专利摘要

本发明公开了一种基于北斗短报文的农业环境数据采集系统及方法，该系统中，发送端包括：环境传感器用于采集多种农业环境数据；控制终端用于对农业环境数据进行处理和本地存储；北斗短报文一体机根据发送端的北斗短报文的可靠性通信协议将其编码为短报文数据进行传输；接收端包括：北斗短报文一体机用于根据接收端的北斗短报文的可靠性通信协议对短报文数据进行接收；数据处理器用于对接收到的北斗短报文数据进行反编码提取，得到农业环境数据；云数据库用于对农业环境数据进行云端存储。本发明以北斗短报文系统为数据传输途径，不受环境的限制，可以部署到国内的任何环境复杂、偏远的农业种植区。

权利要求

1.一种基于北斗短报文的农业环境数据采集系统，其特征在于，该系统包括发送端和接收端，其中：

发送端包括：控制终端、发送端的北斗短报文一体机、多种环境传感器；

多种环境传感器与控制终端相连，用于采集多种农业环境数据，并通过多种通信协议将采集到的农业环境数据传送给控制终端；

控制终端，用于对农业环境数据进行格式转换处理和本地存储，并将待发送的农业环境数据传送给北斗短报文一体机，控制北斗短报文一体机进行数据发送；

发送端的北斗短报文一体机与控制终端相连，用于进行北斗定位和授时，并从本地存储中取出待发送的农业环境数据，根据发送端的北斗短报文的可靠性通信协议将其编码为短报文数据进行传输；发送端的北斗短报文的可靠性通信协议包括：发送端进行环境数据编码和标志位编码；通过基于概率判断的请求确认机制，依据环境的不同动态的调整发送的频率；

接收端包括：接收端的北斗短报文一体机、数据处理器、云数据库；

接收端的北斗短报文一体机，用于根据接收端的北斗短报文的可靠性通信协议对短报文数据进行接收；接收端的北斗短报文的可靠性通信协议包括：环境数据接收端编码；通过动态累积确认机制，根据发送端的数量动态调整应答频率；

数据处理器与北斗短报文一体机相连，用于对接收到的北斗短报文数据进行反编码提取，得到农业环境数据；

云数据库与数据处理器相连，用于对农业环境数据进行云端存储，实现用户随时随地进行远程查看；

发送端采用的基于概率判断的请求确认机制的具体方法为：

设北斗短报文通信一体机通信的成功率为p，对于发送端，根据本地是否有保存了农业环境数据分成两种模式，一是本地没有累计存储的数据，二是本地存储了若干数据；其中：

当本地没有累计存储的数据，即所有数据都发送出去，这时通信次数充足，只要有数据就能立即发送出去；数据采样的时间间隔为t分钟，考虑到通信延迟以及设备处理需要的时间，则在t分钟内能进行t-1次通信，其中1次用来发送最新产生的数据，t-2次用来发送丢失的数据，t>＝5，则有：

n*(1-p)>＝t-2

其中，n为向接收端发送确认申请的间隔次数，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；由于n为整数，所以得到：

其中，表示向上取整；

当本地存储了若干数据记录时，此时发送端则以最快的发送频率1分钟/次，连续的发送数据，此时需尽快的获取数据丢失的情况，以尽快重发，则有：

n*(1-p)>＝1

得到：

因此，根据本地是否存储有数据，得到发送端申请确认的频率，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；则有：

其中，X为发送次数，即根据发送端的成功率p，得到向发送端申请确认的频率，当发送次数X<n时，继续发送数据，当发送次数X＝n，即在本次发送数据时申请确认，发送次数X在发送申请确认后清零；

接收端采用的动态累积确认机制的具体方法为：

接收端根据发送端的数量动态调整应答频率，并将最大等待时间发送给发送端，避免发送端因等待过长而判断数据丢失重复发送；

若有m个发送设备对一个接收端发送数据，每个接收端的单词通信的成功概率为Pi，根据每个发送端的发送频率得到其本地是否有存储数据，假设有m1个发送端没有存储数据，m2个发送端有存储数据，其中m1+m2＝m；n为每个发送端请求确认的间隔次数，则对于没有存储数据的发送端，发送数据的时间间隔为t分钟，所以其申请确认的频率为：

对于有存储数据的发送端，发送数据的时间间隔为1分钟，其申请确认的频率为：

所有的请求都会累积到接收端，所以接收端的确认频率为：

最大等待确认的时间间隔：

其中，ni表示没有存储数据的第i个发送端的请求确认间隔次数，nj表示有存储数据的第j个发送端的请求确认间隔次数；接收端在每次向发送端进行确认时，将根据当前实时情况计算的最大等待时间也一并发送给发送端。

2.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的农业环境数据采集系统，其特征在于，该系统的发送端还包括：太阳能电池板、储能装置；

太阳能电池板通过储能装置与控制终端相连，用于将光能转化为电能并存储在储能装置中，作为发送端的电能来源。

3.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的农业环境数据采集系统，其特征在于，发送端的北斗短报文一体机中，进行环境数据编码的方式具体为：

