CN109246645A - 基于大数据的农业种植环境智能监控系统 - Google Patents

基于大数据的农业种植环境智能监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于大数据的农业种植环境智能监控系统，包括：农业种植环境监测模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量感知数据进行采集，并将采集得到的土壤质量感知数据发送至数据预处理模块；数据预处理模块，被配置为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至大数据管理模块处进行存储；大数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；远程数据分析中心，被配置为将土壤质量感知数据与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；报警模块，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量感知数据大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息。

Description

基于大数据的农业种植环境智能监控系统
技术领域
本发明涉及土壤监测技术领域，具体涉及基于大数据的农业种植环境智能监控系统。
背景技术
现有技术中，信息化技术在推动农业的发展上越来越受到重视。无线传感器网络是实现农业信息化的重要手段，无线传感器网络技术集传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，能够通过各类微型传感器节点间的协作、实时感知和采集被监测对象的信息。
发明内容
针对上述问题，本发明提供基于大数据的农业种植环境智能监控系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了基于大数据的农业种植环境智能监控系统，包括：
农业种植环境监测模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量感知数据进行采集，并将采集得到的土壤质量感知数据发送至数据预处理模块；
数据预处理模块，被配置为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至大数据管理模块处进行存储；
大数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；
远程数据分析中心，被配置为将土壤质量感知数据与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；
报警模块，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量感知数据大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息。
优选地，所述大数据管理模块包括：
元数据管理单元，被配置为元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，被配置为对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，被配置为根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；
所述相关数据包括所述土壤质量感知数据、所述元数据。
本发明的有益效果为：基于大数据和无线传感器网络技术，实现了农田土壤质量的监测，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在土壤质量感知数据不满足条件时及时预警，提高了农田监测的自动化程度以及数据采集精度。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的基于大数据的农业种植环境智能监控系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的数据预处理模块的结构示意框图。
附图标记：
农业种植环境监测模块1、数据预处理模块2、大数据管理模块3、远程数据分析中心4、报警模块5、第一预处理单元10、第二预处理单元20。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本发明实施例提供了基于大数据的农业种植环境智能监控系统，包括：
农业种植环境监测模块1，用于对反应农田环境情况的土壤质量感知数据进行采集，并将采集得到的土壤质量感知数据发送至数据预处理模块；数据预处理模块2，被配置为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至大数据管理模块3处进行存储；大数据管理模块3，被配置为对存储的数据进行管理；远程数据分析中心4，被配置为将土壤质量感知数据与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；报警模块5，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量感知数据大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息。
