環境信息監測協同認知多路數據融合方法與流程

本發明涉及環境監測領域，尤其涉及一種環境信息監測協同認知多路數據融合方法。

背景技術：

在農業生產中，影響作物生長的環境因素主要有溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度和土壤酸堿度等環境參數，傳統農業生產對這些環境信息的監測仍采用人工來完成。在農業種植區域內，由于作物種類繁多且種植面積大，采用人工方式監測環境信息費時費力且實時性不夠，很難達到科學種植的要求。伴隨著物聯網和現代通信技術在各領域中的不斷應用，基于物聯網和現代通信技術的環境信息監測技術成為現代農業種植的關鍵。

在現代農業中，需要在作物種植區域內布置大量的傳感器(又稱環境信息監測單元)，不同的傳感器對應監測作物所處區域的不同環境參數，例如溫度、濕度、光照強度以及土壤酸堿度等環境參數。通過將各傳感器所監測到的環境參數分別傳送給數據融合中心，然后由數據融合中心對監測到的環境信息經過融合處理后得到最終的環境監測結果。

實際上，為了監測作物種植區域內的某一個環境參數，例如溫度，通常在同一個種植區域內并不僅僅布設一個單一的傳感器，而是往往需要布置大量相同的傳感器，然后由這些相同的傳感器分別對同一個環境參數進行獨立采集、監測，并再由這些相同的傳感器將各自的環境信息監測結果以多路的方式發送給數據融合中心，最終由數據融合中心對這些相同傳感器所發送來的同一環境參數處理后得到最終的融合監測結果，并以該最終融合監測結果作為針對該環境參數的真正結果。可見，數據融合中心處所得到的最終融合監測結果在很大程度上取決于各環境信息監測單元的監測性能，并且也在一定程度上依賴于數據融合中心所采取的融合方法。因此，在環境信息監測中，如何實現環境信息監測單元之間的協同認知，以提高多路數據融合的準確程度成為現代農業發展中必需解決的課題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術提供一種能夠有效融合各環境信息監測單元的監測結果，以提高對環境信息監測準確度的環境信息監測協同認知多路數據融合方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：環境信息監測協同認知多路數據融合方法，用于由數據融合中心以及N個環境信息監測單元所形成的協同認知網絡中，其特征在于，依次包括如下步驟：

步驟1，N個環境信息監測單元獲取、保存自身初始位置到數據融合中心位置的距離值，并同時實時獲取、保存環境信息監測單元自身的信噪比、即時速度值、即時速度的方向角度值；其中：

即時速度的方向角度值為環境信息監測單元移動時的前進方向偏離該環境信息監測單元初始位置至數據融合中心位置連線的偏離角度，第i個環境信息監測單元標記為Monitor_i，i＝1,2,…,N，N≥3；環境信息監測單元Monitor_i自身的信噪比記為SNR_i，環境信息監測單元Monitor_i的即時速度值標記為v_i，環境信息監測單元Monitor_i的即時速度的方向角度值標記為θ_i，環境信息監測單元Monitor_i的位置標記為數據融合中心標記為FC；環境信息監測單元Monitor_i自身初始位置到數據融合中心FC位置的距離值標記為d_i；

步驟2，N個環境信息監測單元將各自的信噪比、環境信息檢測結果以及自己的身份標識值發送給數據融合中心，由數據融合中心對N個環境信息監測單元做分簇處理，以得到參與協同的環境信息監測單元；其中，數據融合中心對N個環境信息監測單元做分簇處理的過程包括如下步驟2-1至步驟2-4：

步驟2-1，數據融合中心根據N個環境信息監測單元所對應的信噪比、即時速度值、即時速度的方向角度值和身份標識值，計算各環境信息監測單元對應的信噪比在N個環境信息監測單元信噪比總和中的監測權值ω_i；環境信息監測單元Monitor_i所對應信噪比的監測權值ω_i計算如下：