多项农业环境数据的先后顺序固定，每项数据的占用的长度固定，使得接收端按照编码顺序即可对数据进行解析和提取，而不用对每项数据件使用分隔符进行区分；具体传输规则为：

(1)各项农业环境数据分配的长度为：温度，2字节；湿度，2字节；光照，3字节；压强，3字节；土壤湿度，2字节；土壤pH，2字节；风速，2字节；风向，2字节；降雨量，2字节；PM2.5，3字节；氧含量，3字节；CO2含量，3字节；

(2)北斗短报文的通信采用代码的传输方式，将农业环境数据转换为十六进制的ASCII码数据；

(3)对每项农业环境数据只传输数值，而不传输单位；

(4)对于有小数的数据项，分成整数和小数两个部分，不传输小数点，小数部分统一保留两位小数，将小数部分乘以100变成整数进行传输。

4.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的农业环境数据采集系统，其特征在于，发送端的北斗短报文一体机中，进行标志位编码的方式具体为：

发送端标志位编码包括：数据类型，1字节；时间戳，5字节；数据标识，1字节；请求确认，1字节；确认回复，1字节；重发计数，1字节；回复校验码，2字节；检验位，2字节。

5.根据权利要求1所述的基于北斗短报文的农业环境数据采集系统，其特征在于，接收端的北斗短报文一体机中，进行环境数据接收端编码的方式具体为：

数据类型，1字节；丢失编号，用不定个字节表示，表明自上一次确认后丢失的数据的序号，由数据的时间戳来确认是否丢失，第一个字节表示丢失数据的个数，以后每个字节表示丢失数据的序号；请求确认，1字节；重发计数，1字节；等待确认时长，1字节，表示设备等待确认回复的最大时长；设备模式，1字节；请求确认，1字节。

6.一种基于北斗短报文的农业环境数据采集方法，采用权利要求1所述的基于北斗短报文的农业环境数据采集系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、系统启动后，通过北斗短报文一体机接收、解析北斗卫星信号来获取准确的时间，然后设置系统时间，并定时执行授时操作；

S2、通过多种环境传感器采集多种农业环境数据，对各项数据进行多次采集，并进行异常值检测和平均值处理；

S3、通过控制终端对采集到的多种农业环境数据进行格式处理，将数据处理成键值对的形式，存入控制终端上的本地数据库内；

S4、发送端的北斗短报文一体机从本地数据库中取出待发送的农业环境数据，根据发送端的北斗短报文的可靠性通信协议，对数据进行环境数据编码和标志位编码，并通过基于概率判断的请求确认机制，依据环境的不同动态的调整发送的频率，将数据以短报文的形式发送至北斗卫星；

S5、接收端的北斗短报文一体机接收到通过北斗卫星转发来的短报文数据，根据接收端的北斗短报文的可靠性通信协议，设置环境数据接收端编码，并通过动态累积确认机制，根据发送端的数量动态调整应答频率，实现对短报文数据的接收；

S6、数据处理器对接收到的短报文数据进行反编码提取，得到农业环境数据；

S7、通过云数据库对农业环境数据进行云端存储，实现用户随时随地进行远程查看；

发送端采用的基于概率判断的请求确认机制的具体方法为：

设北斗短报文通信一体机通信的成功率为p，对于发送端，根据本地是否有保存了农业环境数据分成两种模式，一是本地没有累计存储的数据，二是本地存储了若干数据；其中：

当本地没有累计存储的数据，即所有数据都发送出去，这时通信次数充足，只要有数据就能立即发送出去；数据采样的时间间隔为t分钟，考虑到通信延迟以及设备处理需要的时间，则在t分钟内能进行t-1次通信，其中1次用来发送最新产生的数据，t-2次用来发送丢失的数据，t>＝5，则有：

n*(1-p)>＝t-2

其中，n为向接收端发送确认申请的间隔次数，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；由于n为整数，所以得到：

其中，表示向上取整；

当本地存储了若干数据记录时，此时发送端则以最快的发送频率1分钟/次，连续的发送数据，此时需尽快的获取数据丢失的情况，以尽快重发，则有：

n*(1-p)>＝1

得到：

因此，根据本地是否存储有数据，得到发送端申请确认的频率，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；则有：

其中，X为发送次数，即根据发送端的成功率p，得到向发送端申请确认的频率，当发送次数X<n时，继续发送数据，当发送次数X＝n，即在本次发送数据时申请确认，发送次数X在发送申请确认后清零；

接收端采用的动态累积确认机制的具体方法为：

接收端根据发送端的数量动态调整应答频率，并将最大等待时间发送给发送端，避免发送端因等待过长而判断数据丢失重复发送；

若有m个发送设备对一个接收端发送数据，每个接收端的单词通信的成功概率为Pi，根据每个发送端的发送频率得到其本地是否有存储数据，假设有m1个发送端没有存储数据，m2个发送端有存储数据，其中m1+m2＝m；n为每个发送端请求确认的间隔次数，则对于没有存储数据的发送端，发送数据的时间间隔为t分钟，所以其申请确认的频率为：

对于有存储数据的发送端，发送数据的时间间隔为1分钟，其申请确认的频率为：

所有的请求都会累积到接收端，所以接收端的确认频率为：

最大等待确认的时间间隔：

其中，ni表示没有存储数据的第i个发送端的请求确认间隔次数，nj表示有存储数据的第j个发送端的请求确认间隔次数；接收端在每次向发送端进行确认时，将根据当前实时情况计算的最大等待时间也一并发送给发送端。

