CN111787122A - 一种用于农业物联网无线组网的通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于农业物联网无线组网的通信系统及方法，其中涉及的一种用于农业物联网无线组网的通信系统，包括：终端节点、网关节点、云平台；所述终端节点，用于获取与农业相关的数据信息，并将所述获取到的数据信息发送至网关节点；所述网关节点，与数个终端节点通信连接，用于接收终端节点发送的数据信息，并将所述数据信息发送至云平台；所述云平台，与数个网关节点通信连接，用于接收网关节点发送的数据信息，并存储接收到的数据信息。本发明中终端节点与网关节点之间能够进行双向通信，网关节点与云平台之间能够进行双向通信，能够将终端采集到的数据准确、及时地传送到云端，方便农业工作者远程获取农业信息。

Description

一种用于农业物联网无线组网的通信系统及方法

技术领域

本发明涉及农业信息技术领域，尤其涉及一种用于农业物联网无线组网的通信系统及方法。

背景技术

农业物联网的构建对于准确、及时、快速地采集田间信息，减少农业生产过程中的人力投入具有实际意义。农业物联网成为研究和发展的热点，但由于农业环境的特殊性，尤其是网络资源的相对匮乏，使得农业物联网的发展受到限制。目前的农业物联网依旧存在架构不合理、规模小、管理不方便、通信效率低等一系列问题。在架构设计上，现在的农业物联网多进行小范围组网和管控，不能与云端形成良好的对接，不利于大规模投入使用和管理，也不利于海量数据的存储与利用；在通信方式的选择上，多采用Zigbee、Lora、GPRS等方式，虽然满足了低功耗的要求，但在距离或数据传输速度上存在局限性，实时性低，速度慢；在通信协议方面，虽然有MQTT、CoAP等轻量级的物联网协议可供选择，但在使用时，依旧存在灵活性低或不适用的情况。

因此，本发明提出一种用于农业物联网无线组网的通信系统及方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种用于农业物联网无线组网的通信系统及方法。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于农业物联网无线组网的通信系统，包括：终端节点、网关节点、云平台；

所述终端节点，用于获取与农业相关的数据信息，并将所述获取到的数据信息发送至网关节点；

所述网关节点，与数个终端节点通信连接，用于接收终端节点发送的数据信息，并将所述数据信息发送至云平台；

所述云平台，与数个网关节点通信连接，用于接收网关节点发送的数据信息，并存储接收到的数据信息。

进一步的，所述云平台，还用于向网关节点发送数据请求；

所述网关节点，还用于接收云平台发送的数据请求，并将所述数据请求发送至终端节点；

所述终端节点，还用于接收网关节点发送的数据请求，并对所述数据请求进行处理。

进一步的，所述网关节点与数个终端节点进行通信是通过WIFI建立第一TCP通信协议，所述第一TCP通信协议的报文格式按顺序依次包括固定报头、可变报头、有效载荷；

固定报头占1个字节，其中7-4位表示报文类型，报文类型包括请求CALL和响应REPLY两种；3-0位表示报文标志，报文标志包括请求CALL类型的心跳请求PINGCALL和数据请求DATACALL、响应REPLY类型的心跳响应PONGREPLY和数据发送DATASEND；

可变报头占1个字节，表示终端节点号TID；当报文标志为数据请求DATACALL、心跳响应PONGREPLY和数据发送DATASEND时，协议报文中包含可变报头；当报文标志是心跳请求PINGCALL时，协议报文中不包括可变报头；

当TCP通信协议的报文标志为数据发送DATASEND时，协议报文包括有效载荷，有效载荷包含一条或多条记录，一条记录包括剩余标志位、数据类型、数据长度、有效数据，剩余标志位和数据类型合占1个字节，7位表示剩余标志位，代表接下来是否还有下一条记录，6-0位表示数据类型，数据长度占4个字节，表示有效数据的长度，有效数据表示实际数据，是与数据类型对应的具体数据。

进一步的，所述云平台与数个网关节点进行通信是通过通信网络建立的第二TCP通信协议，所述第二TCP通信协议的报文格式按顺序依次是固定报头、可变报头、有效载荷；

固定报头占2个字节，其中第1字节的7-4位表示报文类型，报文类型包括请求CALL和响应REPLY两种；第1字节的3-0位表示报文标志，报文标志包括请求CALL类型的连接请求CONCALL、断连请求DISCONCALL、心跳请求PINGCALL和数据请求DATACALL以及响应REPLY类型的连接响应CONREPLY、断连响应DISCONREPLY、心跳响应PONGREPLY、数据响应DATAREPLY和数据发送DATASEND；第2字节表示报文标识符XID；