步驟2-2，數據融合中心根據預設協同監測篩選閾值以及各環境信息監測單元對應信噪比的監測權值，篩選出參與協同監測的主協同環境信息監測單元以及輔助環境信息監測單元：

當環境信息監測單元所對應信噪比的監測權值大于或者等于預設協同監測篩選閾值ω₀時，則選擇該環境信息監測單元為參與協同監測的主協同環境信息監測單元，并置入主協同環境信息監測單元集合S₁中；否則，則將該環境信息監測單元作為參與協同檢測的輔助環境信息監測單元，并置入輔助環境信息監測單元集合S₂中；

其中，在主協同環境信息監測單元集合S₁中，設定作為參與協同監測的主協同環境信息監測單元的總數目為N₁；在輔助環境信息監測單元集合S₂中，設定作為參與協同監測的輔助環境信息監測單元的總數目為N₂，且N₁+N₂＝N；

步驟2-3，在主協同環境信息監測單元集合S₁中，任選其中一個主協同環境信息監測單元分別與該主協同環境信息監測單元集合S₁內其他的主協同環境信息監測單元相互交互自身位置坐標，以計算得到該主協同環境信息監測單元至其他各主協同環境信息監測單元的距離，并獲得對應該主協同環境信息監測單元的最大距離值；其他主協同環境信息監測單元按照同樣的方式，依次、分別得到對應各主協同環境信息監測單元的最大距離值；

其中，計算所得主協同環境信息監測單元集合S₁內第m個主協同環境信息監測單元Monitor_m至其他主協同環境信息監測單元Monitor_n的距離記為該主協同環境信息監測單元Monitor_m的最大距離值m∈[1,N₁]，n∈[1,N₁]，且m≠n；

步驟2-4，主協同環境信息監測單元集合S₁中的各主協同環境信息監測單元分別發送自身的身份標識值以及對應自身的最大距離值給數據融合中心，以由數據融合中心獲取最佳主協同環境信息監測單元集合；數據融合中心獲取最佳主協同環境信息監測單元集合的過程包括如下步驟2-41至步驟2-43：

步驟2-41，數據融合中心根據所有主協同環境信息監測單元所發送來的最大距離值，得到主協同環境信息監測單元分布區域的的最佳分布半徑：其中，最佳分布半徑記為R_opt：

其中，d_j,max表示第j個主協同環境信息監測單元Monitor_j所對應的最大距離值；

步驟2-42，數據融合中心根據各主協同環境信息監測單元發送的位置坐標，得到主協同環境信息監測單元分布區域的最佳坐標原點；其中，主協同環境信息監測單元分布區域的最佳坐標原點標記為(X_opt,Y_opt,Z_opt)：

表示主協同環境信息監測單元Monitor_j的位置坐標；

步驟2-43，數據融合中心以所得最佳坐標原點為球心，以最佳分布半徑為球半徑，構建空間球體區域，并以所有位于該空間球體區域內的主協同環境信息監測單元作為最佳主協同環境信息監測單元集合；最佳主協同環境信息監測單元集合標記為S₃，最佳主協同環境信息監測單元集合S₃內的主協同環境信息監測單元總數目為N₃；

步驟3，數據融合中心根據最佳主協同環境信息監測單元集合S₃內所有最佳主協同環境信息監測單元的信噪比以及輔助環境信息監測單元集合S₂內所有輔助環境信息監測單元的信噪比，分別得到N₃個最佳主協同環境信息監測單元的各自對應的主協同貢獻系數δ_l以及輔助環境信息監測單元集合S₂的輔助協同貢獻系數其中：

N₃個最佳主協同環境信息監測單元各自對應的主協同貢獻系數δ_l為：

其中，δ_l表示最佳主協同環境信息監測單元集合S₃內第l個最佳主協同環境信息監測單元對應的主協同貢獻系數；

輔助環境信息監測單元集合S₂的輔助協同貢獻系數為：

其中，SNR_l表示最佳主協同環境信息監測單元集合S₃內第l個最佳主協同環境信息監測單元Monitor_l的信噪比，N₃表示所有最佳主協同環境信息監測單元的總數目，N₂表示輔助環境信息監測單元集合S₂內所有輔助環境信息監測單元的總數目；

步驟4，數據融合中心根據輔助環境信息監測單元集合內各輔助環境信息監測單元已發送的環境信息檢測結果，得到整個輔助環境信息監測單元集合所對應的環境信息檢測結果；其中：

