB-IoT通信模块继续等待来自数据中心服务器的下行数据传输，从而获得远程控制命令与配置参数。在一次上、下行通信过程结束之后，NB-IoT通信模块向主控模块反馈本次数据传输结束。从而，在不执行数据传输时，主控模块控制第二稳压电源模块断开供电，使NB-IoT通信模块处于断电状态，最大程度节约了电能消耗，通过4节五号电池可支持使用2年以上。主控模块可以判断环境参数变化是否大于阈值，如果大于阈值则控制第二稳压电源模块对NB-IoT通信模块供电，从而启动一次上、下行通信，实现告警消息的发送。类似，主控模块也通过第二稳压电源模块控制对配置参数存储器模块、声光电路的供电，以节约能耗。

下面参照图4介绍NB-IoT主控器实现与数据中心服务器的通信传输的工作过程。NB-IoT主控器作为无操作系统的嵌入式系统，其工作过程是由前台主循环和后台中断服务程序(ISR)组成的。主循环和中断服务程序之间的数据交换通过事件标志和数据缓冲区来实现。主循环中执行系统的主要任务，当有中断发生的时候系统会保存当前的程序现场，根据发生的中断类型执行相应的中断服务程序，中断任务完成之后再返回原来的主程序继续执行。NB-IoT主控器系统上电之后首先禁止总中断，防止在随后进行的芯片和硬件模块初始化过程中产生中断，影响系统正常的初始化；第二步就是完成初始化，内存分配管理，以及各硬件模块的初始化工作，初始化工作完成之后系统就可以打开并处理各种中断；第三步也是系统实现参数可配置的最重要的一步，就是读取FLASH中存储的可配置参数；成功获得参数之后第四步就是根据这些参数配置并初始化相应的模块，从而实现参数可配置，并且为接下来的通信做好准备。至此，微控制器的初始化工作已经全部完成，接下来可以处理系统的主要任务。主控器主要完成数据采集的功能，因此在主循环中主要包括5个任务：NB-IoT发送数据任务、NB-IoT接收数据任务、心跳包发送任务、信息采集任务以及NB-IoT链路检测任务。中断服务程序主要包括串口接收中断和定时器溢出中断。NB-IoT主控器的主控模块与NB-IoT通信模块之间通过串口进行通信，主控模块与NB-IoT通信模块之间数据的传输通过两个缓冲区——发送数据缓冲区和接收数据缓冲区来完成。当发送数据时，将要发送的数据放入指定的全局队列缓冲区中，NB-IoT发送数据任务将发送队列缓冲区中的数据通过串口发送给NB-IoT通信模块；接收数据时，当NB-IoT通信模块有数据到达的时候会产生串口中断，在串口中断中将数据放入接收队列缓冲区中而不做任何处理，这样做的目的是防止中断服务程序占用大量时间，影响主程序和其他中断任务的执行。NB-IoT接收数据模块负责从接收数据缓冲区中取出接收到的数据，根据通信协议解析并且执行解析之后得到的命令。

下面参照图5介绍NB-IoT主控器实现图像采集的工作过程。在进行拍照之前，摄像头首先要完成初始化工作，主要包括：(1)传感器初始化；(2)设置串口传输的波特率；(3)设置每一帧图像数据的大小(默认为512字节)；(4)设置所需拍摄的图片大小；(5)设置图片的压缩率。初始化工作完成之后就可以开始拍照.主控模块发送拍照命令，摄像头收到命令之后根据自身的状态做出应答，花费一定的时间完成拍照过程，然后向主控模块发送拍照完成命令，并且告知其所拍照片的实际大小。由于图像数据量比较大，因此将图像封装成数据帧的形式一帧一帧传输，主控模块根据照片的大小和每帧所含数据的大小计算出实际的数据帧数目，然后一帧一帧进行接收，直至最后一帧数据传输结束。由于图像大小不一，因此最后一个数据帧的大小是不确定的，其所含数据量为图像总大小除以每帧图像数据的余数。主控模块接收完数据之后存在自身FLASH中，并利用NB-IoT通信模块将图像数据传输给数据中心服务器。