7.根据权利要求6所述的基于北斗短报文的农业环境数据采集方法，其特征在于，发送端的基于概率判断的请求确认机制的具体步骤为：

S41、发送端查询本地数据库，根据发送端是否有存储的数据，计算请求确认的间隔n，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；令发送次数X为0；

S42、取出时间戳最小的一套数据；

S43、判断当前的数据是否为要重发的数据；若是，重发计数标志位设为1，数据标识标志位设为1；若否，重发计数标志位设为0，数据标识标志位设为0；

S44、判断当前的发送次数X是否小于n；若是，则将请求确认标志位置0，进行数据编码，将X加1，发送数据，并返回S42；若否，则将请求确认标志位置1，进行数据编码，令X＝0；

S45、发送数据、等待接收端的确认，同时启动计时；

S46、判断超时前是否收到数据；若是，则对接收到的数据进行处理，提取丢失数据的数量m以及时间戳，删除数据库中成功接收的数据记录；并返回步骤S41；若否，则返回步骤S45。

8.根据权利要求6所述的基于北斗短报文的农业环境数据采集方法，其特征在于，接收端的动态累积确认机制的具体步骤为：

S51、等待接收数据；

S52、接收到数据后对其进行数据解码和提取；

S53、判断重发计数标志位是否大于0；若是，则从丢失记录中删除该数据，并将环境数据保存；若否，进行判断数据表示标志位；

S54、判断数据标识标志位是否为0；若是，则查询数据时间戳与上一次数据时间戳的差值t；若否，则将环境数据保存；

S55、判断t是否大于数据采集的时间间隔；若是，将该数据上一条数据记为丢失数据，并保存环境数据；若否，直接环境数据保存；

S56、判断请求确认标志位是否为1；若否，则返回步骤S51；若是，则生成确认回复的数据，包括设置请求确认标志位为1；更新设备成功率；添加丢失数据编号；添加最长等待时间；将确认数据添加至发送队列；返回步骤S51。

说明书

技术领域

本发明涉及智慧农业技术领域，尤其涉及一种基于北斗短报文的农业环境数据采集系统及方法。

背景技术

近年来，“智慧农业”、“精准农业”等现代农业发展的新潮流、新模式被提出，成为探索农业发展的新引擎和实现农业可持续发展的重要途径。其技术思想就是在农业生产过程中，充分获取作物和环境信息，因地制宜地做出决策，并准确地付诸实施，以节约投入、增加产出、提高要素利用率、减少环境污染为目的。其中，远程数据采集系统是实现的一种手段。

目前现有的农业环境数据采集系统，基于单片机为控制器通过多种传感器进行环境数据的采集，数据采集完成后依靠有线网络，WIFI或GPRS进行数据的远程传输。我国农业种植区分布广泛，部分偏远的地区的环境复杂且相对落后。这些地区没有建设有线网络，而铺设有线网络不仅存在技术难度，而且成本太高、经济效益低；同时这些地区的GPRS信号不稳定，甚至没有覆盖，使得无线的数据传输也无法可靠的实现。因此现有的环境数据采集系统无法在这些地区稳定、持续的完成数据采集和传输。对于这种情况，目前没有较好的解决办法。

针对现有的农用环境数据采集系统，在部分偏远地区由于有线网络的建设成本高，经济效益低，GPRS信号不稳定，甚至没有覆盖，这些原因导致环境数据采集系统无法稳定、持续的完成数据采集和传输。

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。同时，与美国的GPS和俄罗斯的GLONASS等系统相比，北斗系统除了能够提供其他系统所具备定位、导航、授时服务外，并具有位置报告和短报文通信能力。北斗短报文是北斗系统的独特功能，不依靠移动通讯信号，利用卫星进行双向通信，能够在整个亚太地区提供全天候无盲区服务。所以，提出一种基于北斗短报文的农业环境数据采集系统及方法。

同时，北斗短报文也存在通信容量、频率的限制以及不可靠通信三方面的不足。具体表现为：1)一般通信间隔至少为1分钟；2)民用终端单次通信内容长度最大为78个字节；3)卫星通信链路不可靠，接收方接收短报文后不发回执信息，无法确定是否通信成功。由于北斗短报文能够提供全天候无盲区的通信服务，使得在当前通信网的不能满足时，短报文是一个很好的通信方案。但是如果不能很好地解决北斗短报文的自身的三大不足，在实际应用中也会带来新的问题。目前对于北斗短报文的不可靠通信的改进上所做的研究还有很大的不足。较多是没有考虑北斗短报文通信不可靠的问题，或者解决的方式比较简单，如单纯重复发送，这样会浪费通信资源；采用确认应答机制，会因为北斗短报文的通信频率限制而使得等待的时间过长；同时没有采用北斗短报文进行多对一场景下的控制方案。在本发明中，会针对以上不足提出解决方案，使得基于北斗短报文的农业环境数据采集具有更好的实用性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于北斗短报文的农业环境数据采集系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于北斗短报文的农业环境数据采集系统，该系统包括发送端和接收端，其中：

