CN113473404B - 一种基于宽窄带融合的农业物联网通信方法及设备 - Google Patents

一种基于宽窄带融合的农业物联网通信方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明为解决农业物联网集成网关通信模式单一、通信速率低的问题，提出一种基于宽窄带融合的农业物联网通信方法及设备，其中包括以下步骤：在目标农业环境监测位置设置若干传感器节点；获取传感器节点所采集的传感数据，并存储在本地数据文件中；对待传输的传感数据进行数据融合；根据预设的阈值对传感数据融合结果的数据量进行判断，当传感数据融合结果的数据量大于预设的阈值时，采用宽带网络并调用对应的通信协议将传感数据融合结果传输至服务器；否则，采用窄带网络并调用对应的通信协议将传感数据融合结果传输至服务器。本发明通过对传感数据进行数据融合以及网络带宽自适应分配，实现宽窄带融合通信传输。

Description

一种基于宽窄带融合的农业物联网通信方法及设备
技术领域
本发明涉及物联网通信技术领域，更具体地，涉及一种基于宽窄带融合的农业物联网通信方法及设备。
背景技术
在农业物联网应用环境中，由于当前市场上的传感器种类众多，类型复杂，接口互不兼容，互操作性差，而且网络通信方式多样，无法高效地利用不同网络的带宽，因此，制定一套满足农业物联网环境下支持多种网络通信方式和传感器接口标准的宽窄带融合的农业物联网智能网关，成为了行业关心的问题。
当前，市场上的农业物联网集成网关都没有全面支持不同接口标准的传感器，网络通信方式单一，没有考虑传感器少量数据的窄带网络传输与视频监控的大数据量宽带网络传输相互兼容，无法适应农业物联网环境中规模化种植业的需求。如公开号CN106993059A(公开日2017年07月28日)的中国专利公开的一种基于NB-IoT的农情监控系统，其中包括感知控制层、传输层、服务层、应用层。感知控制层包括现场监控器，现场监控器包括数据监测模块、设备控制模块、通信模块、电池供电模块、定位模块；通信模块包括连接NB-IoT网络的NB-IoT单元；数据监测模块监测农情数据并通过NB-IoT单元发送至服务层；传输层包括连接感知控制层和服务层的NB-IoT网络。通信服务模块接收来自感知控制层的农情数据和位置数据，并通过数据服务模块存储至数据库中。基于NB-IoT构建的农情监控系统，拥有的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势能够解决现有农情监控系统的难点与不足，为未来农业物联网的发展提供很好的技术支撑，扩大应用范围。但是该系统仅采用窄带网络进行通信，通信速率低，不能满足视频监控等大数据量传感器的通信需要。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的农业物联网集成网关通信模式单一、通信速率低的缺陷，提供一种基于宽窄带融合的农业物联网通信方法，以及基于宽窄带融合的农业物联网通信设备。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于宽窄带融合的农业物联网通信方法，包括以下步骤：
在目标农业环境监测位置设置若干传感器节点；
获取传感器节点所采集的传感数据，并存储在本地数据文件中；
对待传输的传感数据进行数据融合；
根据传感数据融合结果的数据量自适应分配网络带宽：
根据预设的阈值对传感数据融合结果的数据量进行判断，当所述传感数据融合结果的数据量大于预设的阈值时，采用宽带网络并调用对应的通信协议将所述传感数据融合结果传输至服务器；否则，采用窄带网络并调用对应的通信协议将所述传感数据融合结果传输至服务器。
作为优选方案，对所述传感数据进行数据融合的步骤包括：对所述传感数据进行预处理并进行存储；调取需要发送的传感数据，根据所述传感数据所属传感器类型标识进行聚类，得到异构传感数据；根据数据量大小对所述异构传感数据进行二次聚类，得到传感数据的融合结果。
作为优选方案，对所述传感数据进行预处理的步骤包括：对所述传感数据进行数据过滤，包括滤波与噪声消除；对完成数据过滤的传感数据进行规范化处理，包括格式统一化和压缩处理。
作为优选方案，对所述传感器数据采用卡尔曼滤波法进行数据过滤。
作为优选方案，对所述传感数据进行数据融合的步骤中，根据所述传感数据所属传感器类型标识进行聚类，再采用加权融合算法对同一传感器类型标识的传感数据进行合并，得到异构传感数据。
作为优选方案，根据数据量大小对所述异构传感数据进行二次聚类的步骤还包括：对聚类为数据量小的异构传感数据采用无损数据融合算法缩减分组头部信息；对聚类为数据量大的异构传感数据采用有损数据融合算法减少存储和传输的数据量。
