CN111964718A - 一种多源信息融合环境监测装置及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多源信息融合环境监测装置及其系统，包括终端应用模块、边缘网关模块、云端监控模块、LoRa通信模块和NB‑IoT通信模块，首选通过所述终端应用模块对环境监测数据进行采集、预处理和多源同构数据融合，并通过所述LoRa通信模块上传数据至所述边缘网关模块；接着，所述边缘网关模块对接收到的数据进行处理，根据动态感知任务驱动，实现任务分解与分配，调度相应所述终端应用模块完成多源异构数据融合，并将决策结果通过所述NB‑IoT通信模块上传至所述云端监控模块进行显示和实时监测当前环境的状态，并将异常信息上报至相应的部门，采用信息融合技术减轻网络拥堵，有效节省能源开销，延长网络系统的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种多源信息融合环境监测装置及其系统。
背景技术
随着经济社会的不断发展，城市化与工业化的建设步伐加快，同时能源消耗也在不断增加，使得环境污染问题越来越严重，亟需采取措施改善空气质量。环境监测工作是环境综合治理中的一个重要环节，需要监测多个对象进行综合分析，才能确切描述环境质量状况。随着监测场景的不断增加，数据呈现出海量性、多态性与异构性、时效性以及不确定性，给数据实时处理、压缩存储、组织及查询带来了挑战，导致网络系统的使用寿命降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多源信息融合环境监测装置及其系统，延长网络系统的使用寿命。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种多源信息融合环境监测装置，所述多源信息融合环境监测装置包括终端应用模块、边缘网关模块和云端监控模块，所述终端应用模块、所述边缘网关模块和所述云端监控模块依次连接；
所述终端应用模块，用于对环境监测数据进行采集、预处理和多源同构数据融合，并上传数据至所述边缘网关模块；
所述边缘网关模块，用于对接收到的数据进行管理，并根据动态感知任务驱动，进行任务分解与分配，同时调度相应所述终端应用模块对多源异构数据融合，并将决策结果上传至所述云端监控模块；
所述云端监控模块，用于将所述决策结果进行显示，同时实时检测环境状态，并将异常信息进行上报。
其中，所述终端应用模块包括数据采集单元、预处理单元和数据显示单元，所述预处理单元与所述数据采集单元连接，所述数据显示单元与所述预处理单元连接；
所述数据采集单元，用于通过多个传感器对环境中各个参数信息进行采集，并将采集到的信息传入所述预处理单元中；
所述预处理单元，用于对接收到的数据进行数据同趋化处理和无量纲化处理；
所述数据显示单元，用于实时在线显示数据的处理过程。
其中，所述终端应用模块还包括数据融合单元和决策单元，所述数据融合单元与所述预处理单元、所述数据显示单元和所述边缘网关模块连接，所述决策单元与所述数据融合单元、所述数据显示单元和所述边缘网关模块连接；
所述数据融合单元，用于采用DS证据理论和模糊理论相结合对预处理后的多源数据进行融合，并将数据融合结果分发到所述数据显示单元和所述边缘网关模块；
所述决策单元，用于DS判决理论和模糊决策理论对接收的所述数据融合结果和识别框架进行判决，并将决策信息输出到所述数据显示单元和所述边缘网关模块。
其中，所述终端应用模块还包括多个通信接口，多个所述通信接口与所述数据采集单元连接；
所述通信接口，用于对传感器和所述数据采集单元提供数据传输。
其中，所述多源信息融合环境监测装置还包括通信扩展模块，所述通信扩展模块与所述边缘网关模块和所述云端监控模块连接；