如图6所示，所述数据中心服务器包括：网络通信模块，侦听模块和管理模块。

所述网络通信模块用于建立与所述NB-IoT主控器之间的通信连接。数据中心服务器与NB-IoT主控器实现上、下行数据通信。为了保证NB-IoT主控器和数据中心服务器之间通信的可靠性，本系统采用基于ACK确认机制的数据通信协议。由数据中心服务器主动发起数据帧，NB-IoT主控器收到数据帧之后进行处理，并且对每一个收到的数据帧都要发送确认帧，以便数据中心服务器端跟踪数据帧的传输和处理情况，防止由于通信不稳定造成丢帧。数据中心服务器向NB-IoT主控器主要发送两种类型的数据帧：命令帧和状态请求帧。对于命令帧，主控器返回命令执行的结果；对于状态请求帧，主控器在进行状态查询之后返回相应的状态数据帧，其中包含服务器请求的状态数据。通过命令帧，可以实现数据中心服务器对NB-IoT主控器的远程控制命令和配置参数的下达；通过状态请求帧，实现对NB-IoT主控器获得的环境参数数据和现场画面数据的上传。

所述侦听模块用于与所述NB-IoT主控器进行数据通信，处理从NB-IoT主控器接收的所述环境参数数据以及现场画面数据，以及向NB-IoT主控器发送所述远程控制命令和配置参数。该侦听模块服务运行于数据中心服务器，始终侦听相关端口，保持与主控器的通信。侦听模块负责与主控器直接进行通信，并且通过数据库和管理模块进行交互。具体来说，侦听模块使用多线程异步Socket机制，使得服务器的同一个端口可以与多个主控器进行通信。所述侦听模块具体包括：命令发送模块，用于将所述远程控制命令和配置参数封装为数据帧并发送给NB-IoT主控器；数据接收模块，用于接收NB-IoT主控器上传的封装所述环境参数数据以及现场画面数据的数据帧。

所述管理模块用于存储环境参数数据以及现场画面数据，并且执行对环境参数数据的统计和分析，设置NB-IoT主控器的配置参数，执行对主控器与用户的管理，以及向所述管理客户端提供图形化的数据显示与交互页面。所述管理模块具体包括：信息管理子模块，用于查询所存储的环境参数数据以及现场画面数据，并且执行对环境参数数据的统计和分析，生成数据报表；信息采集子模块，用于实时采集农业生产现场的环境参数数据以及现场画面数据；参数配置子模块，用于记录和管理针对所述NB-IoT主控器的配置参数；主控器管理子模块，用于记录NB-IoT主控器的设备管理维护信息，并进行设备管理维护信息的查询；用户管理子模块，用于记录用户信息及其操作记录，并设定用户权限。

如图6，所述数据中心服务器进一步包括数据库，所述数据库用于从所述NB-IoT主控器接收并存储环境参数数据以及现场画面数据，并且存储发送给所述NB-IoT主控器的远程控制命令和配置参数。如前文所述，数据中心服务器包括侦听模块和管理模块，它们相互独立，各司其职。但是作为整个系统，不同模块之间的交互必不可少，数据交互使得不同模块之间耦合在一起。管理模块将远程控制命令以及配置参数存储在数据库中，侦听模块周期性地扫描数据库，将未处理的远程控制命令从数据库中取出并下发给主控器；主控器将状态信息上传给侦听模块，经过简单解析之后，这些状态信息被存储在数据库中以供管理模块查询。

数据库具体可以分为网络通信层、数据处理层以及应用层。

网络通信层利用心跳包表记录所有主控器和服务器之间的通信质量和心跳包上传时间。主控器周期性地向服务器发送心跳包，每个心跳包都带有通信质量指数，服务器收到心跳包经过解析之后得到通信质量，同时记下该心跳包的时间。利用心跳包可以防止主控器与服务器之间长时间没有数据传输造成的掉线，也可以了解当前主控器和服务器之间的通信质量以及根据最近一次的心跳包时间判断主控器是否处于连接状态。

数据处理层具体包括：1)命令发送表，该表存储了所有向主控器发送的命令，这些命令包括未发送的、发送成功的和发送失败的，通过处理字段标识：0一未发出去；1-命令已经发送但没有收到应答；2-已经收到命令执行成功应答；3-已经收到命令执行失败应答。用户通过操作Web网页产生各种命令插入数据库中，侦听模块通过检测未发送的命令，将数据库中待发送的命令按照通信协议组成命令帧发送出去，并且将相应的处理标志置位。命令发送完之后的一段时间通过检测处理标志位就可以知道该命令的执行状态，从而通知用户命令执行的结果。2)现场状态表，该表用于存储主控器向服务器上传的现场状态信息，包括温度、光照强度和现场图片信息。侦听模块每次收到最新的状态帧会更新该表，由于图像数据比较大，一般不直接保存在数据库中，而是保存在固定的路径下，在数据库中仅保存图像路径和名称，这样可以防止数据库过度膨胀。状态统计和故障告警都要基于该表中的数据。

