一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统

本发明涉及设施农业监测领域，具体涉及一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统。

背景技术：

1、随着农业现代化的推进，设施农业监测成为了提高农作物产量和品质的重要手段。传统的农田监测方法存在人力成本高、数据采集效率低等问题，已无法满足现代农业的发展需求。因此，迫切需要一种高效、智能的监测技术来替代传统方法。无线传感器网络技术的快速发展为设施农业监测提供了新的解决方案。将无线传感器节点被部署在监测区域内，通过无线方式通讯，以实现对环境信息的实时监测和数据传输。近年来，无线传感器网络在农业环境监测中展现出巨大的应用潜力。

2、但是，农业环境复杂且变化多样，如温度、湿度和光照等，传统农业监测无线传感器网络往往采用固定的传感器节点采集频率、供电方式、通讯协议和通讯速率，无法适应农业生产的动态变化，因此受到农业环境干扰影响大，适应性和稳定性差。

3、因此，需要一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，能够根据实时环境监测的结果进行自动调整和优化，提高监测数据的准确性和实时性，自动化、智能化程度高。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，包括：

4、监测传感模块，所述监测传感模块采用多个传感器节点采集设施农业监测区域内的环境参数，传感器节点内置多类型低功耗传感芯片组，所述监测传感模块通过协同机制对不同类型传感芯片采集的数据进行交叉验证和比对，以去除错误数据；

5、无线通讯模块，所述无线通讯模块采用无线通讯网络实现不同传感器节点之间的数据通讯和信息交换，并将不同传感器节点采集的数据收发至云端汇聚节点进行下一步处理，所述无线通讯模块采用改进式smdp强化决策算法自适应调整无线通讯网络的通讯速率和通讯协议，并通过建立节点多跳通讯路径和多路径传输机制应对无线通讯网络存在的通讯干扰和故障；

6、处理调度模块，所述处理调度模块采用自适应调度策略模型进行多个传感器节点的监测任务调度，所述自适应调度策略模型根据农业生产的需求和设施农业环境参数的监测结果动态调整传感器节点的监测任务和数据采集频率；

7、电源管理模块，所述电源管理模块采用能源管理模型动态调整电源供应策略，所述能源管理模型通过休眠唤醒机制管理传感器节点的能耗，并根据传感器节点、无线通讯模块以及处理调度模块的能耗需求动态调整电力输出；

8、实时监控模块，所述实时监控模块通过可视化平台对设施农业监测区域内的环境参数和无线通讯状态参数进行实时数据监控、历史数据查询和远程控制，并采用用户接口实现用户与可视化平台的交互操作。

9、进一步地，所述多类型低功耗传感芯片组至少包括温度传感芯片、湿度传感芯片、土壤湿度传感芯片、光照传感芯片、二氧化碳传感芯片和电导率传感芯片。

10、进一步地，所述改进式smdp强化决策算法根据通信距离、数据量、网络负载和信道质量动态调整通讯策略，所述改进式smdp强化决策算法的工作方法包括以下步骤：

11、s1、定义无线通讯网络的状态参数和通讯策略，并初始化计算参数，所述状态参数至少包括信道质量、网络拓扑结构、传输速率和协议类型，所述计算参数包括学习率、行为评价值函数、折扣因子和策略参数；

12、s2、根据设施农业监测的需求和无线通讯网络的性能指标增加状态效用函数的奖励项和惩罚项，以评估不同通讯策略的优劣，无线通讯网络数据传输成功率小于预设阈值时，增加奖励项，数据成功传输至汇聚节点的用时小于预设阈值时，增加奖励项，当前无线通讯网络同时传输数据的传感器节点大于上一时刻的传感器节点时，增加奖励项，否则增加惩罚项；

13、s3、基于行为评价值进行通讯策略的迭代优化，根据当前通讯策略在无线通讯网络的通讯协议库中选择通讯协议和通讯速率并执行动作，记录执行动作过程中无线通讯网络的状态转移、累计奖励或惩罚以及转移后的状态，并基于贝尔曼方程和记录数据计算行为评价值，将通讯策略的期望效用值进行排序，选取期望效用值最高的通讯策略作为当前选择的策略；