其中，所述农业种植环境监测模块1包括汇聚节点和多个采集所监测位置的土壤质量感知数据的传感器节点，传感器节点采集的土壤质量感知数据最终发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚所接收的土壤质量感知数据，并发送至所述数据预处理模块2。
在一种可能实现的方式中，所述大数据管理模块3包括：
元数据管理单元，被配置为元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，被配置为对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，被配置为根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；
所述相关数据包括所述土壤质量感知数据、所述元数据。
在一种能够实现的方式中，如图2所示，数据预处理模块2包括第一预处理单元10和第二预处理单元20，第一预处理单元10被配置为对接收的土壤质量感知数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理；第二预处理单元20被配置为对土壤质量感知数据进行缺失检测，并对检测出的缺失序列进行数据填补。
本发明上述实施例设计的农田土壤质量智能可靠监测系统，实现了农田土壤质量的监测，能够实时将土壤的情况进行记录和分析，在土壤质量感知数据不满足条件时及时预警，提高了农田监测的自动化程度以及数据采集精度。
在一种能够实现的方式中，传感器节点可在[Xmin，Xmax]的范围内调节自身的通信距离，初始时，各传感器节点调节自身的通信距离为Xmax，其中Xmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Xmax为传感器节点可调节的最大通信距离；传感器节点在初始时确定将土壤质量感知数据传输至汇聚节点的传输方式，并根据所述传输方式将土壤质量感知数据传输至汇聚节点，具体为：
(1)网络初始化时，传感器节点接收汇聚节点的广播信息，通过广播信息进行网络泛洪，传感器节点添加所有邻居节点到自身的邻居表，其中邻居节点为位于传感器节点通信距离范围内的其他传感器节点；
(2)传感器节点判断自身是否满足直接传输数据条件，若满足，传感器节点直接将采集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点，若不满足直接传输数据条件，则从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，将采集的土壤质量感知数据发送至下一跳节点；其中，所述的直接传输数据条件为：
式中，Y(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，为与传感器节点i距离最近的邻居节点，为与传感器节点i距离次近的邻居节点，为所述最近的邻居节点到汇聚节点的距离，为所述次近的邻居节点到汇聚节点的距离，为判断取值函数，当 时，当时，
本实施例中，传感器节点基于通信距离确定邻居表，并在初始时确定将土壤质量感知数据传输至汇聚节点的传输方式，以根据所述传输方式将土壤质量感知数据传输至汇聚节点。在确定传输方式时，本实施例创造性地设定了直接传输数据条件，根据该直接传输数据条件可知，当传感器节点的通信距离小于其到汇聚节点的距离，且相对于其邻居节点距离汇聚节点更近时，与汇聚节点直接通信，选择直接发送的形式将土壤质量感知数据直接传输至汇聚节点，否则与汇聚节点间接通信，按照多跳转发的形式转发土壤质量感知数据。
本实施例按照传感器节点的实际位置情况确定路由方式，保障了路由的灵活性，有利于提高土壤质量感知数据发送至汇聚节点的可靠性，降低丢包率，且能够尽可能地减少传感器节点发送土壤质量感知数据的能耗。
在一种能够实现的方式中，传感器节点从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，具体包括：
(1)传感器节点将与其距离最近的传感器节点、与其距离次近的传感器节点作为下一跳节点的备选节点；
(2)传感器节点向其两个备选节点发送竞选消息，该两个备选节点在接收到所述竞选消息后计算等待时间：
式中，Hik表示传感器节点i的第k个备选节点计算的等待时间，Pik为所述第k个备选节点的当前剩余能量，Piko为所述第k个备选节点的初始能量，Y(k，sink)为所述第k个备选节点到汇聚节点的距离，Y(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，Y(i，k)为传感器节点i与该第k个备选节点的距离，Xi为传感器节点i的通信距离，H1为预设的基于能量的等待时间，H2为预设的基于距离的等待时间；q1、q2为设定的权重系数；
(3)备选节点按照等待时间启动计时器，计时结束后向传感器节点i发送反馈消息；
(4)传感器节点i将接收到的第一个反馈消息所对应的备选节点作为下一跳节点。
本实施例提出了下一跳节点的选择机制，基于该机制，传感器节点从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点时，将与其距离最近的传感器节点、与其距离次近的传感器节点作为下一跳节点的备选节点，向各备选节点发送竞选消息，并以收到备选节点的反馈消息的时间顺序确定下一跳节点。
其中通过等待时间的设计，能够将备选节点的等待时间控制在一个合理的范围内，并且能够使得剩余能量较多且位置优势更好的备选节点具有较短的等待时间，从而使得该备选节点具有更大的概率充当传感器节点的下一跳节点，以提高土壤质量感知数据多跳转发的可靠性。