可变报头占1个字节，当报文标志为数据请求DATACALL和数据发送DATASEN)时，表示终端节点号TID；当报文标志为除数据发送DATASEND外的其他响应REPLY类报文标志时，表示响应状态，其中响应状态包括接受ACCEPT和拒绝DENY两种；当报文标志是连接请求CONCALL、断连请求DISCONCALL、心跳请求PINGCALL时，报文中不具有可变报头；

当报文标志为数据发送DATASEND时，报文包含有效载荷，有效载荷包含一条或多条记录，一条记录包括剩余标志位、数据类型、数据长度、有效数据，剩余标志位和数据类型合占1个字节，7位表示剩余标志位，代表接下来是否还有下一条记录，6-0位表示数据类型，数据长度占4个字节，表示有效数据的长度，有效数据表示实际数据，是与数据类型对应的具体数据。

进一步的，所述网关节点将数据请求发送至终端节点是通过广播形式进行发送的。

进一步的，当网关节点对与网关节点相连的数个终端节点发出心跳请求时，与网关节点相连的所有的终端节点均做出心跳响应；当网关节点对与网关节点相连的数个终端节点发出数据请求时，与网关节点相连的所有终端节点根据报文中的终端节点号TID进行判断，若终端节点号与报文中的终端节点号TID一致，则终端节点执行所述数据请求数据。

进一步的，所述云平台向网关节点发送数据请求后还包括：

判断模块，用于判断在预设请求次数阈值是否接收到网关节点发送的响应数据，若否，则表示通信异常。

相应的，还提供一种用于农业物联网无线组网的通信方法，包括步骤：

S1.云平台向网关节点发送数据请求；

S2.网关节点接收云平台发送的数据请求，并将所述数据请求发送至终端节点；

S3.终端节点接收网关节点发送的数据请求，并对所述数据请求进行处理。

进一步的，还包括步骤：

S4.终端节点获取与农业相关的数据信息，并将所述获取到的数据信息发送至网关节点；

S5.网关节点接收终端节点发送的数据信息，并将所述数据信息发送至云平台；

S6.云平台接收网关节点发送的数据信息，并存储接收到的数据信息。

进一步的，所述云平台向网关节点发送数据请求后还包括：

判断在预设请求次数阈值是否接收到网关节点发送的响应数据，若否，则表示通信异常。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明中终端节点与网关节点之间能够进行双向通信，网关节点与云平台之间能够进行双向通信，能够将终端采集到的数据准确、及时地传送到云端，方便农业工作者远程获取农业信息。

2.本发明中的通信协议具有轻量、可靠的特点，可以减少在数据传输过程中的网络开销，节约网络资源。

3.本发明中终端节点与网关节点通过WIFI通信，网关节点与云平台之间通过4G及以上网络通信，结合本发明中所设计的通信协议，数据传输速度快，传输效率高，可以应用于数据传输量大、实时性要求高的农业物联网系统。

附图说明

图1是实施例一提供的一种用于农业物联网无线组网的通信系统结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种用于农业物联网无线组网的通信系统及方法。

实施例一

本实施例提供一种用于农业物联网无线组网的通信系统，如图1所示，包括：终端节点13、网关节点12、云平台11；

终端节点13，用于获取与农业相关的数据信息，并将获取到的数据信息发送至网关节点；

网关节点12，与数个终端节点通信连接，用于接收终端节点发送的数据信息，并将所述数据信息发送至云平台；

云平台11，与数个网关节点通信连接，用于接收网关节点发送的数据信息，并存储接收到的数据信息。

在本实施例中，云平台11还用于向网关节点发送数据请求；网关节点12还用于接收云平台发送的数据请求，并将数据请求发送至终端节点；终端节点13还用于接收网关节点发送的数据请求，并对数据请求进行处理。

在本实施例中，由终端节点13、网关节点12、云平台11共同构建形成的农业物联网，进而快速将终端采集到的数据准确、及时地传送到云平台，方便农业工作者远程获取农业信息。

终端节点13的主要功能是在农业环境中获取携带农业信息的数据；网关节点12的主要功能是与终端节点或云平台进行通信协议转换和数据转发；云平台11的主要功能是发送指令、接收数据和保存数据。