作为优选方案，获取传感器节点所采集的传感数据的步骤包括：预设传感器数据查询周期；当到达预设的传感器数据查询周期时，通过查询本地数据表获取目标传感器节点对应的传感器类型标识和网络接入方式；根据获取的网络接入方式调用对应的通信协议，通过有线或无线网络向目标传感器节点发送读取传感器数据的请求，并接收目标传感器节点返回的传感数据；保存数据采集的时间戳，并保存目标传感器节点返回的传感数据，写入本地的数据文件中。
作为优选方案，还包括以下步骤：预设数据同步周期；当到达预设的数据同步周期时，向服务器发送数据同步请求，并等待服务器的确认应答；接收服务器返回的确认信号后，将当前存储在本地数据文件中的传感数据进行数据融合，然后根据传感数据的融合结果自适应分配网络带宽，调用对应的通信协议并通过有线或无线网络，将传感数据的融合结果传输至服务器进行数据同步。
作为优选方案，所述通信协议包括IEEE 1451协议和TCP/IP协议。
本发明还提出一种基于宽窄带融合的农业物联网通信设备，包括一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个应用程序；其中所述一个或多个应用程序被存储于所述存储器中，并配置为由所述处理器执行如上述任一技术方案的操作。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过对传感数据根据传感器类型进行融合后，再根据待传输数据的数据量大小自适应分配网络带宽，选择采用窄带网络或宽带网络进行传输，实现了可长期的、实时的、远程的多种异构传感器数据采集和网络传输，提高了数据传输速率。
附图说明
图1为实施例的农业物联网通信方法的流程图。
图2为实施例的传感数据获取流程图。
图3为实施例的传感数据的数据融合流程图。
图4为实施例的数据同步流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本实施例提出一种基于宽窄带融合的农业物联网通信方法，如图1～4所示，为本实施例的基于宽窄带融合的农业物联网通信方法的流程图。
本实施例提出的基于宽窄带融合的农业物联网通信方法中，需要在目标农业环境监测位置设置若干传感器节点。本实施例中所采用的传感器节点为用于对大田种植环境和设施园艺环境下常见的各种气象传感器、土壤传感器、化学传感器、物理传感器等，用于获取空气温度、空气湿度、大气压强、风速、风向、光照、土壤温度、土壤湿度、PM2.5浓度、PM10浓度、CO2浓度、CO浓度、NO2浓度、O3浓度、SO2浓度等农作物生长环境参数或现场监控设备视频流，例如采用温湿度传感器、雨量传感器、大气压强传感器、风向传感器、光照传感器、摄像机等设备。
步骤1：获取传感器节点所采集的传感数据，并存储在本地数据文件中。
本实施例中，获取传感器节点所采集的传感数据的步骤包括：
预设传感器数据查询周期；
当到达预设的传感器数据查询周期时，通过查询本地数据表获取目标传感器节点对应的传感器类型标识和网络接入方式；
根据获取的网络接入方式调用对应的通信协议，通过有线或无线网络向目标传感器节点发送读取传感器数据的请求，并接收目标传感器节点返回的传感数据；
保存数据采集的时间戳，并保存目标传感器节点返回的传感数据，写入本地的数据文件中。
步骤2：对待传输的传感数据进行数据融合，实现减少数据量的网络传输。
本步骤中，对所述传感数据进行数据融合的步骤包括：
步骤2.1：对所述传感数据进行预处理并进行存储；
其中，对所述传感数据进行预处理的步骤包括：
对所述传感数据进行数据过滤，包括滤波与噪声消除；本实施例中采用卡尔曼滤波法进行数据过滤，用于确定在统计意义下最优的融合数据估计；
以及，对完成数据过滤的传感数据进行规范化处理，包括格式统一化和压缩处理。
步骤2.2：调取需要发送的传感数据，根据所述传感数据所属传感器类型标识进行聚类，得到异构传感数据；
本步骤中，将待传输的所有传感数据进行聚类，将属于同一传感器类型的传感数据划分为一类。
进一步的，对聚类结果采用加权融合算法对同一传感器类型标识的传感数据进行合并，得到去除冗余信息的异构传感数据。
步骤2.3：根据数据量大小对所述异构传感数据进行二次聚类，得到传感数据的融合结果。
本步骤中，对待传输的经过一次聚类的异构传感数据再次进行聚类，将数据量少的传感数据划分为一类。
进一步的，对聚类为数据量小的异构传感数据采用无损数据融合算法缩减分组头部信息；对聚类为数据量大的异构传感数据采用有损数据融合算法减少存储和传输的数据量，例如摄像机视频流数据。
步骤3：根据传感数据融合结果的数据量自适应分配网络带宽。
本步骤旨在对数据量少的传感器信号采用窄带网络进行传输，对数据量大的摄像机传感器信号采用宽带网络进行传输。其具体步骤包括：
根据预设的阈值对传感数据融合结果的数据量进行判断，当所述传感数据融合结果的数据量大于预设的阈值时，采用宽带网络并调用对应的通信协议将所述传感数据融合结果传输至服务器；否则，采用窄带网络并调用对应的通信协议将所述传感数据融合结果传输至服务器。
本实施例中所采用的通信协议包括IEEE 1451协议和TCP/IP协议。