应用层具体包括：1)主控器信息表，主控器信息表用于存储由主控器配置信息，该部分信息和具体应用无关，包括该主控器的编号，NB-IoT模块对应的全球唯一IMEI号，主控器所连接数据中心服务器的IP地址和端口号，心跳包上传时间间隔以及协议、软件、硬件的版本号。2)应用程序信息配置表，应用程序信息配置表用于存储由应用程序配置信息，该部分信息与具体的应用程序相关，不同的应用场景可以定制不同的表，包括温度、光照告警信息的上下限，手机告警功能开关，手机告警号码以及声光告警开关。用户可以设置告警功能的开关，当现场的环境超过事先设定的上下限时，系统进行声光告警，并自动发短信给告警号码通知相关人员。3)状态统计表，用于存放状态统计的结果，方便用户进行查询。根据用户需求将环境因子分为不同等级，统计不同时段环境因子的范围。侦听模块根据表中的数据通过状态统计算法统计出每个数据采集终端在各个时段的状态，用户通过查询状态统计的结果，更好地掌握远程现场的第一手数据，从而进一步加强对远程现场的监测。4)用户信息表，该表用于存放所有用户的信息。最重要的功能是控制用户权限，不同的用户具有不同的权限，只有在权限范围内的用户才可以进行相应的操作。浏览器是每一台计算机都已具备的，如果不建立一个完整的权限检测机制的话，那么一个“非授权用户”很可能通过浏览器就能轻易访问到B/S系统中的所有功能。因此B/S系统都需要有一个或多个权限系统来实现访问权限控制，让经过授权的用户可以正常合法的使用已授权功能，而那将些未经授权的“非法用户”彻底地“拒之门外”。5)用户操作记录表，该表用于存放用户操作记录。不同的用户通过浏览器就可以登录到系统操作，将用户的操作记录下来，管理员可以在用户操作失误的时候查看用户操作记录，快速掌握情况，纠正用户的行为。

本发明可以面向空间广泛分布的农业生产现场实现环境数据的有效采集、传输、存储、分析、图形化显示以及交互，并且可以面向前端的数据采集点实现有效的配置、管理和远程控制。本发明采用基于NB-IoT的上下行数据通信，可以充分利用NB-IoT的优点，具有专门的低功耗设计。本发明在后台的数据中心服务器设置了数据通信传输机制以及丰富的管理功能，可以实现对监测数据的查询与统计分析，也可以实现对前端的配置与远处控制。

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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统，其特征在于，包括：数据采集终端、NB-IoT主控器、数据中心服务器以及管理客户端；其中，

所述数据采集终端用于通过配置的多种类型的传感器感应农业生产的环境参数数据，并且将环境参数数据传输给NB-IoT主控器；

所述NB-IoT主控器用于接收所述环境参数数据，以及采集农业生产的现场画面数据，并且基于NB-IoT通信方式将所述环境参数数据和现场画面数据上传至数据中心服务器，并且接收由数据中心服务器下达的远程控制命令和配置参数；

所述数据中心服务器用于从所述NB-IoT主控器接收所述环境参数数据以及现场画面数据并进行存储，执行对环境参数数据的统计和分析；以及响应管理客户端的请求而向管理客户端提供所述环境参数数据、现场画面数据以及统计分析结果数据；以及向所述NB-IoT主控器发送远程控制命令和配置参数；

所述管理客户端用于向用户提供图形化交互功能，获得以及向用户图形化显示所述环境参数数据、现场画面数据以及统计分析结果数据，接收用户输入的交互指令，并且根据交互指令向所述数据中心服务器传输所述远程控制命令和配置参数；

所述数据中心服务器进一步包括数据库，所述数据库用于从所述NB-IoT主控器接收并存储环境参数数据以及现场画面数据，并且存储发送给所述NB-IoT主控器的远程控制命令和配置参数；所述数据库具体包括网络通信层、数据处理层以及应用层，所述网络通信层利用心跳包表记录所有NB-IoT主控器和服务器之间的通信质量和心跳包上传时间，所述NB-IoT主控器周期性地向服务器发送心跳包，每个心跳包都带有通信质量指数，所述服务器收到心跳包经过解析之后得到通信质量，同时记下该心跳包的时间；