一个云平台可与N个网关节点建立无线连接，N≥1；一个网关节点可与M个终端节点建立无线连接，1≤M≤24。

在本实施例中，多个终端节点与网关节点进行区域性组网，通过WIFI建立TCP连接，并按照终端-网关通信协议进行双向通信。

终端-网关通信协议的报文格式包括三个部分，按顺序依次是固定报头、可变报头、有效载荷，所有报文必须包含固定报头，部分报文包含可变报头和有效载荷，报文格式见表1。

表1

固定报头占1个字节，7-4位表示报文类型，具体有请求(CALL)和响应(REPLY)两种，见表2；3-0位表示报文标志，具体有属于请求(CALL)类型的心跳请求(PINGCALL)和数据请求(DATACALL)以及属于响应(REPLY)类型的心跳响应(PONGREPLY)和数据发送(DATASEND)，见表3；可变报头占1个字节，表示终端节点号(TID)，当报文标志为数据请求(DATACALL)、心跳响应(PONGREPLY)和数据发送(DATASEND)时，报文中必须包含可变报头，当报文标志是心跳请求(PINGCALL)时，报文中不具有可变报头，见表4。

表2

表3

表4

当报文标志为数据发送(DATASEND)时，报文包含有效载荷，有效载荷包含一条或多条记录，一条记录包括剩余标志位、数据类型、数据长度、有效数据，剩余标志位和数据类型合占1个字节，7位表示剩余标志位，代表接下来是否还有下一条记录，6-0位表示数据类型，数据类型根据实际情况定义，可以是温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、作物图像、害虫图像及其他与农业信息相关的数据，数据长度占4个字节，表示有效数据的长度，有效数据表示实际数据，是与数据类型对应的具体数据，见表5。

表5

多个网关节点与云平台之间通过4G及以上网络建立TCP连接，并按照网关-云平台通信协议进行双向通信。

网关-云平台通信协议的报文格式包括三个部分，按顺序依次是固定报头、可变报头、有效载荷，所有报文必须包含固定报头，部分报文包含可变报头和有效载荷，见表6。

表6

固定报头占2个字节，第1字节7-4位表示报文类型，具体有请求(CALL)和响应(REPLY)两种，见表7；第1字节3-0位表示报文标志，具体有属于请求(CALL)类型的连接请求(CONCALL)、断连请求(DISCONCALL)、心跳请求(PINGCALL)和数据请求(DATACALL)，以及属于响应(REPLY)类型的连接响应(CONREPLY)、断连响应(DISCONREPLY)、心跳响应(PONGREPLY)、数据响应(DATAREPLY)和数据发送(DATASEND)，见表8；第2字节表示报文标识符(XID)，一次请求-响应的报文具有相同的报文标识符(XID)。

表7

表8

可变报头占1个字节，当报文标志为数据请求(DATACALL)和数据发送(DATASEND)时，表示终端节点号(TID)，当报文标志为除数据发送(DATASEND)外的其他响应(REPLY)类报文标志时，表示响应状态，具体有接受(ACCEPT)和拒绝(DENY)两种，当报文标志是连接请求(CONCALL)、断连请求(DISCONCALL)、心跳请求(PINGCALL)时，报文中不具有可变报头，见表9。

表9

当报文标志为数据发送(DATASEND)时，报文包含有效载荷，有效载荷包含一条或多条记录，一条记录包括剩余标志位、数据类型、数据长度、有效数据，剩余标志位和数据类型合占1个字节，7位表示剩余标志位，代表接下来是否还有下一条记录，6-0位表示数据类型，数据类型根据实际情况定义，可以是温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、作物图像、害虫图像及其他与农业信息相关的数据，数据长度占4个字节，表示有效数据的长度，有效数据表示实际数据，是与数据类型对应的具体数据。

在本实施例中，通信的方法具体为：云平台向网关节点发送数据请求；网关节点将接收到的云平台发送的数据请求发送至终端节点；终端节点对接收网关节点发送的数据请求进行处理；此时终端节点进行响应，获取与农业相关的数据信息，并将获取到的数据信息发送至网关节点；网关节点将接收到的终端节点发送的数据信息发送至云平台；云平台接收网关节点发送的数据信息，并存储接收到的数据信息。

