CN102361483A - 基于无线传感器网络的自适应农业信息数据管理方法 - Google Patents

基于无线传感器网络的自适应农业信息数据管理方法 Download PDF

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陈志�
李帅
岳文静
章韵
史倢
彭娅
骆平
崔华
梁小芮
朱起蕊
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Nanjing University of Posts and Telecommunications
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Abstract

本发明设计了一种基于web2.0的无线传感器网络自适应农业信息数据管理方法。它通过传感器模块和终端处理器的交互，实现农业信息数据的自适应控制与管理。同时在无线传感器网络中引入了web2.0技术，实现了用户与网络平台的交互：增加了“植物博客”模块，采用植物自述的形式，图形化显示植物周围环境的参数的最新动态。为方便用户查询，构建了基于网络、PC桌面、移动设备的多个无线传感器信息管理平台，实现用户的多渠道访问。

Description

基于无线传感器网络的自适应农业信息数据管理方法
技术领域
本发明提出一种基于无线传感器网络的农业信息管理方法。该方法主要解决农业环境下，无线传感器网络信息管理在体系架构、自适应性、实时性、鲁棒性方面存在的问题，属于无线传感器网络、互联网和数据库交叉技术领域。
背景技术
无线传感器网络具有重要的科研价值和广泛的应用前景，它的出现引起了全世界的广泛关注。无线传感器网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中不同位置的物理或环境状况，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。
无线传感器网络的研究领域存在着许多新的挑战，具体体现在以下方面：
(1)低能耗
传感器节点通常由电池供电，电池的容量一般不会很大。由于长期工作在无人值守的环境中，通常无法给传感器节点充电或者更换电池，一日电池用完，节点也就失去了作用。这要求在无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间；因而无线传感器网络中的各项技术和协议的使用一般都以节能为前提。
(2)实时性
无线传感器网络应用大多有实时性的要求。例如，目标在进入监测区域之后，网络***需要在一个很短的时问内对这一事件作出响应。其反应时间越短，***的性能就越好。又如，车载监控***需要每10ms读1次加速度仪的测量值，否则无法正确估计速度，导致交通事故。这些应用都对无线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战。
(3)低成本
组成无线传感器网络的节点数量众多，单个节点的价格会极大程度地影响***的成本。为了达到降低单个节点成本的目的，需要设计对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络***和通信协议。此外，还可以通过减少***管理与维护的开销来降低***的成本，这需要无线传感器网络***具有自配置和自修复的能力。
(4)安全和抗干扰
无线传感器网络***具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，同时也会带来严重的安全问题。如何使用较少的能量完成数据加密、身份认证、入侵检测以及在破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，也是无线传感器网络研究与设计面临的一个重要挑战。
(5)协作性
单个的传感器节点往往不能完成对目标的测量、跟踪和识别，而需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式得到最终结果。数据的传递协作涉及网络协议的设计和能量的消耗，也是目前研究热点之一。
