CN114629602B - 一种物联网数据的冗余度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种物联网数据的冗余度控制方法，该方法能够用于城市数字化排水系统数据采集后的传输。该方法包括：获取城市排水系统中每个待测量对象的测量数据包以及第一信号强度，对于城市排水系统的每个区域，获取预设时间段内每个测量数据包第二信号强度并采集对应的丢包率；根据第二信号强度的变化获取对应的测量数据包的信号稳定程度；基于每个测量数据包的第二信号强度的波动获取受干扰程度；依据信号稳定程度和丢包率获取每个测量数据包的信号质量，进而预测未来信号质量，判断对应的测量数据包传输时需要添加的冗余包的数量。本发明实施例能够保证传输效率的同时，增加最少的冗余包，降低传输功耗。

Description

一种物联网数据的冗余度控制方法

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及一种物联网数据的冗余度控制方法。

背景技术

城市排水系统是现代化城市的重要基础设施，对城市环境管理以及城市数字化管理起着至关重要的作用，对于城市的日常排水调度和监管以及灾害气候下的应急抢修，都需要获取城市排水系统中的相应数据，给城市排水系统的管理统筹提供数据支撑。

但是在城市数字化排水系统数据采集后的传输过程中，可能会因为干扰造成数据的损坏丢失，因此在数据传输的过程中一般会同时添加冗余包，当传输过程中出现丢包时，通过冗余包中的冗余数据还原出这些缺失的信息，为了保证数据传输的准确性同时降低传输功耗，需要确定添加的冗余包的数量。

目前冗余包数量的确定是利用接收端反馈的丢包率等信息设定冗余率，不能根据实际情况灵活地判断所需冗余包的数量，可能会造成数据包的不足或者浪费，导致数据传输不准确或者传输效率低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种物联网数据的冗余度控制方法，所采用的技术方案具体如下：

本发明一个实施例提供了一种物联网数据的冗余度控制方法，该方法包括以下步骤：

获取城市排水系统中每个待测量对象的测量数据包，以及所述测量数据包在静态干扰下单位时间内的第一信号强度，依据所述第一信号强度将所述城市排水系统划分为多个区域；

对于每个区域，获取预设时间段内每个所述测量数据包在动态干扰下的第二信号强度，并采集对应的丢包率；根据所述第二信号强度的变化获取对应的测量数据包在预设时间段内的信号稳定程度；

基于每个所述测量数据包的第二信号强度的波动在同区域内所有第二信号强度的波动的占比获取对应的受干扰程度；

依据所述信号稳定程度和所述丢包率获取每个所述测量数据包的信号质量，并利用所述受干扰程度和所述信号质量预测未来信号质量，将所述未来信号质量与所述第一信号强度的标准信号质量相比较，判断对应的测量数据包传输时需要添加的冗余包的数量。

优选的，所述测量数据包的获取过程为：

采集每个待检测对象的测量数据，将所述测量数据压缩得到所述测量数据包利用无线传输发送至终端。

优选的，所述依据所述第一信号强度将所述城市排水系统划分为多个区域，包括：

将所述第一信号强度进行密度划分，分为预设数量的类别，每个类别中的待测量对象所在的位置组成一个区域。

优选的，所述信号稳定程度的获取过程为：

获取到目标时刻为止的所述第二信号强度组成的第一子序列，以及到所述目标时刻的相邻时刻为止的第二信号强度组成的第二子序列；计算所述第一子序列中所有元素的平均值，与所述第二子序列中所有元素的平均值之间的差异作为突变程度，根据所述突变程度获取所述信号稳定程度，所述突变程度与所述信号稳定程度呈负相关关系。

优选的，所述第二信号强度的波动的获取过程为：

计算每个所述测量数据包的所述第一子序列与所述第二子序列之间的序列差异作为所述目标时刻下所述第二信号强度的波动。

优选的，所述未来信号质量的预测过程为：

将所述预设时间段内的所述信号质量组成的质量序列输入预测网络，以所述受干扰程度作为损失权重，输出所述未来信号质量。

优选的，所述冗余包的数量的判断过程为：

当所述未来信号质量小于所述标准信号质量时，追加一个冗余包并输入所述预测网络，再次比较输出的未来信号质量与所述标准信号质量的大小，追加冗余包直至输出的未来信号质量不小于所述标准信号质量，得到此时追加的冗余包的数量。

本发明实施例至少具有如下有益效果：

通过动态干扰和静态干扰的对比计算出每个待测量对象进行信息传输的信号质量，并获取每个待测量对象的受干扰程度去优化预测网络的损失函数，得到预测的未来质量评价，根据预测结果判断该数据传输时所需的冗余包的数量。本发明实施例能够根据实际情况得到每个测量数据包所需的冗余包的最小数量，能够在保证传输准确的前提下，最大程度降低城市数字化排水系统数据传输功耗，降低传输成本。

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和优点，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的介绍，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它附图。