14、s4、根据当前选择的通讯策略执行数据传输操作，并根据传输结果更新所述状态参数和计算参数，将当前状态及对应的行为评价值记录至历史状态列表中；

15、s5、根据历史状态列表和行为评价值函数进行训练，并不断调整行为评价值函数的值和通讯策略的选择；

16、s6、在通讯过程中，根据通信距离、数据量、网络负载和信道质量因素动态调整通讯策略，重复执行步骤s2-步骤s6，直到达到预设的结束条件。

17、进一步地，所述通讯协议库至少包括zigbee短距离无线传感器网络协议、lora长程低功耗无线通信协议、wi-fi无线局域网协议和nb-iot窄带物联网协议。

18、进一步地，所述节点多跳通讯路径通过多个节点之间的数据中继传输实现数据的跨节点传输，所述多路径传输机制将待传输的数据包分割成多个数据块，通过不同的传输路径进行传输，并采用备用驱动卡实现传输路径故障时的路径切换。

19、进一步地，所述备用驱动卡包括高速串行扩展总线pcie和备用控制驱动电路，所述高速串行扩展总线pcie采用qos抗延迟阻塞服务引擎实现故障传输路径和备用传输路径的端对端通讯。

20、进一步地，所述自适应调度策略模型包括输入层、数据层、模型层、算法层、优化层和输出层，所述自适应调度策略模型的工作方法包括以下步骤：

21、步骤1、通过输入层接收用户的需求和设施农业监测区域的环境参数，并进行格式转换，然后，将数据传递给数据层进行进一步处理，所述环境参数至少包括温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度；

22、步骤2、所述数据层对输入层传递来的数据进行预处理和清洗，并采用主成分分析法将来自不同传感器节点的数据进行整合，生成数据集；

23、步骤3、所述模型层从生成的数据集中获取限制条件，并基于限制条件建立最优调度数学模型，所述限制条件包括计算规模、目标函数、约束条件和变量范围；

24、步骤4、所述算法层基于时序预测算法对数据集进行分类和预测，以发现和挖掘数据中的潜在规律和模式，并根据分类和预测结果对传感器节点的监测任务和数据采集频率进行动态调整；

25、步骤5、通过优化层进行迭代计算、参数修正以及计算结果和真实值比较，并通过自适应参数选择方式设置阈值和迭代次数，所述优化层采用并行计算方式将计算任务分配给多个处理器或计算节点，以提高计算速度；

26、步骤6、所述输出层将模型训练结果以及节点的任务调度和数据采集频率传递给处理调度模块，实现对传感器节点的动态调度和任务分配。

27、进一步地，所述时序预测算法根据历史时刻的环境参数预测下一时刻环境参数的变化，历史时刻的环境参数采集数据集为，影响传感器节点监测任务的环境参数特征数据集为，t+1时刻影响传感器节点监测任务的环境参数特征预测输出函数为：

28、

29、在公式中，为t+1时刻影响传感器节点监测任务的环境参数特征，为影响传感器节点监测任务的环境参数特征预测加权函数，用于调整不同历史数据点对预测值的影响程度，为t时刻影响传感器节点监测任务的环境参数特征，为t-1时刻影响传感器节点监测任务的环境参数特征，为t时刻环境参数采集数据，为t-1时刻环境参数采集数据，为环境参数采集时刻的序数，。

30、进一步地，所述能源管理模型采用边缘计算方式将传感器节点当前的工作状态和电源使用情况与预设值进行对比获取传感器节点的工作强度，并基于工作强度匹配电源工作模式，所述休眠唤醒机制根据监测需求和传感器节点状态自动调整传感器节点的休眠和唤醒周期。