由于无线传感器网络因为自身特点及其与现有网络的区别，导致已有网络中的许多技术并不能直接应用到其中。无线传感器网络技术和Web技术的结合是无线传感器网络的发展趋势，也是当前无线传感器网络实践应用中的薄弱环节。
网络技术的运用和发展有利于促进了社会各个产业的高速现代化进程。Web2.0是当前网络技术发展的热点和方向，Web2.0是相对Web1.0的新的一类互联网应用的统称。Web1.0的主要特点在于用户通过浏览器获取信息。Web2.0则更注重用户的交互作用，用户既是网站内容的浏览者，也是网站内容的制造者。所谓网站内容的制造者是说互联网上的每一个用户不再仅仅是互联网的读者，同时也成为互联网的作者。Web 2.0的应用可以让人了解目前万维网正在进行的一种改变——从一系列网站到一个成熟的为最终用户提供网络应用的服务平台。Web2.0的特点是鼓励作为信息最终利用者通过分享，使得可供分享的资源变得更丰盛；相反的，过去的各种网上分享方式则显得支离破碎。
从国内外的应用现状来看，无线传感网络和Web技术的联合应用已经涉及到军事、环境、医疗、家庭、工业等领域，并将进一步促进相关领域的现代化程度。本文针对无线传感器网络在现代农业中的应用，引入Web2.0网络技术，提出一种先进的自适应、实时高效的现代农业信息管理方法。针对无线传感器网络本身的局限性，本发明实现基于无线传感器网络的农业信息管理方法注重无线传感器网络在低能耗、实时性、安全性方面的改善。
本发明中提出的基于无线传感器网络的农业信息管理方法将无线传感器网络采集的数据存入数据库并形成经验数据库，本发明深入运用web2.0技术，涉及到web2.0的典型应用：博客(BLOG)、RSS、百科全书(Wiki)、社会网络(SNS)、即时信息(IM)，并在此基础上实现用户交流和农业信息管理；所述方法实现信息管理的多平台性：基于网络平台的无线传感器网络信息管理、基于PC桌面的无线传感器网络信息管理、基于移动设备的无线传感器网络信息管理。
发明内容
技术问题：本发明的目的是设计一种应用于农业生产的无线传感器网络自适应信息数据管理方法，该方法用于解决当前针对无线传感器网络在农业应用中数据管理中能耗大、响应时间长、成本高昂、安全性和抗干扰性差、节点间协作困难方面的不足。所述基于无线传感器网络的农业信息管理方法实现对农业信息的多平台管理，具有广泛应用范围，并提高了***信息管理的自适应性、高效性，降低了获取无线传感器网络数据的不适应性及部署成本。
技术方案：本发明采用基于无线传感器网络的信息管理方法，实现农业的多平台管理和高效管理。本发明通过将无线传感器网络采集的数据汇入数据库并形成经验数据库，用以现场农业指导；本发明采用将无线传感器网络抽象为一个数据库的方式，并在Web2.0基础上，实现对该抽象的传感数据库的基于网络平台的信息管理、基于移动设备的信息管理和基于PC桌面的信息管理。所述方法的多平台性拓宽了对农业信息管理的渠道。本发明提供了一种无线传感器网络技术和Web2.0技术联合使用的实现方式，解决了当前农业环境下信息管理的安全性、实时性和效率问题。
本发明实现的一种传感器网络数据查询***具有如下特征：在现有无线传感器硬件基础上实现；将传感器网络整体视为一个数据库，根据用户发出的查询请求内容，迁移到指定节点上开始执行查询直至查询任务完成，然后或者结束生命或者根据任务需要迁移到其它节点上去继续执行；查询处理***部署在网络管理基站之上而不是网络节点上，可以根据用户需要动态地改变***的功能，而不需要将改变的程序代码下载到网络中的所有节点上去。
基于无线传感器网络的自适应农业信息数据管理方法包括如下步骤：
步骤1：传感器采集相关农业信息并存入数据库***，传感器数据在存入数据库时，接受数据库应用***的处理工作，包括对数据进行有效性分析，即时丢弃明显错误的数据，
步骤2：数据库***根据历史农业生产经验和农作物生长状况，建立经验数据库，用以指导和调控农业生产活动；
步骤3：数据库应用***根据用户不同的平台需求、请求的形式和参数、返回结果的形式，决定数据类型，定义传感器数据库和经验数据库的具体实现；根据用户输入的查询参数信息确定查询需要执行的任务，根据查询任务内容确定代码内容、状态转换过程程序之间的协作关系，生成多个查询主体；
