基于物联网通信的盐碱地土壤修复过程远程监测方法与流程

本发明涉及物联网通信，特别是基于物联网通信的盐碱地土壤修复过程远程监测方法。

背景技术：

1、盐碱化是全球范围内威胁土地资源可持续利用和农业生产的重大环境问题，盐碱地土壤修复是一项周期长、涉及因素复杂的系统工程，修复过程中土壤盐分、水分、ph值等关键参数的动态监测，对于评估修复效果、优化改良方案以及指导田间管理决策具有至关重要的意义；

2、近年来，物联网技术的快速发展为盐碱地土壤修复的远程监测提供了新的技术路径，通过在监测区域部署无线传感器网络，采集土壤电导率、温度、含水量及ph值等关键参数，并经由无线通信网络上传至云端或数据中心进行分析处理，可以实现对盐碱地修复过程的远程、实时、连续监测，已有相关技术方案将zigbee无线传感器网络与gprs远程通信相结合，构建了盐碱地水盐动态的物联网同步自动检测系统；也有方案采用窄带物联网（nb-iot）技术构建盐分动态监测系统，结合lstm模型对传感器漂移趋势进行预测和动态修正，此外，部分研究提出了基于zigbee和wi-fi的土壤监测系统，通过传感器采集土壤数据汇总至网关后利用wi-fi上传至云服务平台，现有的盐碱地土壤修复远程监测技术仍存在以下明显的不足：

3、第一，通信协议选择与土壤环境条件脱节，现有系统在部署后通常采用固定的通信协议进行数据传输，盐碱地不同区域的土壤电导率存在巨大的空间异质性，土壤电导率作为表征土壤盐分含量的关键参数，直接影响地下无线信号的传播损耗和穿透能力，电导率越高，信号衰减越严重，在重度盐化区域，同一通信协议下的信号传输质量可能显著劣于轻度盐化区域；

4、第二，数据采集与上传策略缺乏动态调度能力，现有系统普遍采用固定周期的数据采集和上传模式，盐碱地水盐运移具有明显的时空动态特征，灌溉、排盐工程启动或强降雨等事件发生时，土壤盐分可能发生剧烈变化；而在修复中后期或干旱季节，盐分变化则趋于平缓；

5、第三，缺乏对土壤环境因素与通信质量之间耦合关系的系统性考虑，现有技术在系统设计和通信参数配置时，未能将土壤电导率等环境参数纳入通信质量的预测和优化模型中，部分盐碱地监测系统采用gprs/internet等远程通信方式，通信能耗较高，在缺乏有效能量管理策略的情况下，野外部署的传感器节点续航能力受限；

6、第四，通信参数配置后缺乏自适应校准机制，现有系统在完成部署和参数配置后，通常缺乏基于实际运行反馈的动态校准能力，随着修复进程的推进，土壤盐分分布持续变化，初始配置的通信参数可能逐渐偏离最优状态，导致系统长期运行后的通信效率下降。

7、但目前常见的解决方案存在诸多缺点，包括：现有技术通常采用固定通信协议进行数据传输，未能根据不同区域土壤电导率的显著空间差异动态适配通信方式，导致高盐度区域信号衰减严重、丢包率升高而低盐度区域能耗浪费；普遍采用固定采样周期，在盐分剧烈变化时段采样密度不足易丢失关键信息，在平缓时段又产生大量冗余数据，浪费通信带宽和节点能量；缺乏将土壤电导率等环境参数与通信信号衰减进行系统性耦合建模的方法，通信参数配置未将土壤盐分分布作为核心决策依据纳入优化模型，并且系统部署后缺少基于实际运行反馈的自适应校准机制，初始配置的通信参数随修复进程中盐分分布演变而逐渐偏离最优状态，长期运行的通信效率和数据质量难以持续保障。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术所提出的至少一个技术问题，本发明提供如下技术方案：