31、本发明的有益效果为：

32、1、本发明通过监测传感模块中的多类型低功耗传感芯片组，能够全面采集设施农业监测区域内的各种环境参数，并应用协同机制对不同类型传感芯片采集的数据进行交叉验证和比对，有效去除了错误数据，提高了数据的准确性和可靠性。

33、2、本发明无线通讯模块采用改进式smdp强化决策算法，能够根据网络状况自适应调整通讯速率和通讯协议，优化了数据传输效率，并建立节点多跳通讯路径和多路径传输机制，有效应对了无线通讯网络中的通讯干扰和故障，增强了网络的稳定性和可靠性。

34、3、本发明采用自适应调度策略模型，能够根据农业生产的需求和农业环境的监测结果动态调整传感器节点的监测任务和数据采集频率，从而优化了资源利用，确保了传感器节点能够高效地完成监测任务，同时减少了不必要的能耗，并采用能源管理模型，能够动态调整电源供应策略，以适应不同监测任务的需求，休眠唤醒机制的应用，有效管理了传感器节点的能耗，延长了网络的整体使用寿命。

技术特征：

1.一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，其特征在于，所述多类型低功耗传感芯片组至少包括温度传感芯片、湿度传感芯片、土壤湿度传感芯片、光照传感芯片、二氧化碳传感芯片和电导率传感芯片。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，其特征在于，所述改进式smdp强化决策算法根据通信距离、数据量、网络负载和信道质量动态调整通讯策略，所述改进式smdp强化决策算法的工作方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，其特征在于，所述通讯协议库至少包括zigbee短距离无线传感器网络协议、lora长程低功耗无线通信协议、wi-fi无线局域网协议和nb-iot窄带物联网协议。

5.根据权利要求1所述的一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，其特征在于，所述节点多跳通讯路径通过多个节点之间的数据中继传输实现数据的跨节点传输，所述多路径传输机制将待传输的数据包分割成多个数据块，通过不同的传输路径进行传输，并采用备用驱动卡实现传输路径故障时的路径切换。

6.根据权利要求5所述的一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，其特征在于，所述备用驱动卡包括高速串行扩展总线pcie和备用控制驱动电路，所述高速串行扩展总线pcie采用qos抗延迟阻塞服务引擎实现故障传输路径和备用传输路径的端对端通讯。

7.根据权利要求1所述的一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，其特征在于，所述自适应调度策略模型包括输入层、数据层、模型层、算法层、优化层和输出层，所述自适应调度策略模型的工作方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，其特征在于，所述时序预测算法根据历史时刻的环境参数预测下一时刻环境参数的变化，历史时刻的环境参数采集数据集为，影响传感器节点监测任务的环境参数特征数据集为，t+1时刻影响传感器节点监测任务的环境参数特征预测输出函数为：

9.根据权利要求1所述的一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，其特征在于，所述能源管理模型采用边缘计算方式将传感器节点当前的工作状态和电源使用情况与预设值进行对比获取传感器节点的工作强度，并基于工作强度匹配电源工作模式，所述休眠唤醒机制根据监测需求和传感器节点状态自动调整传感器节点的休眠和唤醒周期。

技术总结
本发明公开了一种基于自适应无线通讯的设施农业监测系统，涉及设施农业监测领域，包括监测传感模块、无线通讯模块、处理调度模块、电源管理模块和实时监控模块，采用改进式SMDP强化决策算法自适应调整通讯速率和通讯协议，并建立节点多跳通讯路径和多路径传输机制应对无线通讯网络中的通讯干扰和故障，采用自适应调度策略模型动态调整传感器节点的监测任务和数据采集频率，并采用能源管理模型和休眠唤醒机制动态调整电源供应策略；解决的是传统设施农业监测系统无法适应农业生产的动态变化的问题，本发明能够根据实时环境监测的结果进行自动调整和优化，提高监测数据的准确性和实时性。

技术研发人员：郭小春,李晓芳,周佳南,程晓玲,徐嘉,彭林,傅雨旭,严锡君
受保护的技术使用者：南昌理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5