发送端包括：控制终端、发送端的北斗短报文一体机、多种环境传感器；

多种环境传感器与控制终端相连，用于采集多种农业环境数据，并通过多种通信协议将采集到的农业环境数据传送给控制终端；

控制终端，用于对农业环境数据进行格式转换处理和本地存储，并将待发送的农业环境数据传送给北斗短报文一体机，控制北斗短报文一体机进行数据发送；

发送端的北斗短报文一体机与控制终端相连，用于进行北斗定位和授时，并从本地存储中取出待发送的农业环境数据，根据发送端的北斗短报文的可靠性通信协议将其编码为短报文数据进行传输；发送端的北斗短报文的可靠性通信协议包括：发送端进行环境数据编码和标志位编码；通过基于概率判断的请求确认机制，依据环境的不同动态的调整发送的频率；

接收端包括：接收端的北斗短报文一体机、数据处理器、云数据库；

接收端的北斗短报文一体机，用于根据接收端的北斗短报文的可靠性通信协议对短报文数据进行接收；接收端的北斗短报文的可靠性通信协议包括：环境数据接收端编码；通过动态累积确认机制，根据发送端的数量动态调整应答频率；

数据处理器与北斗短报文一体机相连，用于对接收到的北斗短报文数据进行反编码提取，得到农业环境数据；

云数据库与数据处理器相连，用于对农业环境数据进行云端存储，实现用户随时随地进行远程查看。

进一步地，本发明的该系统的发送端还包括：太阳能电池板、储能装置；

太阳能电池板通过储能装置与控制终端相连，用于将光能转化为电能并存储在储能装置中，作为发送端的电能来源。

进一步地，本发明的发送端的北斗短报文一体机中，进行环境数据编码的方式具体为：

多项农业环境数据的先后顺序固定，每项数据的占用的长度固定，使得接收端按照编码顺序即可对数据进行解析和提取，而不用对每项数据件使用分隔符进行区分；具体传输规则为：

(1)各项农业环境数据分配的长度为：温度，2字节；湿度，2字节；光照，3字节；压强，3字节；土壤湿度，2字节；土壤pH，2字节；风速，2字节；风向，2字节；降雨量，2字节；PM2.5，3字节；氧含量，3字节；CO2含量，3字节；

(2)北斗短报文的通信采用代码的传输方式，将农业环境数据转换为十六进制的ASCII码数据；

(3)对每项农业环境数据只传输数值，而不传输单位；

(4)对于有小数的数据项，分成整数和小数两个部分，不传输小数点，小数部分统一保留两位小数，将小数部分乘以100变成整数进行传输。

进一步地，本发明的发送端的北斗短报文一体机中，进行标志位编码的方式具体为：

发送端标志位编码包括：数据类型，1字节；时间戳，5字节；数据标识，1字节；请求确认，1字节；确认回复，1字节；重发计数，1字节；回复校验码，2字节；检验位，2字节。

进一步地，本发明的接收端的北斗短报文一体机中，进行环境数据接收端编码的方式具体为：

数据类型，1字节；丢失编号，用不定个字节表示，表明自上一次确认后丢失的数据的序号，由数据的时间戳来确认是否丢失，第一个字节表示丢失数据的个数，以后每个字节表示丢失数据的序号；请求确认，1字节；重发计数，1字节；等待确认时长，1字节，表示设备等待确认回复的最大时长；设备模式，1字节；请求确认，1字节。

进一步地，本发明的发送端采用的基于概率判断的请求确认机制的具体方法为：

设北斗短报文通信一体机通信的成功率为p，对于发送端，根据本地是否有保存了农业环境数据分成两种模式，一是本地没有累计存储的数据，二是本地存储了若干数据；其中：

当本地没有累计存储的数据，即所有数据都发送出去，这时通信次数充足，只要有数据就能立即发送出去；数据采样的时间间隔为t分钟，考虑到通信延迟以及设备处理需要的时间，则在t分钟内能进行t-1次通信，其中1次用来发送最新产生的数据，t-2次用来发送丢失的数据，t>＝5，则有：

n*(1-p)>＝t-2

其中，n为向接收端发送确认申请的间隔次数，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；由于n为整数，所以得到：

其中， 表示向上取整；

当本地存储了若干数据记录时，此时发送端则以最快的发送频率1分钟/次，连续的发送数据，此时需尽快的获取数据丢失的情况，以尽快重发，则有：

n*(1-p)>＝1

得到：

因此，根据本地是否存储有数据，得到发送端申请确认的频率，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；则有：

其中，X为发送次数，即根据发送端的成功率p，得到向发送端申请确认的频率，当发送次数X<n时，继续发送数据，当发送次数X＝n，即在本次发送数据时申请确认，发送次数X在发送申请确认后清零。

进一步地，本发明的接收端采用的动态累积确认机制的具体方法为：

接收端根据发送端的数量动态调整应答频率，并将最大等待时间发送给发送端，避免发送端因等待过长而判断数据丢失重复发送；

若有m个发送设备对一个接收端发送数据，每个接收端的单词通信的成功概率为Pi，根据每个发送端的发送频率得到其本地是否有存储数据，假设有m1个发送端没有存储数据，m2个发送端有存储数据，其中m1+m2＝m；n为每个发送端请求确认的间隔次数，则对于没有存储数据的发送端，发送数据的时间间隔为t分钟，所以其申请确认的频率为：