2、第一方面，本发明实施例提供了基于物联网通信的盐碱地土壤修复过程远程监测方法，其包括获取传感器节点的历史监测数据及气象预报数据，利用水盐运移预测模型预测各节点的预测电导率值和预测盐分变化速率值；根据预测电导率值及各协议对应的信号衰减模型，为各节点确定候选协议集合；构建综合代价函数，其为能量消耗项、通信丢包损失项和数据信息损失项的加权和；以所述综合代价函数值最小化为目标，在候选协议集合约束下联合求解最优协议、采样频率和上传周期并下发执行；根据各节点反馈的通信质量数据，校准所述信号衰减模型。

3、优选地，其中：所述获取传感器节点的历史监测数据及气象预报数据，利用水盐运移预测模型预测各节点的预测电导率值和预测盐分变化速率值，具体内容如下：获取各传感器节点在历史时间段内采集的土壤电导率、土壤ph值、土壤含水量、地表温度及蒸发量作为所述历史监测数据，同时获取未来时间段内的气象预报数据，所述气象预报数据至少包括未来降水量、未来气温及未来风速；将所述历史监测数据中的各参数按照时间顺序排列形成时序特征向量，将所述气象预报数据编码为气象特征向量，将所述时序特征向量和所述气象特征向量拼接后输入预先训练好的水盐运移预测模型；所述水盐运移预测模型输出各节点在未来时间窗口内多个时刻的预测电导率值，并根据预测电导率值随时间的变化率计算预测盐分变化速率值。

4、优选地，其中：所述根据预测电导率值及各协议对应的信号衰减模型，为各节点确定候选协议集合，具体内容如下：预先存储各通信协议类型对应的电导率耐受阈值和信号衰减系数，所述通信协议类型包括lora协议、zigbee协议和nb-iot协议；将各节点的预测电导率值分别与各协议的电导率耐受阈值进行比较，筛选出预测电导率值低于其电导率耐受阈值的协议，作为初选可用协议；根据各节点的预测电导率值与各初选可用协议的信号衰减系数，计算各初选可用协议的理论丢包率预估值；将理论丢包率预估值低于预设丢包率阈值的初选可用协议确定为该节点的候选协议集合中的协议。

5、优选地，其中：所述构建综合代价函数，其为能量消耗项、通信丢包损失项和数据信息损失项的加权和，具体内容如下：设定能量消耗项，所述能量消耗项由协议类型对应的单位能耗系数、采样频率和上传周期共同决定，且能量消耗项的值与采样频率及采样频率与上传周期的比值正相关，不同的协议类型对应不同的单位能耗系数；设定通信丢包损失项，所述通信丢包损失项由协议类型对应的信号衰减模型和预测电导率值共同决定，且通信丢包损失项的值与预测电导率值相对于当前协议的电导率耐受阈值的超标程度正相关，超标程度越高则通信丢包损失项的值越大；设定数据信息损失项，所述数据信息损失项由采样频率和预测盐分变化速率值共同决定，且数据信息损失项的值与预测盐分变化速率值正相关、与采样频率负相关，即预测盐分变化速率值越大或采样频率越低则数据信息损失项的值越大；将所述能量消耗项、所述通信丢包损失项和所述数据信息损失项分别乘以对应的权重系数后求和，得到所述综合代价函数。

6、优选地，其中：所述以综合代价函数值最小化为目标，在候选协议集合约束下联合求解最优协议、采样频率和上传周期并下发执行，具体内容如下：将当前节点候选协议集合中的各协议类型分别代入所述综合代价函数，对每种协议类型，在其对应的采样频率取值范围内和上传周期取值范围内进行搜索，选取使该协议类型下综合代价函数值最小的采样频率和上传周期组合作为该协议类型下的局部最优解；遍历候选协议集合中的所有协议类型后，比较各协议类型下的局部最优解，选取使综合代价函数值全局最小的协议类型及其对应的采样频率和上传周期，作为当前节点的最优协议、最优采样频率和最优上传周期；将求解得到的所述最优协议、最优采样频率和最优上传周期封装为配置指令帧，通过下行控制信道下发至对应的传感器节点，所述传感器节点解析所述配置指令帧后，按照指定的协议类型进行通信参数重配置，并按照指定的采样频率和上传周期执行后续的数据采集与上传任务。