所述通信扩展模块，用于将所述边缘网关模块的决策结果传输至所述云端监控模块中。
第二方面，本发明提供一种多源信息融合环境监测系统，所述多源信息融合环境监测系统包括多源信息融合环境监测装置、LoRa通信模块和NB-IoT通信模块，所述LoRa通信模块与所述决策单元、所述数据融合单元和所述边缘网关模块连接，所述NB-IoT通信模块与所述通信扩展模块和所述云端监控模块连接；
所述LoRa通信模块，用于将所述决策单元产生的决策结果和所述数据融合单元融合后的数据传输至所述边缘网关模块；
所述NB-IoT通信模块，用于通过所述通信扩展模块将所述边缘网关模块与所述云端监控模块进行数据传输。
本发明的一种多源信息融合环境监测装置及其系统，所述多源信息融合环境监测系统包括多源信息融合环境监测装置、LoRa通信模块和NB-IoT通信模块，所述多源信息融合环境监测装置包括终端应用模块、边缘网关模块和云端监控模块，首选通过所述终端应用模块对环境监测数据进行采集、预处理和多源同构数据融合，并通过所述LoRa通信模块上传数据至所述边缘网关模块；接着，所述边缘网关模块对接收到的数据进行管理，根据动态感知任务驱动，实现任务分解与分配，调度相应所述终端应用模块完成多源异构数据融合，并将决策结果通过所述NB-IoT通信模块上传至所述云端监控模块进行显示和实时监测当前环境的状态，并将异常信息上报至相应的部门，采用信息融合技术减轻网络拥堵，有效节省能源开销，延长网络系统的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种多源信息融合环境监测装置的结构示意图。
图2是本发明提供的一种多源信息融合环境监测系统的结构示意图。
图3是本发明提供的预处理单元的工作流程图。
图4是本发明提供的数据融合单元的工作流程图。
图5是本发明提供的决策单元的工作流程图。
1-终端应用模块、2-边缘网关模块、3-云端监控模块、4-数据采集单元、5-预处理单元、6-数据显示单元、7-数据融合单元、8-决策单元、9-通信接口、10-通信扩展模块、11-LoRa通信模块、12-NB-IoT通信模块、13-第一开发板、14-第二开发板、15-监控显示单元、16-日志记录单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本发明提供一种多源信息融合环境监测装置，所述多源信息融合环境监测装置包括终端应用模块1、边缘网关模块2和云端监控模块3，所述终端应用模块1、所述边缘网关模块2和所述云端监控模块3依次连接；
所述终端应用模块1，用于对环境监测数据进行采集、预处理和多源同构数据融合，并上传数据至所述边缘网关模块2；
所述边缘网关模块2，用于对接收到的数据进行管理，并根据动态感知任务驱动，进行任务分解与分配，同时调度相应所述终端应用模块1对多源异构数据融合，并将决策结果上传至所述云端监控模块3；
所述云端监控模块3，用于将所述决策结果进行显示，同时实时检测环境状态，并将异常信息进行上报。
在本实施方式中，首选通过所述终端应用模块1对环境监测数据进行采集、预处理和多源同构数据融合，并上传数据至所述边缘网关模块2；其中，所述终端应用模块1采用Huawei LiteOS操作系统，具备轻量级、低功耗等特点，可实现信息采集、预处理、信息融合等多任务之间切换运行，同时具有丰富的端云互通组件可实现快速入云。本系统采用的终端采集方案，具有低功耗、低时延、高精度等特点，同时具有较强的可扩展性，可广泛应用于物联网应用中的环境监测、火灾预警、智慧交通等多个场景。