在一种能够实现的方式中，初始时，汇聚节点收集各传感器节点的初始能量信息，并根据初始能量信息计算网络平均能量；各传感器节点确定将土壤质量感知数据传输至汇聚节点的传输方式后，按照确定的传输方式建立其到汇聚节点的路由路径，与汇聚节点直接通信的传感器节点接收由汇聚节点发送的网络平均能量信息；与汇聚节点直接通信的传感器节点按照设定的周期周期性地根据自身的当前剩余能量和网络平均能量信息定期更新自己的通信距离，并根据更新后的通信距离更新自己的邻居表，以及重新确定将土壤质量感知数据传输至汇聚节点的传输方式。
所述通信距离的更新方式为：
式中，Xj(t)为与汇聚节点直接通信的传感器节点j在第t个周期更新的通信距离，Pj0为与所述传感器节点j的初始能量，Pj(t)为所述传感器节点j在第t个周期更新通信距离时的当前剩余能量，Pavg为所述网络平均能量，Xmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Xmax为传感器节点可调节的最大通信距离，D为基于能耗的通信距离影响因子，D的取值范围为[0.8，0.9]。
本实施例中，与汇聚节点直接通信的传感器节点按照设定的周期周期性地根据自身的当前剩余能量定期更新自己的通信距离。
本实施例相应地提出了通信距离的更新公式。通过该更新公式可知，与汇聚节点直接通信的传感器节点随着能耗的增加逐渐减小自己的通信距离。通过周期性地调节通信距离的方式，本实施例能够使得与汇聚节点直接通信的传感器节点及时更新将土壤质量感知数据传输至汇聚节点的传输方式，提高了路由的灵活性，有利于降低传感器节点传输土壤质量感知数据的能耗速率，避免传感器节点因维持固定的传输方式而导致能耗快速增加，从而进一步保障无线传感器网络的稳定性，提高土壤质量感知数据传输至汇聚节点的可靠度。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.基于大数据的农业种植环境智能监控系统，其特征是，包括：
农业种植环境监测模块，用于对反应农田环境情况的土壤质量感知数据进行采集，并将采集得到的土壤质量感知数据发送至数据预处理模块；
数据预处理模块，被配置为对接收的土壤质量感知数据进行预处理，并发送至大数据管理模块处进行存储；
大数据管理模块，被配置为对存储的数据进行管理；
远程数据分析中心，被配置为将土壤质量感知数据与设定的安全阈值进行比较并输出比较结果；
报警模块，被配置为接收所述比较结果，并在土壤质量感知数据大于设定的安全阈值时向设定的用户终端输出报警信息；
其中，所述农业种植环境监测模块包括汇聚节点和多个采集所监测位置的土壤质量感知数据的传感器节点，传感器节点采集的土壤质量感知数据最终发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚所接收的土壤质量感知数据，并发送至所述数据预处理模块。
2.根据权利要求1所述的基于大数据的农业种植环境智能监控系统，其特征是，所述大数据管理模块包括：
元数据管理单元，被配置为元数据的添加、删除和更新；
数据融合单元，被配置为对相关数据进行融合处理；
数据查询单元，被配置为根据用户自定义的查询条件实时查询相关数据；
所述相关数据包括所述土壤质量感知数据、所述元数据。
3.根据权利要求1或2所述的基于大数据的农业种植环境智能监控系统，其特征是，数据预处理模块包括第一预处理单元，第一预处理单元被配置为对接收的土壤质量感知数据进行异常检测，并将检测出的异常数据进行修正处理。
4.根据权利要求3所述的基于大数据的农业种植环境智能监控系统，其特征是，数据预处理模块还包括第二预处理单元，第二预处理单元被配置为对土壤质量感知数据进行缺失检测，并对检测出的缺失序列进行数据填补。
5.根据权利要求1所述的基于大数据的农业种植环境智能监控系统，其特征是，所述传感器节点包括土壤重金属传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、土壤酸碱度传感器、土壤盐分传感器、地下水重金属传感器、地下水温度传感器中的一种或多种传感器。
6.根据权利要求1所述的基于大数据的农业种植环境智能监控系统，其特征是，传感器节点可在[Xmin,Xmax]的范围内调节自身的通信距离，初始时，各传感器节点调节自身的通信距离为Xmax，其中Xmin为传感器节点可调节的最小通信距离，Xmax为传感器节点可调节的最大通信距离；传感器节点在初始时确定将土壤质量感知数据传输至汇聚节点的传输方式，并根据所述传输方式将土壤质量感知数据传输至汇聚节点，具体为：
(1)网络初始化时，传感器节点接收汇聚节点的广播信息，通过广播信息进行网络泛洪，传感器节点添加所有邻居节点到自身的邻居表，其中邻居节点为位于传感器节点通信距离范围内的其他传感器节点；
(2)传感器节点判断自身是否满足直接传输数据条件，若满足，传感器节点直接将采集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点，若不满足直接传输数据条件，则从其邻居表中选择一个邻居节点作为下一跳节点，将采集的土壤质量感知数据发送至下一跳节点；其中，所述的直接传输数据条件为：
式中，Y(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，为与传感器节点i距离最近的邻居节点，为与传感器节点i距离次近的邻居节点，为所述最近的邻居节点到汇聚节点的距离，为所述次近的邻居节点到汇聚节点的距离，为判断取值函数，当 时，当时，
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