一种基于NB-IoT技术的远程采集装置的制作方法

本发明属于窄带物联网领域，更具体地，涉及一种基于nb-iot技术的远程采集装置。

背景技术：

基于蜂窝的窄带物联网(narrowbandinternetofthings,nb-iot)成为万物互联网络的一个重要分支，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(lpwan)，只消耗大约180khz的带宽，可直接部署于gsm网络、umts网络或lte网络环境下，降低部署成本、可实现平滑升级，当前物联网的接入设备数量广泛而快速的增加，前端装置带有传感器的接入是重要的分类，完成某一传感的数值采集并通过无线上传是物联网的重要构成，也是触发物联网执行设备联动的入口，现有的基于nb-iot的远程采集设备具备如下缺点：远程采集设备通常将传感器采集的环境数据进行汇总后直接透传值网络侧设备进行分析处理，传输的数据未经加密，导致传输的数据容易被黑客获取及篡改，从而降低了数据传输的安全性和可靠性，另一方面，传感器在采集环境数据时，由于传感器自身的噪声和环境变化的干扰，致使测量结果的可信度不断下降，导致后续对环境数据的分析出现错误，最后，当前nb-iot等蜂窝物联网设备都具备极具竞争力的低功耗技术，如psm等，但当终端处于psm状态下时，无法接收网络侧的任何信息，由于缺乏实时响应特性导致网络侧设备只能被动地接收数据。鉴于上述缺陷，如何提供一种安全性高，精度高，实时性高的远程采集设备成为行业亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请解决的技术问题之一是提供一种基于nb-iot技术的远程采集装置。

根据本发明一方面的一个实施例，提供了一种基于nb-iot技术的远程采集装置。所述装置包括：中央处理单元，安全模块，nb-iot通信模块，电源模块，太阳能电池板，存储部件，传感器组，数据预处理模块，唤醒模块，其中，所述安全模块，电源模块，存储部件，数据预处理模块与所述中央处理单元相连接，所述nb-iot通信模块与所述安全模块相连接，所述传感器组与数据预处理模块连接；太阳能电池板与电源模块连接；所述唤醒模块分别于nb-iot通信模块以及中央处理单元相连接。

进一步地，所述数据预处理模块提供多种通信协议接口，每个通信协议接口对应连接相应协议接口的传感器，接收来自传感器的数据，并对数据进行预处理，此外，数据预处理模块包括多条缓存路径和输出路径，每条缓存路径对应同一类型的传感器采集到的数据，所述多条缓存路径相互隔离，将预处理后的传感器采集到的数据，进行筛选和缓存，并将缓存的数据进行分组，通过输出路径进一步传输至中央处理单元。

进一步地，所述唤醒模块通过nb-iot通信模块接收网络侧设备发送的唤醒信号，并对唤醒信号进行解析，当解析出唤醒信号中包含的认证信息与之前存储的认证信息一致，则向中央处理单元发送唤醒信号，中央处理单元在接收到唤醒信号后，由深度睡眠状态转变为浅度睡眠状态或业务激活状态；中央处理单元通过nb-iot通信模块向网络侧设备发送应答信号，更新计数器，并使用被更新的计数器、自身的身份信息、网络侧设备的身份信息和与网络侧设备的共享的密匙，更新存储的认证信息，并将更新存储的认证信息发送给唤醒模块以及网络侧设备。

进一步地，所述安全模块保存有上行数据密钥和下行数据密钥，当获取到待上传的传输数据，调用上行数据密钥对所述待上传的传输数据进行加密，将经过加密的传输数据和所述远程采集装置的标识发送给网络侧设备，以及调用下行数据密钥对接收到的数据进行解密，将解密后的数据发送至中央处理单元。

进一步地，所述传感器组包括水质传感器，空气温湿度传感器、水位传感器、烟雾传感器、气味传感器、气压传感器、加速度计，麦克风，摄像头。

进一步地，所述数据预处理模块对接收到的来自传感器的数据进行预处理，包括：在接收到来自传感器的数据到缓存至缓存路径前增加一个数据过滤过程，通过卡尔曼滤波器去除噪声。

