CN110487332A - 一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及NB‑IoT、边缘计算、数据众包和物联网领域，具体提供了一种基于NB‑IoT和观测仪器的数据采集***及方法。与现有技术相比，本发明的基于NB‑IoT和观测仪器的数据采集***由搭建在船舰上的NB‑IoT基站、海洋观测仪器和云中心组成，船舰上的NB‑IoT基站架设边缘计算资源部署，实现对海洋观测仪器数据的收集；海洋观测仪器是用于海洋观测和测量海洋的基本工具，完成与所述NB‑IoT基站的交互，选择合适的NB‑IoT基站完成数据的上传；云中心提供NB‑IoT基站侧和海洋观测仪器侧的数据处理程序，实现NB‑IoT基站与海洋观测仪器的数据交互功能，完成海洋观测仪器的打包数据的接收。利用NB‑IoT网络将海洋观测仪器、船舰和云中心结合的特点，在海洋数据收集领域具有良好的推广价值。

Description

一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***及方法
技术领域
本发明涉及NB-IoT、边缘计算、数据众包和物联网技术领域，具体提供一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***及方法。
背景技术
众包的定义是一个公司或机构把过去由内部员工执行的工作任务，以自由自愿的形式外包给非特定的大众网络的做法，其本质就是通过互联网以自由自愿的形式将众包任务交由大众群体来完成的一种解决问题的方式。在这一个过程中，只需要给众包任务贡献者支付少量报酬甚至有时是免费的，这样极大的提升了任务的执行效率并且大幅度的降低了成本，众包方式已经开始颠覆传统的产业结构。
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)是2015年9月在3GPP标准组织中立项提出的一种新的窄带蜂窝通信LPWAN技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具有广覆盖、低功耗、低成本、大连接的特点，特别适合于大规模物联网应用的部署，其覆盖距离可达上百公里。
海洋自古以来就与人类的生产、生活及军事活动密切相关，近年来，由于温室效应不断积累，导致温度上升，造成全球气候变暖，也使全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升，大陆和海洋温差变小，海洋环境的变化，使得海洋环境监测变得至关重要。海洋观测仪器是用于海洋观测和测量海洋的基本工具，每年都会投放大量的仪器，例如在热带海洋与全球大气(TOGA)计划中，每年投放的抛弃式深温计(XBT)达3万个，漂流浮标达到230个。在仪器监测过程中，一方面，卫星通信费用昂贵，且宽带有限，通过卫星传输大量数据并不现实，另一方面，监测数据也不需要实时回传到中心，但希望尽快接收到数据进行分析。在这种情况下，如何有效、低成本、高效安全的收集数据成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种设计合理，安全适用的基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***。
本发明进一步的技术任务是提供一种实用性强的基于NB-IoT和观测仪器的数据采集方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***由搭建在船舰上的NB-IoT基站、海洋观测仪器和云中心组成，
所述船舰上的NB-IoT基站架设边缘计算资源部署，用于采集***以及在航行中执行众包任务，实现对海洋观测仪器数据的收集；
所述海洋观测仪器是用于海洋观测和测量海洋的基本工具，其内部的NB-IoT通信模块用于开启NB-IoT心跳请求，完成与所述NB-IoT基站的交互，选择合适的NB-IoT基站完成数据的上传；
所述云中心提供NB-IoT基站侧和海洋观测仪器侧的数据处理程序，实现NB-IoT基站与海洋观测仪器的数据交互功能，完成所述海洋观测仪器的打包数据的接收。
进一步的，所述船舰上的NB-IoT基站提供NB-IoT网络服务，实现与海洋观测仪器的数据交互；通过3G、4G或WIFI与云中心交互。