接着，所述边缘网关模块2对接收到的数据进行管理，根据动态感知任务驱动，实现任务分解与分配，调度相应所述终端应用模块1完成多源异构数据融合；将实际的物理设备如终端设备、网关等通过虚拟化以资源的形式接入物联网系统后，共同在网关处构成一个虚拟资源池。当该资源系统受到环境刺激产生动态感知任务之后，设备层面需要有相应物理设备执行任务，即需要在网关处的资源池内先将任务进行粒度细化分解，得到可以由设备响应执行的子任务，再进行资源分配即在分解得到的子任务集合与系统内所有设备集合间执行一次全局分配，找到最合适执行动态任务的相关设备资源，从而调度相应设备资源进行数据融合等，从而对环境变化做出响应，并将决策结果上传至所述云端监控模块3进行显示和实时监测当前环境的状态，并将异常信息上报至相应的部门，所述云端监控模块3采用基于Web的方式开发环境监测系统，可以实时显示各个传感器采集的数据，包括温度、湿度、光照强度以及PM2.5、PM10等各个气体浓度数值，还可显示综合评估后的空气质量污染指数与污染等级。同时可显示设备位置，通过设备监控还可以观测AQI指数的变换趋势，实现对数据的可视化分析与管理。采用信息融合技术减轻网络拥堵，有效节省能源开销，延长网络系统的使用寿命
进一步的，所述终端应用模块1包括数据采集单元4、预处理单元5和数据显示单元6，所述预处理单元5与所述数据采集单元4连接，所述数据显示单元6与所述预处理单元5连接；
所述数据采集单元4，用于通过多个传感器对环境中各个参数信息进行采集，并将采集到的信息传入所述预处理单元5中；
所述预处理单元5，用于对接收到的数据进行数据同趋化处理和无量纲化处理；
所述数据显示单元6，用于实时在线显示数据的处理过程。
在本实施方式中，利用所述数据采集单元4对环境中各个参数信息进行采集，并将采集到的信息传入所述预处理单元5中；在设备进行数据融合前，由于各传感器采集数据类型各不相同，各评价指标的性质不同，通常具有不同的量纲和数量级。因此，为了保证结果的可靠性，需要对原始指标数据进行标准化处理。数据标准化处理主要包括数据同趋化处理和无量纲化处理，其程序流程如图3所示，首先从数据接收队列中获得传感器测量数据，并根据接收的数据的格式进行正误判断以及同趋化处理，并由所述数据显示单元6进行显示，同时判断显示出的数据是否正确，并将正确的数据进行传输。
进一步的，所述终端应用模块1还包括数据融合单元7和决策单元8，所述数据融合单元7与所述预处理单元5、所述数据显示单元6和所述边缘网关模块2连接，所述决策单元8与所述数据融合单元7、所述数据显示单元6和所述边缘网关模块2连接；
所述数据融合单元7，用于采用DS证据理论和模糊理论相结合对预处理后的多源数据进行融合，并将数据融合结果分发到所述数据显示单元6和所述边缘网关模块2；
所述决策单元8，用于DS判决理论和模糊决策理论对接收的所述数据融合结果和识别框架进行判决，并将决策信息输出到所述数据显示单元6和所述边缘网关模块2。
在本实施方式中，所述数据融合单元7是数据融合系统的核心，采用DS证据理论和模糊理论相结合对多源数据进行融合，输入为预处理后的传感器数据，输出为融合结果，并将数据融合结果分发到所述数据显示单元6和所述边缘网关模块2，如图4所示，首先创建数据处理线程，得到数据预处理单元5的传感器数据，并根据所述传感器布设信息，得到所述传感器的拓扑结构，并选择出对应的处理模型，接着与数据处理结果队列中已存在融合结果进行匹配，若匹配成功，则与数据处理队列中已存在的信息进行相关，若匹配不成功，则分发融合结果；同时当信息相关成功时，生成新的融合结果保存到融合结果队列中，若相关不成功，则将所述测量信息保存到对应的融合结果队列中，最后分发融合结果至所述决策单元8。然后所述决策单元8根据所述数据融合单元7得到的融合结果并结合识别框架，使用DS判决理论和模糊决策理论进行自主判决，并将最终决策信息输出到所述数据显示单元6及所述边缘网关模块2，如图5所示。
进一步的，所述终端应用模块1还包括多个通信接口9，多个所述通信接口9与所述数据采集单元4连接；