对于有存储数据的发送端，发送数据的时间间隔为1分钟，其申请确认的频率为：

所有的请求都会累积到接收端，所以接收端的确认频率为：

最大等待确认的时间间隔：

其中，ni和nj表示没有存储数据的第i个发送端的请求确认间隔次数，nj表示有存储数据的第j个发送端的请求确认间隔次数；接收端在每次向发送端进行确认时，将根据当前实时情况计算的最大等待时间也一并发送给发送端。

本发明提供一种基于北斗短报文的农业环境数据采集方法，包括以下步骤：

S1、系统启动后，通过北斗短报文一体机接收、解析北斗卫星信号来获取准确的时间，然后设置系统时间，并定时执行授时操作；

S2、通过多种环境传感器采集多种农业环境数据，对各项数据进行多次采集，并进行异常值检测和平均值处理；

S3、通过控制终端对采集到的多种农业环境数据进行格式处理，将数据处理成键值对的形式，存入控制终端上的本地数据库内；

S4、发送端的北斗短报文一体机从本地数据库中取出待发送的农业环境数据，根据发送端的北斗短报文的可靠性通信协议，对数据进行环境数据编码和标志位编码，并通过基于概率判断的请求确认机制，依据环境的不同动态的调整发送的频率，将数据以短报文的形式发送至北斗卫星；

S5、接收端的北斗短报文一体机接收到通过北斗卫星转发来的短报文数据，根据接收端的北斗短报文的可靠性通信协议，设置环境数据接收端编码，并通过动态累积确认机制，根据发送端的数量动态调整应答频率，实现对短报文数据的接收；

S6、数据处理器对接收到的短报文数据进行反编码提取，得到农业环境数据；

S7、通过云数据库对农业环境数据进行云端存储，实现用户随时随地进行远程查看。

进一步地，本发明的发送端的基于概率判断的请求确认机制的具体步骤为：

S41、发送端查询本地数据库，根据发送端是否有存储的数据，计算请求确认的间隔n，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；令发送次数X为0；

S42、取出时间戳最小的一套数据；

S43、判断当前的数据是否为要重发的数据；若是，重发计数标志位设为1，数据标识标志位设为1；若否，重发计数标志位设为0，数据标识标志位设为0；

S44、判断当前的发送次数X是否小于n；若是，则将请求确认标志位置0，进行数据编码，将X加1，发送数据，并返回S42；若否，则将请求确认标志位置1，进行数据编码，令X＝0；

S45、发送数据、等待接收端的确认，同时启动计时；

S46、判断超时前是否收到数据；若是，则对接收到的数据进行处理，提取丢失数据的数量m以及时间戳，删除数据库中成功接收的数据记录；并返回步骤S41；若否，则返回步骤S45。

进一步地，本发明的接收端的动态累积确认机制的具体步骤为：

S51、等待接收数据；

S52、接收到数据后对其进行数据解码和提取；

S53、判断重发计数标志位是否大于0；若是，则从丢失记录中删除该数据，并将环境数据保存；若否，进行判断数据表示标志位；

S54、判断数据标识标志位是否为0；若是，则查询数据时间戳与上一次数据时间戳的差值t；若否，则将环境数据保存；

S55、判断t是否大于数据采集的时间间隔；若是，将该数据上一条数据记为丢失数据，并保存环境数据；若否，直接环境数据保存；

S56、判断请求确认标志位是否为1；若否，则返回步骤S51；若是，则生成确认回复的数据，包括设置请求确认标志位为1；更新设备成功率；添加丢失数据编号；添加最长等待时间；将确认数据添加至发送队列；返回步骤S51。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于北斗短报文的农业环境数据采集系统及方法，通过太阳能转化的的电能为整系统供电，以改进北斗短报文通信保证数据可靠传输，通过在北斗短报文通信的数据段进行编码设计，以保证环境数据传输和解析，同时增加多个标志位来辅助可靠通信协议的实现；在环境数据的发送端，提出基于概率判断的请求确认机制；在环境数据的接收端，在多对一通信的情况下，提出根据数据发送方的数量动态调整应答频率的动态累积确认机制。

本发明不受有线网络建设滞后、GPRS信号不稳定或没有覆盖以及当地供电等环境的限制，具有实现难度低、使用范围广、系统扩充性好、不是地域环境限制的特点，可以部署到国内的农业种植区任何地方，都能保证系统的持续，稳定的工作。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的系统结构示意图。

图2是本发明实施例的发送端流程图。

图3是本发明实施例的接收端流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于北斗短报文的农业环境数据采集系统，包括：控制终端、太阳能电池板、储能装置，北斗短报文一体机、多种环境传感器，如空气温度、湿度等。在本系统中，太阳能电池板通过将光能转化为电能并且储存在储能装置中，作为系统的电能来源；控制终端作为数据采集部分的控制器，从多种环境传感器获取数据环境数据，以及对数据进行处理和本地存储等；多种传感器可以通过多种通信协议接入控制器，如ADC、I2C、串口(TTL、RS232、RS485)等。利用北斗短报文一体机通过北斗系统传输数据，也可通过一体机进行定位、授时等。

一、发送端包括以下部分：

(1)系统时间设置：由于控制终端没有接入以太网，无法通过网络服务来同步时间。但接入的北斗短报文一体机具有授时的功能，可以用来设置控制终端系统的时间。

在系统启动后，首先与北斗短报文一体机进行通信，通过北斗短报文一体机接收、解析北斗卫星信号来获取准确的时间，然后设置系统时间。并且系统会定时执行该操作，来保证系统时间的准确性。

