一种基于NB-IoT的数据上传方法、设备、系统

技术领域

本发明属于物联网通信技术领域，具体涉及一种基于NB-IoT的数据上传方法、设备、系统。

背景技术

随着科技的发展，抄表不再需要工作人员去各居民或单位的待抄取表现场抄取，而是通过集中器或服务器获取智能表的数据信息。

NB-IoT全称窄带物联网(narrow band internet of things)，是低功耗广域网(lpwan)的一种，主要面向大规模低数据量物联网连接应用。与lte、emtc相比NB-IoT自身带宽很窄，导致其并发上报终端数有限，终端集中接入会导致网络底噪提升、接入指标下降；终端如未做错峰优化，会导致终端设备接入困难，网络拥堵，数据上报失败。

现有的NB-IoT物联网水表通常采用电池供电，且需要满足6年使用寿命，因此NB-IoT物联网水表数据上报的周期通常为一天上报一次或几天上报一次。如果物联网水表数量庞大，在同一时间段上报，可能会造成并发性问题，导致上报数据丢失，严重的会造成系统瘫痪。

发明内容

本发明提供一种基于NB-IoT的数据上传方法、设备、系统，通过对原始数据进行预处理和转换，减少原始数据的大小和数量，使数据便于传输，有效提高数据上传的效率。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于NB-IoT的数据上传方法，包括步骤：

对需要上传的原始数据进行预处理，并对预处理后的数据进行转换，以得到转换后的数据；

使用NB-IoT协议将转换后的数据上传至网络服务器；

网络服务器将接收到的转换后的数据还原为原始数据。

作为优选方案，对需要上传的原始数据进行预处理包括数据压缩处理、数据分片处理。

作为优选方案，用离散数学模型对预处理后的数据进行转换。

作为优选方案，离散数学模型的类型根据数据的特性以及数据的用途配置。

作为优选方案，离散数学模型为哈希函数模型、矩阵分解模型。

作为优选方案，NB-IoT协议的类型根据数据的特性以及数据的用途配置。

作为优选方案，在转换数据和还原数据时，均对数据进行加密、保护处理。

第二方面，本发明提供一种基于NB-IoT的数据上传设备，用于定期上传数据以实现上述一种基于NB-IoT的数据上传方法，包括依次连接的数据预处理模块、数据转换模块、数据上传模块；

所述数据预处理模块用于对需要上传的数据进行预处理；

所述数据转换模块用于对预处理后的数据进行转换；

所述数据上传模块用于将转换后的数据上传至网络服务器。

第三方面，本发明提供一种基于NB-IoT的数据上传系统，包括上述多个基于NB-IoT的数据上传设备以及与多个基于NB-IoT的数据上传设备相连的网络服务器，以实现上述一种基于NB-IoT的数据上传方法。

本发明的有益效果是：

1、对原始数据进行预处理，将原始数据转换为更小、更易于处理和传输的形式，能够减少原始数据的大小和数量，从而减少上传时间，提高数据上传的效率；使用离散数学模型对预处理后的数据进行转换，可以将数据转换为适合进行高效传输的形式，能够提高数上传的效率和可靠性。

2、使用离散数学模型对预处理后的数据进行转换，再将转换后的数据上传，能有效提高数据还原过程中数据的还原的准确性和可靠性。

3、原始数据经预处理、数据转换后，数据的大小和数量减少，上传时间减少，设备的能耗也相应减少，从而能够延长物联网设备电池的寿命。同时基于NB-IoT的数据上传方法能够与现有的NB-IoT的设备兼容，便于物联网设备的升级、替换。

4、离散数学模型和NB-IoT协议能根据数据特性、数据用途等实际情况进行调整、优化，有较好的可扩展性，能适应不同的应用场景和需求。

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。

图1是一种基于NB-IoT的数据上传方法的流程图。

图2是一种基于NB-IoT的数据上传设备的结构示意图。

图3是一种基于NB-IoT的数据上传系统的结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

NB-IoT是窄带物联网技术，是一种专门为物联网应用而设计的低功耗、广覆盖的无线通信技术。NB-IoT技术可以实现设备之间的互联互通，能够支持大规模的设备连接，并具有较低的功耗和成本。该技术在物联网领域具有广泛的应用，包括智能家居、智慧城市、工业自动化等领域。

但是NB-IoT相对于其他通信技术，数据传输速率较低，不适合应用在需要大量数据传输的场合；由于低功耗和窄带特性，NB-IoT的数据传输延迟相对较高，不适合应用在对实时性要求较高的场合，还可能存在一些稳定性和兼容性方面的问题。

目前，很多小区的智能表计产品为NB-IoT设备，这些设备需要需要定期向服务器上传数据。若与服务器相连的NB-IoT设备数量庞大，且多个NB-IoT设备在同一时段向服务器上传数据，会导致设备通讯失败、上传数据丢失、服务器处理延迟等问题，甚至会使整个系统瘫痪，因此需要一种新的数据上传方式，以提高数据上传的效率。