其中，表示整個輔助環境信息監測單元集合S₂的環境信息檢測結果，表示輔助環境信息監測單元集合S₂內第h個輔助環境信息監測單元的環境信息檢測結果；

步驟5，數據融合中心根據各最佳主協同環境信息監測單元的主協同貢獻系數δ_l以及輔助環境信息監測單元集合所對應的輔助協同貢獻系數得到N個環境信息監測單元的最終融合監測結果；N個環境信息監測單元的最終融合檢測結果標記為Q_D：

其中，Q_d,l表示最佳主協同環境信息監測單元Monitor_l已發送給數據融合中心的環境信息檢測結果，表示輔助環境信息監測單元集合的環境信息檢測結果。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

首先，本發明中考慮環境信息監測單元在實際環境監測中存在的移動性情況，通過引入環境信息監測單元的即時速度以及即時速度的方向角度值來對環境信息監測單元的移動進行表征，從而令本發明中的方法在融合各環境信息監測單元的監測結果時更具有實用性；

其次，針對各環境信息監測單元在監測性能上的差別，本發明中通過建立基于信噪比和環境信息監測單元移動狀態的監測權值，并根據各環境信息監測單元的監測權值情況進行分簇處理，得到參與協同監測的主協同環境信息監測單元集合和輔助環境信息監測單元集合；

再次，針對主協同環境信息監測單元集合，通過獲取得到主協同環境信息監測單元分布區域的最佳分布半徑、最佳坐標原點來構建空間球體區域，且以位于空間球體區域內的環境信息監測單元作為最佳主協同環境信息監測單元，從而在摒棄部分主協同環境信息監測單元的前提下，以較少數量的主協同環境信息單元替代所有主協同環境信息單元的監測情況；

最后，通過計算各最佳主協同環境信息監測單元對融合結果的主協同貢獻系數以及輔助環境信息監測單元集合的輔助協同貢獻系數，準確地融合得到最終的環境信息監測結果。

附圖說明

圖1為本發明實施例中協同認知網絡的結構示意圖；

圖2為本發明中環境信息監測協同認知多路數據融合方法的流程示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。

本實施例中的環境信息監測協同認知多路數據融合方法，用于由數據融合中心以及N個環境信息監測單元所形成的協同認知網絡中，協同認知網絡參見圖1中所示。其中，如圖2所示，該環境信息監測協同認知多路數據融合方法依次包括如下步驟：

步驟1，N個環境信息監測單元獲取、保存自身初始位置到數據融合中心位置的距離值，并同時實時獲取、保存環境信息監測單元自身的信噪比、即時速度值、即時速度的方向角度值；其中：

即時速度的方向角度值為環境信息監測單元移動時的前進方向偏離該環境信息監測單元初始位置至數據融合中心位置連線的偏離角度，第i個環境信息監測單元標記為Monitor_i，i＝1,2,…,N，N≥3；環境信息監測單元Monitor_i自身的信噪比記為SNR_i，環境信息監測單元Monitor_i的即時速度值標記為v_i，環境信息監測單元Monitor_i的即時速度的方向角度值標記為θ_i，環境信息監測單元Monitor_i的位置標記為數據融合中心標記為FC；環境信息監測單元Monitor_i自身初始位置到數據融合中心FC位置的距離值標記為d_i；

例如，設定環境信息監測單元Monitor₁的初始位置為O，數據融合中心FC的位置為A，環境信息監測單元Monitor₁的當前前進方向(也就是即時速度方向)為沿著OB方向，則環境信息監測單元Monitor₁的即時速度的方向角度值θ₁為∠BOA；環境信息監測單元Monitor₁初始位置到數據融合中心FC位置的距離值d₁＝OA；環境信息監測單元Monitor₁的位置坐標標記為

步驟2，N個環境信息監測單元將各自的信噪比以及自己的身份標識值發送給數據融合中心，由數據融合中心對N個環境信息監測單元做分簇處理，以得到參與協同的環境信息監測單元；其中，數據融合中心對N個環境信息監測單元做分簇處理的過程包括如下步驟2-1至步驟2-4：