(2)数据采集：多个环境传感器通过不同的端口接入到控制终端，环境传感器将环境的物理量转化为电平信号或数据信号，控制终端通过不同的通信方式获取数据，在对数据进行处理。

系统设计了ADC、I2C、串口(TTL、RS232、RS485)多种通信端口，保证常用的传感器都能接入，并且只要满足以上通信方式的传感器的数量可任意缩减。为了保证数据的准确性，会多次采集，进行异常值检查以及平均值处理。对于不同的传感器的工作特点，比如雨量传感器需要长时间持续的采样，可采用多线程的方式，提高采样数据的效率和准确性。

农业环境数据是指作物生长环境中的空气温度、湿度、光照、土壤湿度、土壤pH值、二氧化碳含量、风速风向等影响作物生长和农事活动的环境数据。其中最为重要的有以下几项数据。从而获取作物物生长发育状态、水肥使用状况及相应生态环境的实时信息。

农业环境数据的种类较多，比较关键的主要有以下几种：

温度。温度是作物生长及其重要的环境因子之一，温度过低或者过高到一定程度，作物将会停止生长或者死亡。温度通过改变光合作用相关酶的活性来影响光合速率，直接影响作物的产量。

湿度。对湿度间接对作物的光合作用产生影响，当湿度较低时，作物的气孔部分关闭，使得进入叶内的二氧化碳减少，造成二氧化碳原料的不足，导致光合速率降低。

二氧化碳含量。氧化碳是作物进行光合作用的主要原料之一，对光合速率影响很大。实时监测并控制二氧化碳的浓度，科学促进作物生长发育。

光照强度。光照是作物生长的主要环境因子之一，是光合作用的主导因子。当光强在光补偿点和光饱和点之间时，光合速率随光照强度的增强而升高。

土壤湿度。作物生长的关键因素是水分，利用土壤信息传感器感知土壤干燥度，精准用水。

除了以上关键的几项数据外，还包括风速风向、降雨量等常见的数据类型，一共12种数据，可以满足多种作物的种植需要。在农业种植中，对于数据的采样频率要求较低，一般为5分钟每次，因此短报文的一分钟的通信间隔是可以满足农业环境数据传输要求。

(3)数据本地存储：通过数据采集，获取了一整套数据，给这套数据添加时间戳，来记录数据的时效性。

在控制终端中，建有数据库，用来方便的存储已采集的数据。存储前，将数据的格式处理成字典(即键值对)的方式，然后存入数据库。选择先将数据存储在本地，与数据上传分离，使得数据采集、传输的过程解耦，使得系统的稳定性、功能性增加。

(4)数据传输。数据的传输通过北斗短报文一体机完成。

从数据库中取出一套数据，根据北斗短报文的可靠通信协议设计的编码环境数据以及标志位进行数据编码，打包成一条完整的消息。控制终端通过RS232通信协议与北斗短报文一体机进行通信，将数据发送至短报文一体机并控制短报文一体机将数据发送出去。

数据发送成功后，从本地数据库删除已发送的数据。该过程会循环进行，检测到本地数据库有数据记录，就会执行数据上传的操作。

二、接收端包括以下部分：

接收端的北斗短报文一体机，数据处理器和与云数据库。在系统中，这里的北斗短报文一体机用来接收数据采集部分通过北斗短报文一体机发送的环境数据信息。数据处理器通过RS232从接收数据的北斗短报文一体机获取采集的环境数据，然后将数据解压和处理，以相应的格式存入到云数据库中。云数据库用来存储远程获取的环境数据，方便不同用户对数据访问和利用。

(1)数据接收：通过特定的北斗短报文一体接收数据。

结合之前数据的发送，完整的短报文工作流程如下：1.北斗短报文一体机发送方用户机，首先将包含接收方ID号和通讯内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站；2.地面中心站接收到通讯申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户；3.北斗短报文一体机接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通讯。然后通过RS232将数据发送给数据处理器。

(2)数据处理：数据处理器接收到北斗短报文一体机发来的数据，需对数据进行约定的方式提取。

收到的信息数据，就是数据采集部分组合的包含多个数据的一套环境数据的字符串，按照之前组合的方式进行数据的提取。然后通过编号，查找该环境数据记录来自哪个具体的地方，给数据添加所属地信息，使数据更清晰。

(3)数据存储：远程采集的环境数据都存储在云数据库中。

数据处理器与云数据库连接，将新获取得环境数据存到云数据库中，方便用户随时随地查看数据。

三、基于北斗短报文的可靠通信协议：

由于北斗短报文能够提供全天候无盲区的通信服务，使得在当前通信网的不能满足时，短报文是一个很好的通信方案。但是如果不能很好地解决北斗短报文的自身的三大不足，在实际应用中也会带来新的问题。目前对于北斗短报文的不可靠通信的改进上所做的研究还有很大的不足。较多是没有考虑北斗短报文通信不可靠的问题，或者解决的方式比较简单，如单纯重复发送，这样会浪费通信资源；采用确认应答机制，会因为北斗短报文的通信频率限制而使得等待的时间过长；同时没有采用北斗短报文进行多对一场景下的控制方案。在本发明中，针对以上不足提出解决方案，使得基于北斗短报文的农业环境数据采集具有更好的实用性。