所述通信接口9，用于对传感器和所述数据采集单元4提供数据传输。
在本实施方式中，所述终端应用模块1提供多个传感器常用通信接口9，例如I2C、SPI、USART等，支持多种传感器接入使用，本系统中主要使用温湿度传感器、光照强度传感器以及PM2.5、PM10、CO、NO2、O3、SO2等气体传感器对环境参数信息进行采集。
进一步的，所述多源信息融合环境监测装置还包括通信扩展模块10，所述通信扩展模块10与所述边缘网关模块2和所述云端监控模块3连接；
所述通信扩展模块10，用于将所述边缘网关模块2的决策结果传输至所述云端监控模块3中。
在本实施方式中，利用所述通信扩展模块10来实现所述边缘网关模块2和所述运动监控模块的数据传输。
进一步的，所述所述多源信息融合环境监测装置还包括第一开发板13和第二开发板14，所述通信接口9搭载于所述第一开发板13上，所述通信扩展模块10搭载于所述第二开发板14上。
在本实施方式中，所述第一开发板13主要集成用于所述终端应用模块1，采用芯来科技公司的一款基于GD32VF103MCU的RISC-V评估开发板进行数据采集，型号为GD32VF103VBT6。该开发板提供了板载调试器、Reset和Wakeup用户按键、RGB LED、USB OTG，以及EXMC和PMOD扩展接口等资源；所述第二开发板14主要集成用于所述边缘网关模块2，采用兆易科技公司的GD32系列小熊派开发板，BearPi-loT(GD)是一款基于兆易创新的GD32F303RGT6设计的高性能物联网开发板，具有强大的可扩展性。
进一步的，所述云端监控模块3包括监控显示单元15和日志记录单元16，所述监控显示单元15与所述通信扩展模块10连接，日志记录模块与所述监控显示单元15连接；
所述监控显示单元15，用于对接收的数据进行可视化显示，并统计异常信息；
所述日志记录单元16，用于对异常数据告警进行统计、设备管理，并依据物联网实际的应用将所述异常信息通知相应的部门。
在本实施方式中，利用所述时间了显示单元对接收的数据通过华为云物联网平台开发的Web应用界面显示相关数据，对动态环境变化进行实时监控；然后利用所述日志记录单元16对异常数据告警进行统计、设备管理，并依据物联网实际的应用将异常信息通知相应的部门，便于及时对异常情况进行监控和反应，便于及时实施对应的解决操作。
请参阅图2，本发明提供一种多源信息融合环境监测系统，所述多源信息融合环境监测系统包括多源信息融合环境监测装置、LoRa通信模块11和NB-IoT通信模块12，所述LoRa通信模块11与所述决策单元8、所述数据融合单元7和所述边缘网关模块2连接，所述NB-IoT通信模块12与所述通信扩展模块10和所述云端监控模块3连接；
所述LoRa通信模块11，用于将所述决策单元8产生的决策结果和所述数据融合单元7融合后的数据传输至所述边缘网关模块2；
所述NB-IoT通信模块12，用于通过所述通信扩展模块10将所述边缘网关模块2与所述云端监控模块3进行数据传输。
在本实施方式中，利用所述终端应用模块1主要负责环境参数信息的采集、数据的预处理以及终端级数据融合，同时将融合后的信息通过LoRa网络发送到所述边缘网关模块2。所述边缘网关模块2负责对采集到的异构数据进行融合，并且可对各个终端设备进行管理，实现资源分配、资源调度和协议转换。同时通过所述NB-IoT通信模块12将融合后的信息发送至所述云端监控模块3，可对环境中各参数进行实时监控，并且可实时处理异常信息，通过给边缘网关下发指令达到控制网关及各个终端的目的。