进一步的，本实施例还包括自动与服务器进行数据同步功能，其步骤包括：
预设数据同步周期；
当到达预设的数据同步周期时，向服务器发送数据同步请求，并等待服务器的确认应答；
接收服务器返回的确认信号后，将当前存储在本地数据文件中的传感数据进行数据融合，然后根据传感数据的融合结果自适应分配网络带宽，调用对应的通信协议并通过有线或无线网络，将传感数据的融合结果传输至服务器进行数据同步。
在具体实施过程中，上述步骤由智能网关执行实现，在农业环境选择具有科研价值或重点观测的监测点，然后选择针对农作物种植环境需要获取的传感器指标，在每个监测点部署用于执行本实施例提出的农业物联网通信方法的智能网关，在半径10米之内部署其它有线或无线传感器节点；并在需要远程控制智能网关的机房或办公室部署服务器设备，用于接收智能网关的数据和远程控制智能网关，实现了通过网络能对智能网关进行远程访问和控制，并由智能网关提供自动数据同步功能、网络带宽资源分配功能、多模传感器数据融合功能。
进一步的，本实施例还提出一种基于宽窄带融合的农业物联网通信设备，包括一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个应用程序；其中所述一个或多个应用程序被存储于所述存储器中，并配置为由所述处理器执行如本实施例所述方法的操作。
本实施例中，通过对传感数据根据传感器类型进行融合后，再根据待传输数据的数据量大小自适应分配网络带宽，选择采用窄带网络或宽带网络进行传输，实现了可长期的、实时的、远程的多种异构传感器数据采集和网络传输，提高了数据传输的灵活性，增强了设备的普适性，且适合于农业物联网应用环境中大规模部署应用。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于宽窄带融合的农业物联网通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
在目标农业环境监测位置设置若干传感器节点；
获取传感器节点所采集的传感数据，并存储在本地数据文件中；
对待传输的传感数据进行数据融合；对所述传感数据进行数据融合的步骤包括：
对所述传感数据进行预处理并进行存储；
调取需要发送的传感数据，根据所述传感数据所属传感器类型标识进行聚类，再采用加权融合算法对同一传感器类型标识的传感数据进行合并，得到异构传感数据；
根据数据量大小对所述异构传感数据进行二次聚类，得到传感数据的融合结果；其中，对聚类为数据量小的异构传感数据采用无损数据融合算法缩减分组头部信息；对聚类为数据量大的异构传感数据采用有损数据融合算法减少存储和传输的数据量；
根据传感数据融合结果的数据量自适应分配网络带宽：
根据预设的阈值对传感数据融合结果的数据量进行判断，当所述传感数据融合结果的数据量大于预设的阈值时，采用宽带网络并调用对应的通信协议将所述传感数据融合结果传输至服务器；否则，采用窄带网络并调用对应的通信协议将所述传感数据融合结果传输至服务器。
2.根据权利要求1所述的农业物联网通信方法，其特征在于，对所述传感数据进行预处理的步骤包括：
对所述传感数据进行数据过滤，包括滤波与噪声消除；
对完成数据过滤的传感数据进行规范化处理，包括格式统一化和压缩处理。
3.根据权利要求2所述的农业物联网通信方法，其特征在于，对所述传感器数据采用卡尔曼滤波法进行数据过滤。
4.根据权利要求1所述的农业物联网通信方法，其特征在于，获取传感器节点所采集的传感数据的步骤包括：
预设传感器数据查询周期；
当到达预设的传感器数据查询周期时，通过查询本地数据表获取目标传感器节点对应的传感器类型标识和网络接入方式；
根据获取的网络接入方式调用对应的通信协议，通过有线或无线网络向目标传感器节点发送读取传感器数据的请求，并接收目标传感器节点返回的传感数据；
保存数据采集的时间戳，并保存目标传感器节点返回的传感数据，写入本地的数据文件中。
5.根据权利要求4所述的农业物联网通信方法，其特征在于，还包括以下步骤：
预设数据同步周期；
当到达预设的数据同步周期时，向服务器发送数据同步请求，并等待服务器的确认应答；
接收服务器返回的确认信号后，将当前存储在本地数据文件中的传感数据进行数据融合，然后根据传感数据的融合结果自适应分配网络带宽，调用对应的通信协议并通过有线或无线网络，将传感数据的融合结果传输至服务器进行数据同步。
6.根据权利要求5所述的农业物联网通信方法，其特征在于，所述通信协议包括IEEE1451协议和TCP/IP协议。
7.一种基于宽窄带融合的农业物联网通信设备，其特征在于，包括一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个应用程序；其中所述一个或多个应用程序被存储于所述存储器中，并配置为由所述处理器执行如权利要求1～6中任一项所述方法的操作。
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