进一步地，所述通过卡尔曼滤波器去除噪声，包括：步骤1、设定过程噪声和测量噪声的协方差，分别用q和r表示，用于使用卡尔曼滤波器对传感器采集数据进行处理；步骤2、用设定的q和r构造出卡尔曼滤波器模型的递归公式；步骤3、在一个时间周期内，将传感器采集的实测数据通过卡尔曼滤波器得到剔除噪声的实际数据，并且根据时间序列模型以及本缓存路径所缓存的前n个周期的历史数据，计算出本周期的预测数据；n的数值由所采用时间序列模型决定；步骤4、计算该传感器节点本周期的实际数据与预测数据的差值，将该差值作为预测误差；步骤5、当预测误差小于或等于预先设定的误差阈值时，所述缓存路径向中央处理单元传输数据，当预测误差大于误差阈值时，所述缓存路径不向中央处理单元传输数据。

进一步地，所述中央处理单元在没有数据发送或接收的情况下，进入浅度睡眠状态，当定时器的定时到达后，仍然没有数据发送或接收，进入深度睡眠状态，在进入深度睡眠状态之前的预设时间内，唤醒模块开始工作，从而实时地接收网络侧设备发来的外部唤醒信号。

进一步地，所述更新存储的认证信息包括：将计数器和远程采集装置的身份信息和网络侧设备的身份信息连接生成初始输入值，将所述初始输入值和初始向量以比特单位通过或逻辑运算出来，生成aes算法的输入值，通过生成的aes算法的输入值和密匙生成aes算法的输出值，作为更新的认证信息并存储。

进一步地，所述安全模块向网络侧设备发送下行密钥请求，该下行密钥请求携带有远程采集装置的标识以及上行数据密钥，网络侧设备接收到该下行密钥请求后将其携带的远程采集装置的标识和上行数据密钥对应存储，并向安全模块发送响应，该响应信息携带有网络测设备的标识和下行数据密钥。

进一步地，所述太阳能电池板用于对电源模块进行充电，所述电源模块用于为中央处理单元供电。

进一步地，所述nb-iot通信模块工作在授权频谱下，所述nb-iot模组包含sim控制电路、rtc控制电路、电源供电电路。

本领域普通技术人员将了解，虽然下面的详细说明将参考图实施例、附图进行，但本申请并不仅限于这些实施例，而是，本申请的范围是广泛的，且意在仅通过后附的权利要求限定本申请的范围。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为根据本申请的一种基于nb-iot技术的远程采集装置。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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作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。

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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作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。

实施例一

参阅图1，本发明实施例一提供一种基于nb-iot技术的远程采集装置。所述装置包括：中央处理单元，安全模块，nb-iot通信模块，电源模块，太阳能电池板，存储部件，传感器组，数据预处理模块，唤醒模块，其中，所述安全模块，电源模块，存储部件，数据预处理模块与所述中央处理单元相连接，所述nb-iot通信模块与所述安全模块相连接，所述传感器组与数据预处理模块连接；太阳能电池板与电源模块连接；所述唤醒模块分别于nb-iot通信模块以及中央处理单元相连接。

所述数据预处理模块提供多种通信协议接口，每个通信协议接口对应连接相应协议接口的传感器，接收来自传感器的数据，并对数据进行预处理，此外，数据预处理模块包括多条缓存路径和输出路径，每条缓存路径对应同一类型的传感器采集到的数据，所述多条缓存路径相互隔离，将预处理后的传感器采集到的数据，进行筛选和缓存，并将缓存的数据进行分组，通过输出路径进一步传输至中央处理单元。

所述唤醒模块通过nb-iot通信模块接收网络侧设备发送的唤醒信号，并对唤醒信号进行解析，当解析出唤醒信号中包含的认证信息与之前存储的认证信息一致，则向中央处理单元发送唤醒信号，中央处理单元在接收到唤醒信号后，由深度睡眠状态转变为浅度睡眠状态或业务激活状态；中央处理单元通过nb-iot通信模块向网络侧设备发送应答信号，更新计数器，并使用被更新的计数器、自身的身份信息、网络侧设备的身份信息和与网络侧设备的共享的密匙，更新存储的认证信息，并将更新存储的认证信息发送给唤醒模块以及网络侧设备。