7、优选地，其中：所述根据各节点反馈的通信质量数据，校准所述信号衰减模型，具体内容如下：接收各传感器节点在执行下发的所述最优协议、最优采样频率和最优上传周期后反馈的实际通信质量数据，所述实际通信质量数据至少包括实际丢包率和实际信号强度；将所述实际丢包率与基于当前信号衰减模型计算的理论丢包率进行比对，计算丢包率偏差值；判断所述丢包率偏差值的绝对值是否超过预设的偏差阈值，若未超过，则保持当前信号衰减模型不变；若所述丢包率偏差值的绝对值超过预设的偏差阈值，则触发信号衰减模型校准，将本次反馈的实际丢包率及对应的预测电导率值作为校准样本加入模型更新队列；当所述模型更新队列中的校准样本数量达到预设数量阈值时，利用所述校准样本对所述信号衰减模型中的电导率-信号衰减系数进行重新拟合更新，以减小下一轮预测的理论丢包率与实际丢包率之间的偏差。

8、优选地，其中：所述模型更新队列中的校准样本数量达到预设数量阈值时，利用所述校准样本对所述信号衰减模型中的电导率-信号衰减系数进行重新拟合更新，具体方法如下：以所述模型更新队列中各校准样本对应的预测电导率值为输入变量，以对应反馈的实际丢包率为输出变量，采用最小二乘法拟合更新所述电导率-信号衰减系数；完成拟合更新后，清空所述模型更新队列，并以更新后的电导率-信号衰减系数替换原有的电导率-信号衰减系数，用于下一轮预测所述理论丢包率；若连续多次拟合更新后，丢包率偏差值的绝对值均未超过预设的偏差阈值，则自动将所述偏差阈值调低并更新存储，以逐步提高校准精度的触发灵敏度。

9、第二方面，本发明为进一步解决上述技术问题，实施例提供了基于物联网通信的盐碱地土壤修复过程远程监测系统，其包括：数据获取与预测模块，用于获取传感器节点的历史监测数据及气象预报数据，并利用水盐运移预测模型预测各节点的预测电导率值和预测盐分变化速率值；协议初选模块，用于根据预测电导率值及各协议对应的信号衰减模型，为各节点确定候选协议集合；代价评估与优化求解模块，用于构建综合代价函数并以综合代价函数值最小化为目标，在候选协议集合约束下联合求解最优协议、采样频率和上传周期，综合代价函数为能量消耗项、通信丢包损失项和数据信息损失项的加权和；指令下发模块，用于将求解得到的最优协议、采样频率和上传周期下发至对应的传感器节点，以使各传感器节点按照下发的参数执行数据采集与上传；校准模块，用于根据各节点反馈的实际通信质量数据校准信号衰减模型。

10、本发明的有益效果为：本发明通过水盐运移预测模型提前获取各节点未来时刻的预测电导率值和预测盐分变化速率值，实现了通信策略与土壤盐分时空分布的精准匹配，有效提高了高盐度区域的通信可靠性并降低了节点能量消耗；通过预测盐分变化速率值驱动采样频率自适应调整，在盐分剧烈变化时段自动加密采样以捕捉完整动态过程，解决了固定周期采样易丢失关键信息的缺陷；通过将实际丢包率与理论丢包率比对，偏差超过阈值时累积校准样本并采用最小二乘法重新拟合电导率-信号衰减系数，且在连续多次校准后偏差未超阈值时自动调低偏差阈值，形成了预测-优化-执行-校准-阈值自适应收紧的闭环反馈机制，确保系统长期运行中通信策略持续适配土壤环境动态演变；各节点独立差异化求解使得不同区域的节点采用差异化的协议类型和上传时序，有效降低了多节点并发通信冲突，提升了大规模部署场景下的系统稳定性。