CN109450994B - 基于大数据的农业环境智能监控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于大数据的农业环境智能监控系统，包括：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预处理模块；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；监控终端，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环境智能监控系统，包括：
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预处理模块；
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；
监控终端，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预处理模块的结构示意框图。
附图标记：
环境监测模块1、预处理模块2、大数据管理模块3、监控终端4、报警模块5、第一处理单元10、第二处理单元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环境智能监控系统，包括：
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预处理模块；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；监控终端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，预处理模块2包括第一处理单元10和第二处理单元20，第一处理单元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，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范围内的其他传感器节点；
在土壤质量感知数据传输阶段，传感器节点与汇聚节点的距离为单跳距离时，直接将采集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点，传感器节点与汇聚节点的距离不为单跳距离时，传感器节点通过多跳的形式将采集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点。
在一种实施方式中，与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点确定下一跳节点时，具体执行：
(1)传感器节点接收到汇聚节点定期发送的下一跳节点确认消息后，计算等待时间：
Figure BDA0001840847390000031
式中，Pi为传感器节点i计算的等待时间，i＝1，...，N，N为网络内传感器节点的数量，Pmin和Pmax是两个提前设定的时间参数，分别为最小等待时间、最大等待时间，Si、Sio分别为传感器节点i的剩余能量、初始能量，H(i，sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，Wi为传感器节点i的通信距离；L1、L2为设定的权重系数，满足0＜L1＜L2≤1且L1+L2＝1；
(2)任意传感器节点i等待Pi后，向通信范围内的其他传感器节点发送竞选消息；
(3)与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点将接收到的第一个竞选消息所对应的邻居节点作为下一跳节点。
本实施例提出了一种新的路由协议，与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点根据该路由协议选择下一跳节点，以将采集的土壤质量感知数据发送至该下一跳节点，其中通过等待时间的设计，能够将邻居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距离汇聚节点较近的邻居节点具有较短的等待时间，从而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。本实施例通过由邻居节点自行计算等待时间，使得传感器节点之间省略了位置、能量信息、通信半径的信息交互，提高了确定下一跳节点的效率，节省了传感器节点的能量。
其中，各传感器节点再一次接收到汇聚节点发送的下一跳节点确认消息时，与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点将重新确定下一跳节点。通过下一跳节点的定期选择，有利于均衡各传感器节点的能量消耗，延长无线传感器网络的生命周期。
在一个实施例中，下一跳节点根据当前剩余能量确定是否向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，接收到该反馈消息的上一跳传感器节点，临时在邻居表中选择当前剩余能量的最大的邻居节点作为下一跳节点。
在一种实施方式中，下一跳节点根据当前剩余能量确定是否向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，包括：下一跳节点定期根据当前剩余能量计算其通信距离阈值，当计算的通信距离阈值小于其与上一跳传感器节点的距离时，下一跳节点向上一跳传感器节点发送反馈消息，
其中，设定通信距离阈值的计算公式为：
Figure BDA0001840847390000041
式中，Wi(t)为传感器节点i的下一跳节点j在第t个周期计算的通信距离阈值，
Figure BDA0001840847390000042
为传感器节点i可调节的最大通信距离，
Figure BDA0001840847390000043
为传感器节点i可调节的最小通信距离，Si为传感器节点i的当前剩余能量，Si0为传感器节点i的初始能量，q为预设的调节因子，q的取值范围为[0.9，0.95]。
本实施例中下一跳节点定期根据当前剩余能量计算其通信距离阈值，当计算的通信距离阈值小于其与上一跳传感器节点的距离时，下一跳节点向上一跳传感器节点发送反馈信息，以使上一跳传感器节点重新选择下一跳节点，其中根据下一跳节点的当前剩余能量设定了通信距离阈值的设定公式。本实施例通过让能量较低的下一跳节点避免继续承担中继转发的任务，有利于降低下一跳节点消耗能量的速率，避免下一跳节点快速失效，有效延长了下一跳节点的工作周期。
在一种实施方式中，下一跳节点根据当前剩余能量确定是否向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，包括：当下一跳节点的当前剩余能量满足预警条件时，下一跳节点向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，其中所述预警条件为：
Figure BDA0001840847390000044
式中，Sij为传感器节点i的下一跳节点j的当前剩余能量，Sjk0为下一跳节点j的第k个邻居节点的当前剩余能量，nj为下一跳节点j的邻居节点数量，Smin为预设的能量下限值。
本实施例创新性地设定了基于预警条件的自发暂停中继任务的机制，该机制使得下一跳节点在其当前剩余能量满足预警条件时向其对应的上一跳传感器节点即时发送反馈消息，进而上一跳传感器节点基于该反馈消息临时重新选择当前剩余能量的最大的邻居节点作为下一跳节点。本实施例能够避免承担中继任务的下一跳节点因能量的缩减快速失效，有利于进一步提高土壤质量感知数据传输至汇聚节点的可靠性。
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 (5)

1.基于大数据的农业环境智能监控系统，其特征是，包括：
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预处理模块；
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；
监控终端，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，并发送至所述预处理模块；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范围内的其他传感器节点；
在土壤质量感知数据传输阶段，传感器节点与汇聚节点的距离为单跳距离时，直接将采集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点，传感器节点与汇聚节点的距离不为单跳距离时，传感器节点通过多跳的形式将采集的土壤质量感知数据发送至汇聚节点；与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点确定下一跳节点时，具体执行：
(1)传感器节点接收到汇聚节点定期发送的下一跳节点确认消息后，计算等待时间：
Figure FDA0002927795980000011
式中，Pi为传感器节点i计算的等待时间，i＝1,…,N，N为网络内传感器节点的数量，Pmin和Pmax是两个提前设定的时间参数，分别为最小等待时间、最大等待时间，Si、Sio分别为传感器节点i的剩余能量、初始能量，H(i,sink)为传感器节点i到汇聚节点的距离，Wi为传感器节点i的通信距离；L1、L2为设定的权重系数，满足0<L1<L2≤1且L1+L2＝1；
(2)任意传感器节点i等待Pi后，向通信范围内的其他传感器节点发送竞选消息；
(3)与汇聚节点的距离不为单跳距离的传感器节点将接收到的第一个竞选消息所对应的邻居节点作为下一跳节点；
下一跳节点根据当前剩余能量确定是否向其对应的上一跳传感器节点发送反馈消息，接收到该反馈消息的上一跳传感器节点，临时在邻居表中选择当前剩余能量的最大的邻居节点作为下一跳节点，包括：下一跳节点定期根据当前剩余能量计算其通信距离阈值，当计算的通信距离阈值小于其与上一跳传感器节点的距离时，下一跳节点向上一跳传感器节点发送反馈消息，
其中，设定通信距离阈值的计算公式为：
Figure FDA0002927795980000021
式中，Wi(t)为传感器节点i的下一跳节点j在第t个周期计算的通信距离阈值，
Figure FDA0002927795980000022
为传感器节点i可调节的最大通信距离，
Figure FDA0002927795980000023
为传感器节点i可调节的最小通信距离，Si为传感器节点i的当前剩余能量，Si0为传感器节点i的初始能量，q为预设的调节因子，q的取值范围为[0.9,0.95]。
2.根据权利要求1所述的基于大数据的农业环境智能监控系统，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环境智能监控系统，其特征是，预处理模块包括第一处理单元，第一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环境智能监控系统，其特征是，预处理模块还包括第二处理单元，第二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。
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