进一步的，所述NB-IoT基站的数据采集***用于提供任务接收、任务执行、数据分析、数据压缩、数据处理，通过3G、4G或WIFI完成众包任务分配和接收，同时将暂存在船舰中的数据上传至云中心，完成海洋传感数据采集众包任务。
进一步的，所述云中心包括众包平台，通过众包平台实现海洋观测仪器采集数据众包任务的发布和管理。
进一步的，所述众包任务中包含对于海洋观测仪的ID标识、GPS位置、路径规划、数据格式、数据要求以及所包含的元数据。
作为优选，所述海洋观测仪器由观测传感器、NB-IoT通信模块、GPS定位装置、加密模块以及储存模块组成，
所述观测传感器用于收集传感数据；
所述NB-IoT通信模块定时开启NB-IoT心跳请求，完成与NB-IoT基站的交互；
所述GPS定位装置用于确定位置；
所述加密模块用于对收集的传感数据进行加密；
所述储存模块用于对收集的传感数据进行储存。
为海洋上行驶的大量船舰资源增加NB-IoT基站及边缘计算存储能力，利用NB-IoT基站同时结合船舰的路径规划及作业范围情况，通过众包方式实现采集遍布在海洋中的海洋观测仪器收集到的传感数据；通过船舰收集的海洋传感数据在船舰靠岸或接近互联网网络时，传入核心网汇集到云中心，完成海洋传感数据采集众包任务。
进一步的，所述船舰在所述云中心众包平台进行注册，提交所述船舰上NB-IoT基站情况、计算资源情况、航行路线及作业路线信息；
所述云中心将众包任务与所述船舰进行匹配，并根据船舰基本信息，下载NB-IoT基站侧数据处理程序到所述的船舰的数据采集***；
所述海洋观测仪器从所述云中心下载仪器侧的数据处理程序，分配数字证书并将私钥灌到海洋观测仪器当中，并将其投放进入海洋。
进一步的，具体步骤如下：
S1、船舰进行海上航行，通过NB-IoT基站覆盖网络，等待连接；
S2、所述的海洋观测仪器定时发送NB-IoT心跳请求；
S3、所述船舰接收到心跳包，通过NB-IoT基站发送应答消息，进而所述海洋观测仪器与船舰通过NB-IoT网络建立连接；
S4、所述海洋观测仪器发送其本地数据情况、上传数据任务执行情况及位置定位信息；
S5、所述船舰接收到数据，通过船舰本地数据采集***查询其数据众包任务，如果不存在任何数据众包任务，则发送无任务消息，断开连接，不再响应海洋观测仪器的请求；如果存在数据众包任务，则将其对应的来自云中心最新的数据任务执行情况发送给所述的海洋观测仪器；
S6、所述海洋观测仪接收来自所述船舰信息，结合本地时间戳，更新本地数据任务执行情况；
S7、如果存在需要执行的数据众包任务，所述船舰估算航行中覆盖的海洋观测仪器网络的时间及上传数据容量，并将所述海洋观测仪器需要执行数据众包任务、需要上传数据内容的元数据、船舰网络覆盖的基本情况、船舰数据回传云中心时间，发送给所述海洋观测仪器；否则，无需执行数据上传任务，则断开连接，不再响应所述海洋观测仪器的请求；
S8、所述海洋观测仪器接收数据，根据众包数据采集任务，再结合船舰网络覆盖的基本情况和船舰数据回传云中心的时间，准备将上传的数据进行压缩，并利用本地加密模块对数据进行加密和数字签名操作，形成数字信封，进行数据的上传；
S9、所述海洋观测仪器生成NB-IOT数据上传任务，将任务信息发送给所述船舰；
S10、所述船舰接收到任务消息并确认，等待接收；所述海洋观测仪器分包上传数据；船舰接收数据，并储存在本地；
S11、数据上传任务执行完毕，所述海洋观测仪器与船舰更新各自任务执行情况，断开连接，完成本次交互；
S12、所述船舰到达网络覆盖区域，将船舰本地数据上传至所述云中心众包平台；
S13、所述云中心利用海洋观测仪器所有者的私钥解开众包上传的数字信封，验证其有效性、获得原始数据，并更新任务状态。
作为优选，所述加密模块中安全加解密采用SHA256算法作为摘要算法，对称加解密采用AES算法；所述数字签名算法采用SHA256WithECC，数字信封采用PKCS7格式，数字证书采用X509格式。
本发明的基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***及方法和现有技术相比，具有以下突出的有益效果：
(1)有效利用海洋上行驶的船舰资源，为海洋上行驶的大量船舰增加NB-IoT基站及边缘计算存储能力，完成NB-IoT网络与海洋观测仪器间的数据交互，通过NB-IoT网络，海上覆盖距离更广，进一步提升海洋观测仪器数据回传的可能性，结合船舰的机动性、路径规划及作业范围情况，通过众包方式实现了采集遍布在海洋中的海洋观测仪器收集到的传感数据，解决了海洋物联网设备的低成本、高效的数据回传问题。