通过在北斗短报文通信的数据段进行编码设计，以保证环境数据传输和解析，同时增加多个标志位来辅助可靠通信协议的实现。在环境数据的发送端，提出基于概率判断的请求确认机制；在环境数据的接收端，在多对一通信的情况下，提出根据数据发送方的数量动态调整应答频率的动态累积确认机制。

数据编码分为两个部分，分别是环境数据发送端编码和环境数据接收端编码。

1、环境数据发送端编码

环境数据发送端编码分为环境数据编码和标志位编码。

环境数据编码中，根据不同数据的范围分配其所占字节数的多少，在能保证不损失数据的情况下，尽可能少的占用传输空间。为了进一步较少数据的消耗，采用如下规则：

多个数据项的先后顺序固定，每项数据的占用的长度固定，使得接收方按照编码顺序即可对数据进行解析和提取，而不需要对每项数据件使用分隔符进行区分；

(1)北斗短报文的通信采用代码的传输方式，以ASCII码传输十六进制的数据。

(2)对每项环境数据只传输数值，而不传输单位；

(3)对于有小数的数据项，分成整数和小数两个部分，不传输小数点，小数部分统一保留两位小数，将小数部分乘以100变成整数进行传输。

每项数据的字节分配表1所示，环境数据编码示例如表2所示。

表1环境数据编码格式

表2环境数据编码示例

为了实现基于北斗短报文的可靠传输，需要在有限的通信容量中拿出一部分用于传递非环境数据的，也就是多个标志位。标志位部分占用一定长度的字节，用来记录数据的一些信息。环境数据的发送端和接收端携带的数据不同，所以他们的标志位也不相同。

表3环境数据发送端标志位编码格式

表4环境数据发送端标志位编码示例

2、环境数据接收端编码。

表5环境数据发送端标志位编码格式

表6环境数据发送端标志位编码示例

在环境数据发送端，环境数据加上标志位共加上分隔符共43字节，小于78个字节，满足通信容量限制，并且为以后的扩展留有充足的容量。在环境数据接收端，共16字节，也满足通信容量限制。

3、基于概率判断的请求确认机制。

在数据的采集端，目前环境数据采集的频率为5min/次，在正常情况下，是满足北斗短报文的通信频率(1min/次)限制，而考虑到会由于其他原因，导致设备采集端存储了一定量的数据，这时需要尽快将数据发送出去。因此不能通过简单的重复发送来提高数据传输的成功率，而是采用较完整的机制在一定程度上解决通信不可靠的问题，提高数据传输效率。

目前,现实场景中北斗终端在进行通信时会受各种原因影响,大大降低通讯成功率。测试统计北斗终端进行短报文通信时,如果排除天气、障碍物、杂波等干扰,收发成功率是95％,在受到各种环境因素的综合影响经常产生下,成功率会降到85％，甚至更低。

由于短报文通信的成功与否，与所处的环境是否有建筑物遮挡与天气都有直接的关系，因此对于接收方，应将北斗短报文设备部署在开阔、无遮挡的位置，使其能较好的接收北斗信号，保证能正常接收数据。对于发送方，其通信的成功率也受到所处环境影响，但只能在有限的条件下调整部署方位。所以不同的设备的由于部署的环境差异导致其通信的成功率也不同。这里就提出基于概率判断的请求确认机制，依据环境的不同动态的调整请求的频率。

对于某个北斗短报文通信一体机，可以通过进行一段时间的连续测试，计算出其通信的平均概率，测试阶段完成后，在实际的通信中将继续进行成功率统计，保持对成功率的更新。这一部分功能是在接收端进行的。

设某北斗短报文通信一体机通信的成功率p,对于发送端将根据本地是否有保存的数据分成两种模式，一是本地没有累计存储的数据，二是本地存储了若干数据。

当本地没有累计存储的数据，即所有数据都发送出去，这时通信次数充足，只要有数据就能立即发送出去；数据采样的时间间隔为t分钟，考虑到通信延迟以及设备处理需要的时间，则在t分钟内能进行t-1次通信，其中1次用来发送最新产生的数据，t-2次用来发送丢失的数据，t>＝5，则有：

n*(1-p)>＝t-2

其中，n为向接收端发送确认申请的间隔次数，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；由于n为整数，所以得到：

其中， 表示向上取整；

当本地存储了若干数据记录时，此时发送端则以最快的发送频率1分钟/次，连续的发送数据，此时需尽快的获取数据丢失的情况，以尽快重发，则有：

n*(1-p)>＝1

得到：

因此，根据本地是否存储有数据，得到发送端申请确认的频率，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；则有：

其中，X为发送次数，即根据发送端的成功率p，得到向发送端申请确认的频率，当发送次数X<n时，继续发送数据，当发送次数X＝n，即在本次发送数据时申请确认，发送次数X在发送申请确认后清零。

4、动态累积确认机制。

在接收端，由一个一个一体机设备接收多个发送端的数据，且发送端的数量是变化，因此发送方等待接收方确认的时间与发送端的数量是有直接关系的。所以在接受方提出动态累积确认机制，根据数据发送方的数量动态调整应答频率，并将最大等待时间发送给发送端，避免发送端因等待过长而判断数据丢失重复发送。