步驟2-1，步驟2-1，數據融合中心根據N個環境信息監測單元所對應的信噪比、即時速度值、即時速度的方向角度值和身份標識值，計算各環境信息監測單元對應的信噪比在N個環境信息監測單元信噪比總和中的監測權值ω_i；環境信息監測單元Monitor_i所對應信噪比的監測權值ω_i計算如下：

在計算環境信息監測單元的監測權值過程中，考慮各環境信息監測單元信噪比在所有N個環境信息監測單元信噪比集合中的權重情況，以此準確得到用于篩選參與協同監測的主協同環境信息監測單元以及輔助環境信息監測單元的真實篩選參考指標，從而提高協同認知網絡中的多路數據融合效果；

步驟2-2，數據融合中心根據預設協同監測篩選閾值以及各環境信息監測單元對應信噪比的監測權值，篩選出參與協同監測的主協同環境信息監測單元以及輔助環境信息監測單元：

當環境信息監測單元所對應信噪比的監測權值大于或者等于預設協同監測篩選閾值ω₀時，則選擇該環境信息監測單元為參與協同監測的主協同環境信息監測單元，并置入主協同環境信息監測單元集合S₁中；否則，則將該環境信息監測單元作為參與協同檢測的輔助環境信息監測單元，并置入輔助環境信息監測單元集合S₂中；

其中，在主協同環境信息監測單元集合S₁中，設定作為參與協同監測的主協同環境信息監測單元的總數目為N₁；在輔助環境信息監測單元集合S₂中，設定作為參與協同監測的輔助環境信息監測單元的總數目為N₂，且N₁+N₂＝N；

本實施例通過設定、篩選出主協同環境信息監測單元集合S₁和輔助環境信息監測單元集合S₂，既考慮了監測權值較高的環境信息監測單元，又不放棄監測權值較低的環境信息監測單元，從而把所有環境信息監測單元的檢測結果充分融合到多路數據融合中，進而大大地提高后續的協同認知多路數據融合的數據融合性能；

步驟2-3，在主協同環境信息監測單元集合S₁中，任選其中一個主協同環境信息監測單元分別與該主協同環境信息監測單元集合S₁內其他的主協同環境信息監測單元相互交互自身位置坐標，以計算得到該主協同環境信息監測單元至其他各主協同環境信息監測單元的距離，并獲得對應該主協同環境信息監測單元的最大距離值；其他主協同環境信息監測單元按照同樣的方式，依次、分別得到對應各主協同環境信息監測單元的最大距離值；其中，計算所得主協同環境信息監測單元集合S₁內第m個主協同環境信息監測單元Monitor_m至其他主協同環境信息監測單元Monitor_n的距離記為該主協同環境信息監測單元Monitor_m的最大距離值m∈[1,N₁]，n∈[1,N₁]，且m≠n；

例如，設定在主協同環境信息監測單元集合S₁中，主協同環境信息監測單元的個數為3個，分別標記為Monitor₁、Monitor₂和Monitor₃；主協同環境信息監測單元Monitor₁分別與主協同環境信息監測單元Monitor₂和Monitor₃相互交互自身位置坐標，從而可以得到主協同環境信息監測單元Monitor₁至Monitor₂的距離主協同環境信息監測單元Monitor₁至Monitor₃的距離進而得到主協同環境信息監測單元Monitor₁的最大距離值對應地，主協同環境信息監測單元Monitor₂的最大距離值主協同環境信息監測單元Monitor₃的最大距離值

步驟2-4，主協同環境信息監測單元集合S₁中的各主協同環境信息監測單元分別發送自身的身份標識值以及對應自身的最大距離值給數據融合中心，以由數據融合中心獲取最佳主協同環境信息監測單元集合；數據融合中心獲取最佳主協同環境信息監測單元集合的過程包括如下步驟2-41至步驟2-43：