步骤4：网络管理平台对数据库***进行历史或即时的数据查询，同时实现植物“博客”功能，植物在“博客”上动态自述周围环境参数；所述的博客是一种通常由个人管理、不定期张贴新的文章、图片或影片的网页，博客上的文章通常根据张贴时间，以倒序方式由新到旧排列；
步骤5：PC桌面管理平台对数据库***进行历史或即时的数据查询；
步骤6：手持移动设备对数据库***进行直接、间接、历史、即时数据查询；
步骤7：数据库***针对网络信息管理平台、PC桌面管理平台和移动终端信息管理平台，分别定义、实现相应的查询反馈形式，显示反馈信息。
数据库***根据历史农业生产经验和农作物生长状况，建立经验数据库，用以指导和调控农业生产活动是指：数据库***获取历史农业生产经验，建立原始经验数据库。然后数据库***对接收到的传感器数据做统计处理和分析，计算植物在不同生长期间关键信息的最佳值，并用计算结果及时更新经验数据库，向节点反馈信息，指导农业生产。
网络管理平台对数据库***进行历史或即时的数据查询，同时实现植物“博客”功能是指：数据库应用***判断并分析用户的查询内容，决定访问本地数据库或者访问无线传感器抽象数据库；数据库应用***周期性地获取无线传感器抽象数据库中相关实时用户需求信息，将这些信息以文字、图片或视频的方式发送到网络管理平台，网络管理平台接收这些实时信息，以博客形式显示。
有益效果：本发明提出了一种基于web2.0的无线传感器自适应网络信息数据管理方法，并提出了基于这种管理方法的传感器数据应用平台。采用“无线传感器网络即数据库”的抽象技术，开发了基于网络平台的无线传感器网络信息管理、基于PC桌面的无线传感器网络信息管理、基于移动设备的无线传感器网络信息管理三大信息管理平台。本发明方法设计出的管理方法具有如下的一些显著优点：
(1)管理方法的自适应性：通过传感器模块和终端处理器的交互，实现农业信息数据的自适应控制与管理。
(2)管理方法的普遍性：无线传感器网络是一个新兴的研究领域，具有十分广阔的应用前景.利用无线传感器网络构建智能化的环境监测***是该领域一个重要的研究方向.本发明在现有无线传感器网络体系结构的基础上，完成了一种基于web2.0的传感器数据管理方法。该方法构建出的基于网络平台的管理应用，将用户获取农业生产信息的途径置于广阔的网络平台上，在这里用户可以实时得到农作物生长的各项环境指标；可以直观看到农作物自己的“博客”，来了解它们的生长状况；可以得到根据农业经验库及实时环境指标得到的生产指导意见；可以通过网站得到直观的数据分析图；也可以通过权限控制，看到其他用户的农作情况。而基于PC桌面的无线传感器网络信息管理平台上，更是集成了网络平台下某些核心的信息功能，并且提供用户实时交流功能，方便用户们及时对生产情况进行交流。最后，在基于移动设备的无线传感器网络信息管理中，将用户获取信息的途径拓展到移动设备上，无论用户足不出户，还有外出置办农资，只要手持一部手机就可以方便的了解到农作物的生长状况。基于以上三个平台，为用户及时得到节点信息以加强农业生产措施提供了普遍适用的平台，真正实现一种基于web2.0的无线传感器网络信息管理方法。
(3)管理方法的主动性：本发明强调管理的主动性，使得用户不用频繁的操作也能方便的获取信息。运用到Ajax技术，所有由传感器节点采集的数据，在存储如数据库之后，以一定的时间间隔自动刷新，使得用户在登录***后并可以直接获取最新数据，并且实时观测到数据的变化。
附图说明
图1基于web2.0的无线传感器网络自适应信息数据管理示意图。
具体实施方式
一、体系结构：本发明所述基于无线传感器网络的农业信息管理***由相关模块构成：查询任务分析模块、传感数据接收处理模块、生产指导意见模块、查询结果显示模块四大功能模块和基于网络平台的无线传感器网络信息管理、基于PC桌面的无线传感器网络信息管理、基于移动设备的无线传感器网络信息管理三大信息管理平台。这些模块和管理平台相互协作共同构成本发明中无线传感器信息数据管理方法。
传感数据接收处理模块：该模块主要负责传感器数据在存入数据库前的处理工作，包括对数据进行有效性分析，即时更新出错节点数据，增强***容错性。