图1为本发明一个实施例提供的一种物联网数据的冗余度控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种物联网数据的冗余度控制方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种物联网数据的冗余度控制方法的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种物联网数据的冗余度控制方法的步骤流程图，该方法能够用于城市数字化排水系统数据采集后的传输。该方法包括以下步骤：

步骤S001，获取城市排水系统中每个待测量对象的测量数据包，以及测量数据包在静态干扰下单位时间内的第一信号强度，依据第一信号强度将城市排水系统划分为多个区域。

具体的步骤包括：

1.采集每个待检测对象的测量数据，将测量数据压缩得到测量数据包利用无线传输发送至终端。

城市排水系统包括排污井、雨水井以及污水管道等，其中排污井、雨水井以及污水管道等即为待测量对象，本发明实施例以排污井为例，进行测量数据的采集。

当井盖丢失或者破损时，会导致井内光亮度上升，通过在井盖下的井壁处安装光感接受器接收井盖的光信号，来监测井盖的破损程度和丢失情况；当井盖发生形变或者沉降，会导致井盖与测距仪之间的距离变小，通过在井内安装红外测距仪，实时测量井盖与测距仪之间的距离。

建立合理的范围，将每口井的信息打包为一个测量数据包，用信息包的形式将信息压缩使用wifi无线传输进行信息传递，将所得测量数据包上传至终端。

2.获取测量数据包在静态干扰下单位时间内的第一信号强度，将第一信号强度进行密度划分，分为预设数量的类别，每个类别中的待测量对象所在的位置组成一个区域。

安装RSSI检测接收信号强度，记录每口井的测量数据包传输信号时的信号强度。获取静态干扰下，即没有流动的外界干扰，只有固定的环境干扰的情况下单位时间内的第一信号强度

，预设时间段内的第一信号强度组成第一序列

，其中，n表示预设时间段内包含的单位时间的数量。

作为一个示例，本发明实施例中预设时间段为1秒，n取值为20，单位时间为0.05秒。

理想情况下，所有第一信号强度处于同样的静态干扰下，第一序列中的所有元素的值均相同。

利用k-means将每个待测量对象的第一序列中所有元素的平均值进行密度划分，得到k个类别，即得到k个级别的信号强度，将信号强度相似的待检测对象分为一类，同类别的待检测对象所在的位置组成一个区域，区域划分完成后，同一个区域内的测量数据包进行信号传输时的信号强度相似。

作为一个示例，本发明实施例将k值设为10，在其他实施例中可以根据实际情况设立k值。

步骤S002，对于每个区域，获取预设时间段内每个测量数据包在动态干扰下的第二信号强度，并采集对应的丢包率；根据第二信号强度的变化获取对应的测量数据包在预设时间段内的信号稳定程度。

具体的步骤包括：

1.获取预设时间段内每个测量数据包的第二信号强度以及对应的丢包率。

当待检测对象附近出现动态干扰源时，例如有车辆经过排污井时，可能会影响测量数据包传输的信号强度，记录每个测量数据包在出现动态干扰时的第二信号强度

，预设时间段内的第二信号强度组成第二序列

。

在信号传输中，如果受到体积较大物体屏蔽，导致传输效率降低，出现传输偏差，所以对应的会产生丢包率，并在终端显示，采集每个测量数据包在预设时间段内的第二信号强度对应的丢包率

。

2.获取测量数据包在预设时间段内的信号稳定程度。

具体的，获取到目标时刻为止的第二信号强度组成的第一子序列，以及到目标时刻的相邻时刻为止的第二信号强度组成的第二子序列；计算第一子序列中所有元素的平均值，与第二子序列中所有元素的平均值之间的差异作为突变程度；根据突变程度获取信号稳定程度，突变程度与信号稳定程度呈负相关关系。

获取到目标时刻为止的第二信号强度组成的第一子序列

，到目标时刻的相邻时刻为止的第二信号强度组成的第二子序列

，其中，J表示第J时刻，即目标时刻。计算测量数据包的信号稳定程度

：

其中，

表示第一子序列中所有元素的平均值，

表示第二子序列中所有元素的平均值。

第一子序列与第二子序列之间的平均值差值越大，说明在当前时刻的信号强度发生的突变越大，当前信号越不稳定。

步骤S003，基于每个测量数据包的第二信号强度的波动在同区域内所有第二信号强度的波动的占比获取对应的受干扰程度。

具体的步骤包括：

1.计算每个测量数据包的第一子序列与第二子序列之间的序列差异作为目标时刻下第二信号强度的波动。

利用动态时间归整算法（DTW）计算第一子序列

与第二子序列

之间的序列差异，通过DTW计算得到的序列之间的距离越大，序列差异越大，距离越小，两个序列越相似，序列差异越小。

2.获取每个测量数据包的受干扰程度。

分别计算同类别中每个测量数据包在目标时刻下的第一子序列与第二子序列之间的序列差异

，其中t表示第t个测量数据包，根据每个测量数据包对应的序列差异的占比计算受干扰程度：

其中，

表示第t个测量数据包在目标时刻下的受干扰程度，

表示第t个测量数据包对应的序列差异。

对于每个测量数据包，获取所有目标时刻下的受干扰程度，组成干扰序列

，其中t表示第t个测量数据包。

步骤S004，依据信号稳定程度和丢包率获取每个测量数据包的信号质量，并利用受干扰程度和信号质量预测未来信号质量，将未来信号质量与第一信号强度的标准信号质量相比较，判断对应的测量数据包传输时需要添加的冗余包的数量。