所述NB-IoT主控器包括主控模块、电源模块，所述主控模块通过供电控制引脚连接电源模块，并且通过所述供电控制引脚控制所述电源模块供电的导通与切断状态；

电源模块具体包括主电池接口、电池电压采样电路、第一稳压电源模块以及第二稳压电源模块，所述主电池接口作为NB-IoT主控器的主电源，所述电池电压采样电路对主电池电压进行采样，采样电压信号输入至主控模块，以供所述主控模块判断主电池是否处于欠压状态，所述主控模块控制所述电池电压采样电路的工作与否，配置电压检测的时间间隔，

其中第一供电输出端用于为所述主控模块供电；第二供电输出端用于为所述NB-IoT主控器以外的模块供电；并且电源模块根据所述供电控制引脚的状态控制所述第二供电输出端供电的导通和切断。

2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统，其特征在于，所述NB-IoT主控器还包括：数据采集终端接口、摄像头接口、NB-IoT通信模块和配置参数存储器模块；所述数据采集终端接口用于连接数据采集终端并接收所述数据采集终端发送的环境参数数据；所述摄像头接口用于连接摄像头并且接收摄像头输入的现场画面数据；所述主控模块接收所述环境参数数据和现场画面数据，并将所述环境参数数据和现场画面数据发送给所述NB-IoT通信模块；所述主控模块通过NB-IoT通信模块接收远程控制命令和配置参数，并且根据远程控制命令控制所述数据采集终端执行数据采集，以及将所述配置参数存储在配置参数存储器模块；所述NB-IoT通信模块用于基于NB-IoT通信方式将所述环境参数数据和现场画面数据上传给所述数据中心服务器。

3.根据权利要求2所述的基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统，其特征在于，所述配置参数包括用户自定义的环境参数报警阈值，所述主控模块从配置参数存储器模块读取用户自定义的环境参数报警阈值，并且比较所述环境参数数据与环境参数报警阈值，在环境参数数据超出所述环境参数报警阈值时向所述NB-IoT通信模块发送自动报警数据。

4.根据权利要求2所述的基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统，其特征在于，所述配置参数包括通信中断时间阈值，并且所述NB-IoT主控器包括声光电路；当所述NB-IoT通信模块与所述数据中心服务器之间无法建立通信连接的时长大于等于所述通信中断时间阈值，所述主控模块控制NB-IoT主控器的声光电路发出声光报警信号。

5.根据权利要求1所述的基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统，其特征在于，所述数据中心服务器包括：网络通信模块，侦听模块和管理模块；所述网络通信模块用于建立与所述NB-IoT主控器之间的通信连接；所述侦听模块用于与所述NB-IoT主控器进行数据通信，处理从NB-IoT主控器接收的所述环境参数数据以及现场画面数据，以及向NB-IoT主控器发送所述远程控制命令和配置参数；所述管理模块用于存储环境参数数据以及现场画面数据，并且执行对环境参数数据的统计和分析，设置NB-IoT主控器的配置参数，执行对主控器与用户的管理，以及向所述管理客户端提供图形化的数据显示与交互页面。

6.根据权利要求5所述的基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统，其特征在于，所述侦听模块具体包括：

命令发送模块，用于将所述远程控制命令和配置参数封装为数据帧并发送给NB-IoT主控器；数据接收模块，用于接收NB-IoT主控器上传的封装所述环境参数数据以及现场画面数据的数据帧。

7.根据权利要求5所述的基于NB-IoT实现的低功耗智能农业数据采集系统，其特征在于，所述管理模块具体包括：

信息管理子模块，用于查询所存储的环境参数数据以及现场画面数据，并且执行对环境参数数据的统计和分析，生成数据报表；

信息采集子模块，用于实时采集农业生产现场的环境参数数据以及现场画面数据；

参数配置子模块，用于记录和管理针对所述NB-IoT主控器的配置参数；

主控器管理子模块，用于记录NB-IoT主控器的设备管理维护信息，并进行设备管理维护信息的查询；

用户管理子模块，用于记录用户信息及其操作记录，并设定用户权限。