查询任务分析模块：根据用户输入的即时查询请求参数信息确定查询需要执行的任务，根据查询任务内容确定代码内容、状态转换过程程序之间的协作关系，最终生成多个查询主体。
生产指导意见模块：将无线传感器节点实时采集的数据存储在数据库内，并根据长期积累的实际农产经验，产生类似专家***的经验数据库，当用户发送查询请求时，根据传感器数据库及经验数据的内容，产生相应的生产指导意见。
查询结果显示模块：依托本管理方法中的三大信息管理平台，针对用户的查询请求，在不同平台下，用户均可获得实时查询结果，并显示相应信息。
基于网络平台的无线传感器网络信息管理：采用应用最广泛的网络管理平台，设计以用户为中心的操作界面，通过前期调研数据，实现直接、间接、历史、即时查询功能。对于采集入数据库的节点数据，作有效性分析，即时更新出错节点数据，增强***容错性；实现数据实时更新；建立经验数据库，对已采集的节点数据做经验分析，增强***数据查询性能；增加“植物博客”模块，采用植物自述周围环境参数的形式，构建新型农业专家***。
基于PC桌面的无线传感器网络信息管理：在现有网络平台基础上，构建基于PC桌面形式的客户端，基于农业应用背景，本应用提供在线交流功能，方便用户之间信息的交互，并进行桌面软件的封装。
基于移动设备的无线传感器网络信息管理：此处将本数据管理软件的平台的应用范围推广，用户手持移动设备就可以实时准确的得到最新的节点数据。设计实现基于非智能平台的客户端具有更广阔的应用范围。
二、方法流程：
1、建立经验数据库
(1)采集传感数据
无线传感器网络负责具体农业环境下的相关数据采集工作。传感器数据在存入数据库时，接受数据库应用层的处理工作，包括对数据进行有效性分析，即时丢弃明显错误的数据。
(2)存储本地数据
通过无线传感器网络对数据进行采集和处理以后，相关数据信息存入本地主机数据库，用以生成经验数据库。
(3)产生本地经验数据库
根据实际农业生产经验，对传感器数据做统计处理，建立经验数据库，对已采集的节点数据做经验分析，增强***数据查询性能。本地经验数据库根据当前经验数据库的信息内容，判断当前农业环境的实时状态，并以触发方式向无线传感器网络发送反馈信息，指导改变当前的具体农业环境。
2、多平台访问传感数据库
本发明将农业环境下的无线传感器网络抽象成一个数据库，并实现对该数据库的多平台访问。
(1)用户查询分析
本发明根据用户不同的平台需求、请求的形式和参数、返回结果的形式，设计数据类型，定义传感器数据库。根据用户输入的查询参数信息确定查询需要执行的任务，根据查询任务内容确定代码内容、状态转换过程程序之间的协作关系，生成多个查询主体。
根据前期市场调查，了解在当今实际农业生产中信息获取的情况，分析现有农业传感器数据应用平台的限制性及性能缺陷，进行有针对性的改进，选择针对用户查询的信息管理平台。
(2)建立基于网络的数据管理平台
采用应用最广泛的网络管理平台，设计以用户为中心的操作界面，通过前期调研数据，实现直接、间接、历史、即时查询功能。增加“植物博客”模块，采用植物自述周围环境参数的形式，构建新型农业专家***。
(3)建立基于PC的数据管理平台
在现有网络平台基础上，构建基于PC桌面形式的客户端，主要实现用户间信息的交互，并进行桌面软件的封装。
(4)建立基于移动设备的数据管理平台
此处将本数据管理软件的平台的应用范围推广，用户手持移动设备就可以实时准确的得到最新的节点数据。设计实现基于非智能平台的客户端具有更广阔的应用范围。
(5)基于不同平台查询结果的显示
对于网络信息管理平台、PC桌面管理平台和移动终端信息管理平台的应用，设计相应的查询反馈形式，形成完整的多应用平台的传感数据管理应用管理方法。
下面对附图本发明的某些实施例作更详细的描述。
步骤一、构筑平台所需软硬件支持，包括实际无线传感器节点的安置、无线传感器网络监控网络的布置、三大管理平台的软件安装及相应的环境配置。
步骤二、传感数据接收处理。
传感器检测到的数据发送本地终端处理器，处理器对数据进行有效性分析，即时更新出错节点数据，增强***容错性。
步骤三、存储有效数据。
本地主机数据库接收经过有效性分析的数据，数据存储采用区域存储的策略，用以生成经验数据库。
步骤四、生成经验数据库。