(2)采用众包的方式，利用了现有船舰资源，收集的海洋传感数据在船舰靠岸或接近低成本互联网网络时，传入核心网汇集到云端中心，相比传统的设备回收方式，一方面降低了数据采集成本，另一方面提高了数据时效性。
(3)海洋观测仪器通过动态选择NB-IoT基站的方法，进一步提高了数据及网络的使用效率，而众包任务的持续更新也减小了海洋观测仪器的存储压力，另外，采用NB-IoT通信也减轻了供电的压力。
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。
附图1是一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集方法的流程图；
附图2是一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明的方案，下面结合具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
下面给出一个最佳实施例：
如图2所述，本实施例中的基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***由搭建在船舰上的NB-IoT基站、海洋观测仪器和云中心组成，
船舰上的NB-IoT基站架设边缘计算资源部署，NB-IoT基站的数据采集***用于提供任务接收、任务执行、数据分析、数据压缩、数据处理，通过3G、4G或WIFI完成众包任务分配和接收，同时将暂存在船舰中的数据上传至云中心，完成海洋传感数据采集众包任务。
海洋观测仪器是用于海洋观测和测量海洋的基本工具，由观测传感器、NB-IoT通信模块、GPS定位装置、加密模块以及储存模块组成。观测传感器用于收集传感数据；NB-IoT通信模块定时开启NB-IoT心跳请求，完成与NB-IoT基站的交互；GPS定位装置用于确定位置；加密模块用于对收集的传感数据进行加密；储存模块用于对收集的传感数据进行储存。完成与船舰中NB-IoT基站的交互，选择合适的NB-IoT基站完成数据的上传。
云中心提供NB-IoT基站侧和海洋观测仪器侧的数据处理程序，实现NB-IoT基站与海洋观测仪器的数据交互功能，完成所述海洋观测仪器的打包数据的接收。云中心还包括众包平台，通过众包平台实现海洋观测仪器采集数据众包任务的发布和管理。众包任务中包含对于海洋观测仪的ID标识、GPS位置、路径规划、数据格式、数据要求以及所包含的元数据。
船舰上的NB-IoT基站提供NB-IoT网络服务，实现与海洋观测仪器的数据交互；通过3G、4G或WIFI与云中心交互。
如图1所示，基于上述***，关于NB-IoT和观测仪器的数据采集方法为：为海洋上行驶的大量船舰资源增加NB-IoT基站及边缘计算存储能力，利用NB-IoT广覆盖、低功耗、低成本、大连接的特点，同时结合船舰的机动性、路径规划及作业范围情况，通过众包方式实现采集遍布在海洋中的海洋观测仪器收集到的传感数据；通过船舰收集的海洋传感数据在船舰靠岸或接近互联网网络时，传入核心网汇集到云中心，完成海洋传感数据采集众包任务。
其中，该方法的具体步骤为：
S1、海洋观测仪器的拥有者发布数据采集任务，数据采集任务采集的基本信息包含采集数据内容、时效、观测仪器标识、大致活动区域，同时生成NB-IoT基站侧和仪器侧的数据处理程序。
S2、海洋观测仪器从云中心下载仪器侧的数据处理程序，分配数字证书将私钥灌到海洋观测仪器中，并将其投放至海洋。
S3、船舰在云中心众包平台进行注册，提交船舰上NB-IoT基站情况、计算资源情况、航行路线及作业路线的信息。
S4、云中心将众包任务与船舰进行匹配，并根据船舰基本信息，下载NB-IoT基站侧数据处理程序到船舰的数据采集***中。
S5、船舰进行海上航行，通过船舰上NB-IoT基站覆盖网络，等待海洋观测仪器连接。
S6、海洋观测仪器定时发送NB-IoT心跳请求，包含其海洋观测仪器的ID。
S7、船舰接收到心跳包，通过船舰上的NB-IoT基站发送应答消息，包含船舰标识的信息；
S8、海洋观测仪器与船舰通过NB-IoT网络建立连接。
S9、海洋观测仪器发送本地数据情况、上传数据任务执行情况及位置定位信息。