本发明的一种多源信息融合环境监测装置及其系统，所述多源信息融合环境监测系统包括多源信息融合环境监测装置、LoRa通信模块11和NB-IoT通信模块12，所述多源信息融合环境监测装置包括终端应用模块1、边缘网关模块2和云端监控模块3，首选通过所述终端应用模块1对环境监测数据进行采集、预处理和多源同构数据融合，并通过所述LoRa通信模块11上传数据至所述边缘网关模块2；接着，所述边缘网关模块2对接收到的数据进行管理，根据动态感知任务驱动，实现任务分解与分配，调度相应所述终端应用模块1完成多源异构数据融合，并将决策结果通过所述NB-IoT通信模块12上传至所述云端监控模块3进行显示和实时监测当前环境的状态，并将异常信息上报至相应的部门，采用信息融合技术减轻网络拥堵，有效节省能源开销，延长网络系统的使用寿命。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种多源信息融合环境监测装置，其特征在于，
所述多源信息融合环境监测装置包括终端应用模块、边缘网关模块和云端监控模块，所述终端应用模块、所述边缘网关模块和所述云端监控模块依次连接；
所述终端应用模块，用于对环境监测数据进行采集、预处理和多源同构数据融合，并上传数据至所述边缘网关模块；
所述边缘网关模块，用于对接收到的数据进行管理，并根据动态感知任务驱动，进行任务分解与分配，同时调度相应所述终端应用模块对多源异构数据融合，并将决策结果上传至所述云端监控模块；
所述云端监控模块，用于将所述决策结果进行显示，同时实时检测环境状态，并将异常信息进行上报。
2.如权利要求1所述的多源信息融合环境监测装置，其特征在于，
所述终端应用模块包括数据采集单元、预处理单元和数据显示单元，所述预处理单元与所述数据采集单元连接，所述数据显示单元与所述预处理单元连接；
所述数据采集单元，用于通过多个传感器对环境中各个参数信息进行采集，并将采集到的信息传入所述预处理单元中；
所述预处理单元，用于对接收到的数据进行数据同趋化处理和无量纲化处理；
所述数据显示单元，用于实时在线显示数据的处理过程。
3.如权利要求2所述的多源信息融合环境监测装置，其特征在于，
所述终端应用模块还包括数据融合单元和决策单元，所述数据融合单元与所述预处理单元、所述数据显示单元和所述边缘网关模块连接，所述决策单元与所述数据融合单元、所述数据显示单元和所述边缘网关模块连接；
所述数据融合单元，用于采用DS证据理论和模糊理论相结合对预处理后的多源数据进行融合，并将数据融合结果分发到所述数据显示单元和所述边缘网关模块；
所述决策单元，用于DS判决理论和模糊决策理论对接收的所述数据融合结果和识别框架进行判决，并将决策信息输出到所述数据显示单元和所述边缘网关模块。
4.如权利要求3所述的多源信息融合环境监测装置，其特征在于，
所述终端应用模块还包括多个通信接口，多个所述通信接口与所述数据采集单元连接；
所述通信接口，用于对传感器和所述数据采集单元提供数据传输。
5.如权利要求4所述的多源信息融合环境监测装置，其特征在于，
所述多源信息融合环境监测装置还包括通信扩展模块，所述通信扩展模块与所述边缘网关模块和所述云端监控模块连接；
所述通信扩展模块，用于将所述边缘网关模块的决策结果传输至所述云端监控模块中。
6.一种多源信息融合环境监测系统，包括如权利要求5所述的多源信息融合环境监测装置，其特征在于，
所述多源信息融合环境监测系统还包括LoRa通信模块和NB-IoT通信模块，所述LoRa通信模块与所述决策单元、所述数据融合单元和所述边缘网关模块连接，所述NB-IoT通信模块与所述通信扩展模块和所述云端监控模块连接；
所述LoRa通信模块，用于将所述决策单元产生的决策结果和所述数据融合单元融合后的数据传输至所述边缘网关模块；
所述NB-IoT通信模块，用于通过所述通信扩展模块将所述边缘网关模块与所述云端监控模块进行数据传输。
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