步驟2-41，數據融合中心根據所有主協同環境信息監測單元所發送來的最大距離值，得到主協同環境信息監測單元分布區域的最佳分布半徑：其中，最佳分布半徑記為R_opt：

d_j,max表示第j個主協同環境信息監測單元Monitor_j所對應的最大距離值；

對應到步驟2-3中所舉的含有三個主協同環境信息監測單元的主協同環境信息監測單元集合S₁，主協同環境信息監測單元分布區域的最佳分布半徑

步驟2-42，數據融合中心根據各主協同環境信息監測單元發送的位置坐標，得到主協同環境信息監測單元分布區域的最佳坐標原點；其中，主協同環境信息監測單元分布區域的最佳坐標原點標記為(X_opt,Y_opt,Z_opt)：

其中，表示主協同環境信息監測單元Monitor_j的位置坐標；

對應步驟2-41中所述的例子，主協同環境信息監測單元Monitor₁的坐標為主協同環境信息監測單元Monitor₂的坐標為主協同環境信息監測單元Monitor₃的坐標為則主協同環境信息監測單元分布區域的最佳坐標原點為；

步驟2-43，數據融合中心以所得最佳坐標原點(X_opt,Y_opt,Z_opt)為球心，以最佳分布半徑R_opt為球半徑，構建空間球體區域，并以所有位于該空間球體區域內的主協同環境信息監測單元作為最佳主協同環境信息監測單元集合；最佳主協同環境信息監測單元集合標記為S₃，最佳主協同環境信息監測單元集合S₃內的主協同環境信息監測單元總數目為N₃；

例如，在構建的空間球體區域內，如果主協同環境信息監測單元Monitor₁和Monitor₃均位于該空間球體區域內，主協同環境信息監測單元Monitor₂位于該空間球體區域以外，則將主協同環境信息監測單元Monitor₁和Monitor₃作為最佳主協同環境信息監測單元集合；如果只有主協同環境信息監測單元Monitor₁位于該空間球體區域內，則只將主協同環境信息監測單元Monitor₁作為最佳主協同環境信息監測單元集合；

步驟3，數據融合中心根據最佳主協同環境信息監測單元集合S₃內所有最佳主協同環境信息監測單元的信噪比以及輔助環境信息監測單元集合S₂內所有輔助環境信息監測單元的信噪比，分別得到N₃個最佳主協同環境信息監測單元的主協同貢獻系數δ_l以及輔助環境信息監測單元集合S₂的輔助協同貢獻系數其中：

N₃個最佳主協同環境信息監測單元各自對應的主協同貢獻系數δ_l為：

其中，δ_l表示最佳主協同環境信息監測單元集合S₃內第l個最佳主協同環境信息監測單元對應的主協同貢獻系數；

輔助環境信息監測單元集合S₂的輔助協同貢獻系數為：

其中，SNR_l表示最佳主協同環境信息監測單元集合S₃內第l個最佳主協同環境信息監測單元Monitor_l的信噪比，N₃表示所有最佳主協同環境信息監測單元的總數目，N₂表示輔助環境信息監測單元集合S₂內所有輔助環境信息監測單元的總數目；

假設在最佳主協同環境信息監測單元集合S₃內，最佳主協同環境信息監測單元的數目N₃＝2，最佳主協同環境信息監測單元分別為Monitor₁和Monitor₃；輔助環境信息監測單元集合S₂內的輔助環境信息監測單元數目N₂＝3，則最佳主協同環境信息監測單元Monitor₁的主協同貢獻系數最佳主協同環境信息監測單元Monitor₃的主協同貢獻系數輔助環境信息監測單元集合S₂的輔助協同貢獻系數

步驟4，數據融合中心FC根據輔助環境信息監測單元集合S₂內各輔助環境信息監測單元已發送的環境信息檢測結果，得到整個輔助環境信息監測單元集合S₂所對應的環境信息檢測結果其中：

表示整個輔助環境信息監測單元集合S₂的環境信息檢測結果，表示輔助環境信息監測單元集合S₂內第h個輔助環境信息監測單元的環境信息檢測結果；

步驟5，數據融合中心FC根據各最佳主協同環境信息監測單元的主協同貢獻系數δ_l以及輔助環境信息監測單元集合S₂所對應的輔助協同貢獻系數得到N個環境信息監測單元的最終融合檢測結果；其中，N個環境信息監測單元的最終融合檢測結果標記為Q_D：