S10、船舰接收数据，通过船舰本地数据采集***查询其数据众包任务，如果不存在任何数据众包任务，则发送无任务消息，断开连接，不再响应海洋观测仪器的请求；如果存在数据众包任务，则将其对应的来自云中心最新的数据任务执行情况发送至海洋观测仪器，来自云中心最新的数据中包含时间戳。
S11、海洋观测仪器接收来自船舰的信息，结合本地时间戳，更新本地数据任务执行情况。
S12、如果存在需要执行的数据众包任务，船舰航行中覆盖的海洋观测仪器的网络时间及上传数据容量，并将海洋观测仪器需要执行数据众包任务、需要上传数据内容的元数据，船舰网络覆盖的基本情况、船舰数据回传云中心时间的信息，发送该海洋观测仪器；否则，无需执行数据上传任务，断开连接，不再响应海洋观测仪器的请求。
S13、海洋观测仪器接收数据，根据众包数据采集任务，结合船舰网络覆盖的基本情况和船舰数据回传云中心时间的信息，准备上传数据。
S14、海洋观测仪器将上传数据进行压缩、并利用本地加密模块对数据进行加密和数字签名操作，形成数字信封。
S15、海洋观测仪器生成NB-IoT数据上传任务，将任务信息发送给船舰，其中，任务信息包含上传的数据列表及数据大小的信息。
S16、船舰接收到任务信息并确认，等待数据发送。
S17、海洋观测仪器分包上传数据。
S18、船舰接收数据，并储存在本地。
S19、数据上传任务执行完毕，海洋观测仪器与船舰更新各自任务执行情况，断开连接，完长本次交互。
S20、海洋观测仪器最多上传三次副本，如果发现多个NB-IoT基站，通过数据交互，综合船舰回传时间、网络覆盖时间，距离等多种因素，选择最优连接。
S21、船舰到达网络覆盖区域，将船舰本地数据上传到云中心众包平台。
S22、云中心利用海洋观测仪器所有者的私钥解开众包上传的数字信封，验证其有效性，获得原始数据并更新任务状态。
船舰更新其航行信息，并获得最新的众包任务列表，然后重复步骤S1-S22。
其中，加密模块中安全加解密采用SHA256算法作为摘要算法，对称加解密采用AES算法；所述数字签名算法采用SHA256WithECC，数字信封采用PKCS7格式，数字证书采用X509格式。
上述具体的实施方式仅是本发明具体的个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体的实施方式，任何符合本发明的基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***及方法权利要求书的且任何所述技术领域普通技术人员对其做出的适当变化或者替换，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***，其特征在于：由搭建在船舰上的NB-IoT基站、海洋观测仪器和云中心组成，
所述船舰上的NB-IoT基站架设边缘计算资源部署，用于采集***以及在航行中执行众包任务，实现对海洋观测仪器数据的收集；
所述海洋观测仪器是用于海洋观测和测量海洋的基本工具，其内部的NB-IoT通信模块用于开启NB-IoT心跳请求，完成与所述NB-IoT基站的交互，选择合适的NB-IoT基站完成数据的上传；
所述云中心提供NB-IoT基站侧和海洋观测仪器侧的数据处理程序，实现NB-IoT基站与海洋观测仪器的数据交互功能，完成所述海洋观测仪器的打包数据的接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***，其特征在于：所述船舰上的NB-IoT基站提供NB-IoT网络服务，实现与海洋观测仪器的数据交互；通过3G、4G或WIFI与云中心交互。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***，其特征在于：所述NB-IoT基站的数据采集***用于提供任务接收、任务执行、数据分析、数据压缩、数据处理，通过3G、4G或WIFI完成众包任务分配和接收，同时将暂存在船舰中的数据上传至云中心，完成海洋传感数据采集众包任务。
4.根据权利要求3所述的一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***，其特征在于：所述云中心包括众包平台，通过众包平台实现海洋观测仪器采集数据众包任务的发布和管理。