所述安全模块保存有上行数据密钥和下行数据密钥，当获取到待上传的传输数据，调用上行数据密钥对所述待上传的传输数据进行加密，将经过加密的传输数据和所述远程采集装置的标识发送给网络侧设备，以及调用下行数据密钥对接收到的数据进行解密，将解密后的数据发送至中央处理单元。

所述传感器组包括水质传感器，空气温湿度传感器、水位传感器、烟雾传感器、气味传感器、气压传感器、加速度计，麦克风，摄像头。

所述数据预处理模块对接收到的来自传感器的数据进行预处理，包括：在接收到来自传感器的数据到缓存至缓存路径前增加一个数据过滤过程，通过卡尔曼滤波器去除噪声。

所述通过卡尔曼滤波器去除噪声，包括：

步骤1、设定过程噪声和测量噪声的协方差，分别用q和r表示，用于使用卡尔曼滤波器对传感器采集数据进行处理；

步骤2、用设定的q和r构造出卡尔曼滤波器模型的递归公式；

步骤3、在一个时间周期内，将传感器采集的实测数据通过卡尔曼滤波器得到剔除噪声的实际数据，并且根据时间序列模型以及本缓存路径所缓存的前n个周期的历史数据，计算出本周期的预测数据；n的数值由所采用时间序列模型决定；

步骤4、计算该传感器节点本周期的实际数据与预测数据的差值，将该差值作为预测误差；

步骤5、当预测误差小于或等于预先设定的误差阈值时，所述缓存路径向中央处理单元传输数据，当预测误差大于误差阈值时，所述缓存路径不向中央处理单元传输数据；

所述中央处理单元在没有数据发送或接收的情况下，进入浅度睡眠状态，当定时器的定时到达后，仍然没有数据发送或接收，进入深度睡眠状态，在进入深度睡眠状态之前的预设时间内，唤醒模块开始工作，从而实时地接收网络侧设备发来的外部唤醒信号。

所述更新存储的认证信息包括：将计数器和远程采集装置的身份信息和网络侧设备的身份信息连接生成初始输入值，将所述初始输入值和初始向量以比特单位通过或逻辑运算出来，生成aes算法的输入值，通过生成的aes算法的输入值和密匙生成aes算法的输出值，作为更新的认证信息并存储。

所述安全模块向网络侧设备发送下行密钥请求，该下行密钥请求携带有远程采集装置的标识以及上行数据密钥，网络侧设备接收到该下行密钥请求后将其携带的远程采集装置的标识和上行数据密钥对应存储，并向安全模块发送响应，该响应信息携带有网络测设备的标识和下行数据密钥。

所述太阳能电池板用于对电源模块进行充电，所述电源模块用于为中央处理单元供电。

所述nb-iot通信模块工作在授权频谱下，所述nb-iot模组包含sim控制电路、rtc控制电路、电源供电电路。

本发明公开的上述技术方案，基于nb-iot技术的远程采集装置通过与网络侧设备交互上行数据密钥和下行数据密钥，调用上行数据密钥对待上传的传输数据进行加密，调用下行数据密钥对接收到的数据进行解密，增加了数据传输的安全性，通过在数据预处理模块中增加卡尔曼滤波处理，对接收到的传感器采集的原始数据进行降噪处理，提高了采集数据的准确性，最后，装置的唤醒模块根据网络侧设备发送的唤醒信号激活处于睡眠状态的中央处理单元进行数据的传输接收，保证了数据交互的实时性。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的装置的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图和框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，包含一个或多个用于实现逻辑功能的计算机可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。也要注意的是，框图和流程图中的每个方框或方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明，上述实施例仅是为说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于本领域技术人员来说，在上述说明的基础上，还可以做出其它不同形式的变化或变动，而这些变化或变动将是显而易见的，处于本发明的保护范围之中。