数据库***根据历史农业生产经验和农作物生长状况，建立原始经验数据库；然后数据库***对接收到的传感器数据做统计处理和分析，得出植物在不同生长期间关键信息的最佳值，把这些数据融入经验数据库。同时本地经验数据库和无线传感器抽象数据库之间进行交互，无线传感器抽象数据库根据植物的环境和生长状况对经验数据库信息不断进行更新，经验数据库根据节点采集的数据信息，结合本地最佳信息，以触发方式向无线传感器网络发送反馈信息，指导改变当前的具体农业环境。
步骤五、用户查询
本发明根据用户不同的平台需求、请求的形式和参数、返回结果的形式，设计数据类型，定义传感器数据库。根据用户输入的查询参数信息确定查询需要执行的任务，根据查询任务内容确定代码内容、状态转换过程程序之间的协作关系，生成多个查询主体。
步骤六、构建基于网络的数据管理平台
采用web2.0技术构建网络管理平台，设计以用户为中心的操作界面，通过前期调研数据，实现直接、间接、历史、即时查询功能。实现植物“博客”功能(博客是一种通常由个人管理、不定期张贴新的文章、图片或影片的网页)，植物自述周围环境参数的形式，从而构建新型农业专家***。
步骤七、构建基于PC的数据管理平台
在交互网络平台基础上，构建基于PC桌面形式的客户端，主要实现用户间信息的交互，并进行桌面软件的封装。
步骤八、构建基于移动设备的数据管理平台
本数据管理软件的平台的应用范围推广，用户手持移动设备就可以实时准确的得到最新的节点数据实现基于非智能平台的客户端具有更广阔的应用范围。
步骤九、构建基于不同平台查询结果的显示
对于网络信息管理平台、PC桌面管理平台和移动终端信息管理平台的应用，分别设计相应的查询反馈形式，形成完整的多应用平台的传感数据管理应用管理方法。

Claims (3)

1.一种基于无线传感器网络的自适应农业信息数据管理方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤1：传感器采集相关农业信息并存入数据库***，传感器数据在存入数据库时，接受数据库应用***的处理工作，包括对数据进行有效性分析，即时丢弃明显错误的数据，
步骤2：数据库***根据历史农业生产经验和农作物生长状况，建立经验数据库，用以指导和调控农业生产活动；
步骤3：数据库应用***根据用户不同的平台需求、请求的形式和参数、返回结果的形式，决定数据类型，定义传感器数据库和经验数据库的具体实现；根据用户输入的查询参数信息确定查询需要执行的任务，根据查询任务内容确定代码内容、状态转换过程程序之间的协作关系，生成多个查询主体；
步骤4：网络管理平台对数据库***进行历史或即时的数据查询，同时实现植物“博客”功能，植物在“博客”上动态自述周围环境参数；所述的博客是一种通常由个人管理、不定期张贴新的文章、图片或影片的网页，博客上的文章通常根据张贴时间，以倒序方式由新到旧排列；
步骤5：PC桌面管理平台对数据库***进行历史或即时的数据查询；
步骤6：手持移动设备对数据库***进行直接、间接、历史、即时数据查询；
步骤7：数据库***针对网络信息管理平台、PC桌面管理平台和移动终端信息管理平台，分别定义、实现相应的查询反馈形式，显示反馈信息。
2.权利要求1所述的一种无线传感器网络自适应信息数据管理方法，其特征在于数据库***根据历史农业生产经验和农作物生长状况，建立经验数据库，用以指导和调控农业生产活动是指：数据库***获取历史农业生产经验，建立原始经验数据库。然后数据库***对接收到的传感器数据做统计处理和分析，计算植物在不同生长期间关键信息的最佳值，并用计算结果及时更新经验数据库，向节点反馈信息，指导农业生产。
3.权利要求1所述的一种无线传感器网络自适应信息数据管理方法，其特征在于网络管理平台对数据库***进行历史或即时的数据查询，同时实现植物“博客”功能是指：数据库应用***判断并分析用户的查询内容，决定访问本地数据库或者访问无线传感器抽象数据库；数据库应用***周期性地获取无线传感器抽象数据库中相关实时用户需求信息，将这些信息以文字、图片或视频的方式发送到网络管理平台，网络管理平台接收这些实时信息，以博客形式显示。
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