5.根据权利要求4所述的一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***，其特征在于：所述众包任务中包含对于海洋观测仪的ID标识、GPS位置、路径规划、数据格式、数据要求以及所包含的元数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集***，其特征在于：所述海洋观测仪器由观测传感器、NB-IoT通信模块、GPS定位装置、加密模块以及储存模块组成，
所述观测传感器用于收集传感数据；
所述NB-IoT通信模块定时开启NB-IoT心跳请求，完成与NB-IoT基站的交互；
所述GPS定位装置用于确定位置；
所述加密模块用于对收集的传感数据进行加密；
所述储存模块用于对收集的传感数据进行储存。
7.一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集方法，其特征在于：为海洋上行驶的大量船舰资源增加NB-IoT基站及边缘计算存储能力，利用NB-IoT基站同时结合船舰的路径规划及作业范围情况，通过众包方式实现采集遍布在海洋中的海洋观测仪器收集到的传感数据；通过船舰收集的海洋传感数据在船舰靠岸或接近互联网网络时，传入核心网汇集到云中心，完成海洋传感数据采集众包任务。
8.根据权利要求7所述的一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集方法，其特征在于：
所述船舰在所述云中心众包平台进行注册，提交所述船舰上NB-IoT基站情况、计算资源情况、航行路线及作业路线信息；
所述云中心将众包任务与所述船舰进行匹配，并根据船舰基本信息，下载NB-IoT基站侧数据处理程序到所述的船舰的数据采集***；
所述海洋观测仪器从所述云中心下载仪器侧的数据处理程序，分配数字证书并将私钥灌到海洋观测仪器当中，并将其投放进入海洋。
9.根据权利要求8所述的一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集方法，其特征在于：具体的方法如下，
S1、船舰进行海上航行，通过NB-IoT基站覆盖网络，等待连接；
S2、所述的海洋观测仪器定时发送NB-IoT心跳请求；
S3、所述船舰接收到心跳包，通过NB-IoT基站发送应答消息，进而所述海洋观测仪器与船舰通过NB-IoT网络建立连接；
S4、所述海洋观测仪器发送其本地数据情况、上传数据任务执行情况及位置定位信息；
S5、所述船舰接收到数据，通过船舰本地数据采集***查询其数据众包任务，如果不存在任何数据众包任务，则发送无任务消息，断开连接，不再响应海洋观测仪器的请求；如果存在数据众包任务，则将其对应的来自云中心最新的数据任务执行情况发送给所述的海洋观测仪器；
S6、所述海洋观测仪接收来自所述船舰信息，结合本地时间戳，更新本地数据任务执行情况；
S7、如果存在需要执行的数据众包任务，所述船舰估算航行中覆盖的海洋观测仪器网络的时间及上传数据容量，并将所述海洋观测仪器需要执行数据众包任务、需要上传数据内容的元数据、船舰网络覆盖的基本情况、船舰数据回传云中心时间，发送给所述海洋观测仪器；否则，无需执行数据上传任务，则断开连接，不再响应所述海洋观测仪器的请求；
S8、所述海洋观测仪器接收数据，根据众包数据采集任务，再结合船舰网络覆盖的基本情况和船舰数据回传云中心的时间，准备将上传的数据进行压缩，并利用本地加密模块对数据进行加密和数字签名操作，形成数字信封，进行数据的上传；
S9、所述海洋观测仪器生成NB-IOT数据上传任务，将任务信息发送给所述船舰；
S10、所述船舰接收到任务消息并确认，等待接收；所述海洋观测仪器分包上传数据；船舰接收数据，并储存在本地；
S11、数据上传任务执行完毕，所述海洋观测仪器与船舰更新各自任务执行情况，断开连接，完成本次交互；
S12、所述船舰到达网络覆盖区域，将船舰本地数据上传至所述云中心众包平台；
S13、所述云中心利用海洋观测仪器所有者的私钥解开众包上传的数字信封，验证其有效性、获得原始数据，并更新任务状态。
10.根据权利要求9所述的一种基于NB-IoT和观测仪器的数据采集方法，其特征在于：所述加密模块中安全加解密采用SHA256算法作为摘要算法，对称加解密采用AES算法；所述数字签名算法采用SHA256WithECC，数字信封采用PKCS7格式，数字证书采用X509格式。
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