若有m个发送设备对一个接收端发送数据，每个接收端的单词通信的成功概率为Pi，根据每个发送端的发送频率可知其本地是否有存储数据，假设有m1个发送端没有有存储数据，m2个发送端有存储数据，其中m1+m2＝m。n为每个发送端请求确认的间隔次数，其计算方式在基于概率判断的请求确认机制中提出。则对于没有存储数据的发送端，发送数据的时间间隔为t分钟，所以其申请确认的频率为：

对于有存储数据的发送端，发送数据的时间间隔为1分钟，其申请确认的频率为：

所有的请求都会累积到接收端，所以接收端的确认频率为：

最大等待确认的时间间隔

ni和nj表示没有存储数据的第i个发送端的请求确认间隔次数，nj表示有存储数据的第j个发送端的请求确认间隔次数；接收端在每次向发送端进行确认时，会将根据当前实时情况计算的最大等待时间也一并发送给发送端。

本发明实施例的基于北斗短报文的农业环境数据采集方法，包括以下步骤：

S1、系统启动后，通过北斗短报文一体机接收、解析北斗卫星信号来获取准确的时间，然后设置系统时间，并定时执行授时操作；

S2、通过多种环境传感器采集多种农业环境数据，对各项数据进行多次采集，并进行异常值检测和平均值处理；

S3、通过控制终端对采集到的多种农业环境数据进行格式处理，将数据处理成键值对的形式，存入控制终端上的本地数据库内；

S4、发送端的北斗短报文一体机从本地数据库中取出待发送的农业环境数据，根据发送端的北斗短报文的可靠性通信协议，对数据进行环境数据编码和标志位编码，并通过基于概率判断的请求确认机制，依据环境的不同动态的调整发送的频率，将数据以短报文的形式发送至北斗卫星；

S5、接收端的北斗短报文一体机接收到通过北斗卫星转发来的短报文数据，根据接收端的北斗短报文的可靠性通信协议，设置环境数据接收端编码，并通过动态累积确认机制，根据发送端的数量动态调整应答频率，实现对短报文数据的接收；

S6、数据处理器对接收到的短报文数据进行反编码提取，得到农业环境数据；

S7、通过云数据库对农业环境数据进行云端存储，实现用户随时随地进行远程查看。

如图2所示，发送端的基于概率判断的请求确认机制的具体步骤为：

发送端的基于概率判断的请求确认机制的具体步骤为：

S41、发送端查询本地数据库，根据发送端是否有存储的数据，计算请求确认的间隔n，即发送端每发送n次数据后向接收端请求一次确认；令发送次数X为0；

S42、取出时间戳最小的一套数据；

S43、判断当前的数据是否为要重发的数据；若是，重发计数标志位设为1，数据标识标志位设为1；若否，重发计数标志位设为0，数据标识标志位设为0；

S44、判断当前的发送次数X是否小于n；若是，则将请求确认标志位置0，进行数据编码，将X加1，发送数据，并返回S42；若否，则将请求确认标志位置1，进行数据编码，令X＝0；

S45、发送数据、等待接收端的确认，同时启动计时；

S46、判断超时前是否收到数据；若是，则对接收到的数据进行处理，提取丢失数据的数量m以及时间戳，删除数据库中成功接收的数据记录；并返回步骤S41；若否，则返回步骤S45。

如图3所示，接收端的动态累积确认机制的具体步骤为：

S51、等待接收数据；

S52、接收到数据后对其进行数据解码和提取；

S53、判断重发计数标志位是否大于0；若是，则从丢失记录中删除该数据，并将环境数据保存；若否，进行判断数据表示标志位；

S54、判断数据标识标志位是否为0；若是，则查询数据时间戳与上一次数据时间戳的差值t；若否，则将环境数据保存；

S55、判断t是否大于数据采集的时间间隔；若是，将该数据上一条数据记为丢失数据，并保存环境数据；若否，直接环境数据保存；

S56、判断请求确认标志位是否为1；若否，则返回步骤S51；若是，则生成确认回复的数据，包括设置请求确认标志位为1；更新设备成功率；添加丢失数据编号；添加最长等待时间；将确认数据添加至发送队列；返回步骤S51。

本发明的基于北斗短报文的农业环境数据采集系统，以北斗短报文系统为数据传输途径，不受有线网络建设滞后、GPRS信号不稳定或没有覆盖以及当地供电等环境的限制，具有实现难度低、使用范围广、系统扩充性好的特点，可以部署到国内的任何环境复杂、偏远的农业种植区，都能保证环境数据采集的持续，稳定的进行。控制终端通过多种协议与传感器进行数据获取，只要满足以上通信方式的传感器的数数量可任意缩减，并且具有异常情况处理功能，系统的稳定性更高；北斗短报文系统是北斗系统特有的功能，能够为整个亚太地区提供全天候无盲区服务，解决有线网络和GRPS网络无法覆盖的情况。由此提出了一种实现难度低、使用范围广、系统扩充性好、不受地域环境限制的环境数据采集系统及方法，可用于环境复杂的偏远农业种植区进行环境数据的采集。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

一种基于北斗短报文的农业环境数据采集系统及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。