在本实施例中，云平台向网关节点发送数据请求后还包括：

判断在预设请求次数阈值是否接收到网关节点发送的响应数据，若否，则表示通信异常。

具体为：当云平台发送了数据请求后，判断在预设时间内是否接收到响应数据，若没有，则再一次发送数据请求，当在预设请求次数阈值(如3次)内还未接收到响应数据，则视为通信异常。

云平台的级别高于所述网关节点，网关节点级别高于所述终端节点，请求只能由高级别者向低级别者发起，且不能越级请求，即云平台向网关节点发送请求，网关节点向终端节点发送请求；响应只能由低级别者向高级别者提交，且不能越级响应，即终端节点向网关节点响应，网关节点向云平台响应。

在本实施例中，网关节点接收到云平台的数据请求时，立即做出数据响应，再向与当前网关节点连接的下属终端节点发出数据请求，接收到终端节点发送来的数据后，网关节点向云平台做出数据发送，即网关节点对云平台的数据发送是对云平台的数据请求的二次响应；该次云平台发送请求到接收到响应的整个过程中数据请求-数据响应-数据发送的三条报文具有相同的报文标识符(XID)。

网关节点对其下属的终端节点的请求均采用广播形式，当网关节点对其下属的终端节点发出心跳请求，其下属的所有终端节点均需做出心跳响应；当网关节点对其下属的终端节点发出数据请求，其下属的所有终端节点根据报文中的终端节点号(TID)进行判断，终端节点号与报文中的终端节点号(TID)一致的终端节点需要进行数据采集并向网关节点提交数据发送的报文。

本实施例具有的有益效果是:

1.本实施例中终端节点与网关节点之间能够进行双向通信，网关节点与云平台之间能够进行双向通信，能够将终端采集到的数据准确、及时地传送到云端，方便农业工作者远程获取农业信息。

2.本实施例中的通信协议具有轻量、可靠的特点，可以减少在数据传输过程中的网络开销，节约网络资源。

3.本实施例中终端节点与网关节点通过WIFI通信，网关节点与云平台之间通过4G及以上网络通信，结合本发明中所设计的通信协议，数据传输速度快，传输效率高，可以应用于数据传输量大、实时性要求高的农业物联网系统。

实施例二

本实施例提供一种用于农业物联网无线组网的通信方法，包括步骤：

S1.云平台向网关节点发送数据请求；

S2.网关节点接收云平台发送的数据请求，并将所述数据请求发送至终端节点；

S3.终端节点接收网关节点发送的数据请求，并对所述数据请求进行处理。

进一步的，还包括步骤：

S4.终端节点获取与农业相关的数据信息，并将所述获取到的数据信息发送至网关节点；

S5.网关节点接收终端节点发送的数据信息，并将所述数据信息发送至云平台；

S6.云平台接收网关节点发送的数据信息，并存储接收到的数据信息。

进一步的，所述云平台向网关节点发送数据请求后还包括：

判断在预设请求次数阈值是否接收到网关节点发送的响应数据，若否，则表示通信异常。

需要说明的是，本实施例提供的一种用于农业物联网无线组网的通信方法与实施例一类似，在此不多做赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种用于农业物联网无线组网的通信系统，其特征在于，包括：终端节点、网关节点、云平台；

所述终端节点，用于获取与农业相关的数据信息，并将所述获取到的数据信息发送至网关节点；

所述网关节点，与数个终端节点通信连接，用于接收终端节点发送的数据信息，并将所述数据信息发送至云平台；

所述云平台，与数个网关节点通信连接，用于接收网关节点发送的数据信息，并存储接收到的数据信息。

2.根据权利要求1所述的一种用于农业物联网无线组网的通信系统，其特征在于，所述云平台，还用于向网关节点发送数据请求；

所述网关节点，还用于接收云平台发送的数据请求，并将所述数据请求发送至终端节点；

所述终端节点，还用于接收网关节点发送的数据请求，并对所述数据请求进行处理。

3.根据权利要求2所述的一种用于农业物联网无线组网的通信系统，其特征在于，所述网关节点与数个终端节点进行通信是通过WIFI建立第一TCP通信协议，所述第一TCP通信协议的报文格式按顺序依次包括固定报头、可变报头、有效载荷；

固定报头占1个字节，其中7-4位表示报文类型，报文类型包括请求CALL和响应REPLY两种；3-0位表示报文标志，报文标志包括请求CALL类型的心跳请求PINGCALL和数据请求DATACALL、响应REPLY类型的心跳响应PONGREPLY和数据发送DATASEND；