具体的步骤包括：

1.将预设时间段内的信号质量组成的质量序列输入预测网络，以受干扰程度作为损失权重，输出未来信号质量。

基于得到的质量序列，将其输入时间卷积网络（TCN），以该序列下一时刻的值作为标签，进行网络训练，TCN的损失函数为均方差损失函数，同时将所有时刻下的受干扰程度进行归一化，然后作为对应信号质量的损失权重，完成训练后，将当前预设时间段内的质量序列输入预测网络，输出为未来信号质量。

2.判断当前的测量数据包需要添加的冗余包的数量。

当未来信号质量小于标准信号质量时，追加一个冗余包并输入预测网络，再次比较输出的未来信号质量与标准信号质量的大小，追加冗余包直至输出的未来信号质量不小于标准信号质量，得到此时追加的冗余包的数量。

若得到的未来信号质量与标准信号质量相比较小，则此次传输的效率不达标，追加一个数据冗余包作为补充，并重新投入TCN中，再次得到的未来信号质量依旧小于标准信号质量，则此次传输效率仍不达标，多次重复上述步骤，直至追加Q个标准包后，评价结果大于等于标准结果。此时，Q为确定的追加标准包的数量。

综上所述，本发明实施例获取城市排水系统中每个待测量对象的测量数据包，以及测量数据包在静态干扰下单位时间内的第一信号强度，依据第一信号强度将城市排水系统划分为多个区域；对于每个区域，获取预设时间段内每个测量数据包在动态干扰下的第二信号强度，并采集对应的丢包率；根据第二信号强度的变化获取对应的测量数据包在预设时间段内的信号稳定程度；基于每个测量数据包的第二信号强度的波动在同区域内所有第二信号强度的波动的占比获取对应的受干扰程度；依据信号稳定程度和丢包率获取每个测量数据包的信号质量，并利用受干扰程度和信号质量预测未来信号质量，将未来信号质量与第一信号强度的标准信号质量相比较，判断对应的测量数据包传输时需要添加的冗余包的数量。本发明实施例能够保证传输效率的同时，增加最少的冗余包，降低传输功耗。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种物联网数据的冗余度控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

获取城市排水系统中每个待测量对象的测量数据包，以及所述测量数据包在静态干扰下单位时间内的第一信号强度，依据所述第一信号强度将所述城市排水系统划分为多个区域；

对于每个区域，获取预设时间段内每个所述测量数据包在动态干扰下的第二信号强度，并采集对应的丢包率；根据所述第二信号强度的变化获取对应的测量数据包在预设时间段内的信号稳定程度；

基于每个所述测量数据包的第二信号强度的波动在同区域内所有第二信号强度的波动的占比获取对应的受干扰程度；

依据所述信号稳定程度和所述丢包率获取每个所述测量数据包的信号质量，并利用所述受干扰程度和所述信号质量预测未来信号质量，将所述未来信号质量与所述第一信号强度的标准信号质量相比较，判断对应的测量数据包传输时需要添加的冗余包的数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量数据包的获取过程为：

采集每个待检测对象的测量数据，将所述测量数据压缩得到所述测量数据包利用无线传输发送至终端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述第一信号强度将所述城市排水系统划分为多个区域，包括：

将所述第一信号强度进行密度划分，分为预设数量的类别，每个类别中的待测量对象所在的位置组成一个区域。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号稳定程度的获取过程为：

获取到目标时刻为止的所述第二信号强度组成的第一子序列，以及到所述目标时刻的相邻时刻为止的第二信号强度组成的第二子序列；计算所述第一子序列中所有元素的平均值，与所述第二子序列中所有元素的平均值之间的差异作为突变程度，根据所述突变程度获取所述信号稳定程度，所述突变程度与所述信号稳定程度呈负相关关系。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二信号强度的波动的获取过程为：

计算每个所述测量数据包的所述第一子序列与所述第二子序列之间的序列差异作为所述目标时刻下所述第二信号强度的波动。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述未来信号质量的预测过程为：

将所述预设时间段内的所述信号质量组成的质量序列输入预测网络，以所述受干扰程度作为损失权重，输出所述未来信号质量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述冗余包的数量的判断过程为：

当所述未来信号质量小于所述标准信号质量时，追加一个冗余包并输入所述预测网络，再次比较输出的未来信号质量与所述标准信号质量的大小，追加冗余包直至输出的未来信号质量不小于所述标准信号质量，得到此时追加的冗余包的数量。

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