可变报头占1个字节，表示终端节点号TID；当报文标志为数据请求DATACALL、心跳响应PONGREPLY和数据发送DATASEND时，协议报文中包含可变报头；当报文标志是心跳请求PINGCALL时，协议报文中不包括可变报头；

当TCP通信协议的报文标志为数据发送DATASEND时，协议报文包括有效载荷，有效载荷包含一条或多条记录，一条记录包括剩余标志位、数据类型、数据长度、有效数据，剩余标志位和数据类型合占1个字节，7位表示剩余标志位，代表接下来是否还有下一条记录，6-0位表示数据类型，数据长度占4个字节，表示有效数据的长度，有效数据表示实际数据，是与数据类型对应的具体数据。

4.根据权利要求2所述的一种用于农业物联网无线组网的通信系统，其特征在于，所述云平台与数个网关节点进行通信是通过通信网络建立的第二TCP通信协议，所述第二TCP通信协议的报文格式按顺序依次是固定报头、可变报头、有效载荷；

固定报头占2个字节，其中第1字节的7-4位表示报文类型，报文类型包括请求CALL和响应REPLY两种；第1字节的3-0位表示报文标志，报文标志包括请求CALL类型的连接请求CONCALL、断连请求DISCONCALL、心跳请求PINGCALL和数据请求DATACALL以及响应REPLY类型的连接响应CONREPLY、断连响应DISCONREPLY、心跳响应PONGREPLY、数据响应DATAREPLY和数据发送DATASEND；第2字节表示报文标识符XID；

可变报头占1个字节，当报文标志为数据请求DATACALL和数据发送DATASEN)时，表示终端节点号TID；当报文标志为除数据发送DATASEND外的其他响应REPLY类报文标志时，表示响应状态，其中响应状态包括接受ACCEPT和拒绝DENY两种；当报文标志是连接请求CONCALL、断连请求DISCONCALL、心跳请求PINGCALL时，报文中不具有可变报头；

当报文标志为数据发送DATASEND时，报文包含有效载荷，有效载荷包含一条或多条记录，一条记录包括剩余标志位、数据类型、数据长度、有效数据，剩余标志位和数据类型合占1个字节，7位表示剩余标志位，代表接下来是否还有下一条记录，6-0位表示数据类型，数据长度占4个字节，表示有效数据的长度，有效数据表示实际数据，是与数据类型对应的具体数据。

5.根据权利要求2所述的一种用于农业物联网无线组网的通信系统，其特征在于，所述网关节点将数据请求发送至终端节点是通过广播形式进行发送的。

6.根据权利要求3所述的一种用于农业物联网无线组网的通信系统，其特征在于，当网关节点对与网关节点相连的数个终端节点发出心跳请求时，与网关节点相连的所有的终端节点均做出心跳响应；当网关节点对与网关节点相连的数个终端节点发出数据请求时，与网关节点相连的所有终端节点根据报文中的终端节点号TID进行判断，若终端节点号与报文中的终端节点号TID一致，则终端节点执行所述数据请求数据。

7.根据权利要求2所述的一种用于农业物联网无线组网的通信系统，其特征在于，所述云平台向网关节点发送数据请求后还包括：

判断模块，用于判断在预设请求次数阈值是否接收到网关节点发送的响应数据，若否，则表示通信异常。

8.一种用于农业物联网无线组网的通信方法，其特征在于，包括步骤：

S1.云平台向网关节点发送数据请求；

S2.网关节点接收云平台发送的数据请求，并将所述数据请求发送至终端节点；

S3.终端节点接收网关节点发送的数据请求，并对所述数据请求进行处理。

9.根据权利要求8所述的一种用于农业物联网无线组网的通信方法，其特征在于，还包括步骤：

S4.终端节点获取与农业相关的数据信息，并将所述获取到的数据信息发送至网关节点；

S5.网关节点接收终端节点发送的数据信息，并将所述数据信息发送至云平台；

S6.云平台接收网关节点发送的数据信息，并存储接收到的数据信息。

10.根据权利要求9所述的一种用于农业物联网无线组网的通信方法，其特征在于，所述云平台向网关节点发送数据请求后还包括：

判断在预设请求次数阈值是否接收到网关节点发送的响应数据，若否，则表示通信异常。

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