参照图1，一种基于NB-IoT的数据上传方法，包括步骤：

对需要上传的原始数据进行预处理，并对预处理后的数据进行转换，以得到转换后的数据；

使用NB-IoT协议将转换后的数据上传至网络服务器；

网络服务器将接收到的转换后的数据还原为原始数据。

通过对原始数据进行预处理和转换，减少原始数据的大小和数量，使数据便于传输，有效提高数据上传的效率。

进一步，对需要上传的原始数据进行预处理包括数据压缩处理、数据分片处理。

数据压缩处理和数据分片处理是数据处理中常见的技术。具体的：

数据压缩处理：根据数据特性、数据用途选择合适的压缩算法，对需要上传的数据进行处理。

数据分片处理：根据数据特性、数据用确定数据分片的规则，可以是按照固定大小分片，按照特定标志符分片，或者按照时间段分片等；根据确定的规则，对数据进行分片处理，生成多个数据片段，通常会使用编号或其他方式标识不同的数据片段；在需要时可以根据需求将数据片段重新组合成完整的数据。

在进行数据压缩和数据分片处理时，需要注意数据的完整性和准确性，避免数据损失，发生错误。

进一步，用离散数学模型对预处理后的数据进行转换，离散数学模型的类型根据数据的特性以及数据的用途配置。

具体的：离散数学模型为哈希函数模型或者矩阵分解模型。

哈希函数是一种将任意长度的数据映射为固定长度哈希值的函数。哈希函数的特点如下：

1、数据压缩：哈希函数可以将大量数据压缩成固定长度的哈希值，能在数据传输过程中减少数据大小，提高数据传输效率。

2、固定长度输出：无论输入数据的长度如何，哈希函数都会产生固定长度的输出，这有助于减少传输的数据量。

3、唯一性：优秀的哈希函数应当尽可能减少不同输入映射为相同哈希值的概率，以保证数据的唯一性。

哈希函数经常用于数据加密、数据校验、数据完整性验证等领域，对于物联网设备的数据上传，可以通过哈希函数将数据压缩为固定长度的哈希值，以减少数据传输的大小，提高数据传输效率。

下面是一个利用哈希函数进行NB-IoT数据上报的示例：

假设有一个NB-IoT设备需要将传感器数据上报给云端服务器。设备将采集到的传感器数据存储在一个数据结构中，例如一个字典或数组。

设备使用哈希函数（例如SHA-256）将传感器数据转换为一个唯一的哈希值。这个哈希值可以作为数据的唯一标识符，并且可以用于验证数据的完整性和真实性。

设备将哈希值和传感器数据一起发送给云端服务器。在传输过程中，如果数据被篡改或损坏，那么接收方可以通过计算接收到的数据的哈希值来检测错误。

云端服务器接收到哈希值和传感器数据后，也使用相同的哈希函数计算出数据的哈希值。然后，将接收到的哈希值与计算出的哈希值进行比较，以验证数据的完整性和真实性。

矩阵分解是一种将矩阵表示的数据进行分解的数学方法。矩阵分解的特点如下：

1、数据降维：矩阵分解可以将数据表示为更加紧凑的形式，降低数据的维度和复杂度，能在数据传输过程中减少传输量。

2、特征提取：通过矩阵分解，可以提取出数据中的重要特征，有助于在传输和存储过程中减少冗余信息。

矩阵分解常用于数据降维、特征提取、数据压缩等领域，对于物联网设备的数据上传，可以通过矩阵分解将原始数据转换为更紧凑、高效的表示形式，以提高数据传输的效率，降低设备能耗。

下面是一个利用矩阵分解进行NB-IoT数据上报的示例：

假设有一个NB-IoT设备需要将传感器数据上报给云端服务器。设备将采集到的传感器数据存储在一个矩阵中，例如一个二维数组。

设备使用矩阵分解算法（例如奇异值分解）将传感器数据矩阵分解为多个矩阵的乘积。这个分解过程可以提取出传感器数据中的重要特征，并减少数据的维度，从而减小数据的复杂性和存储需求。

设备将分解后的矩阵和原始传感器数据一起发送给云端服务器。在传输过程中，由于矩阵分解后的数据维度降低，可以减小传输的数据量，提高传输效率。

云端服务器接收到分解后的矩阵和原始传感器数据后，使用相同的矩阵分解算法将接收到的数据矩阵进行分解。然后，将接收到的分解后的矩阵与设备发送的分解后的矩阵进行比较，以验证数据的完整性和真实性。

如果两个矩阵匹配，则说明数据是完整的和真实的，云端服务器可以进一步处理和分析这些数据。否则，如果两个矩阵不匹配，则说明数据已经被篡改或损坏，云端服务器可以拒绝这些数据并通知设备重新发送。

进一步，NB-IoT协议的类型根据数据的特性以及数据的用途配置。

NB-IoT协议是专为物联网设备设计的，具有较低的功耗和较好的覆盖范围，能够实现广覆盖、低功耗的数据上传。

NB-IoT协议类型的选择还要考虑数据传输的速率，数据传输的成本，数据传输的范围，需要传输数据的NB-IoT设备的功耗，具体的应用场景，以提高数据传输的效率和数据传输的准确性。

NBIOT设备上传主要采用的协议包括CoAP协议和MQTT协议。

CoAP协议是一种轻量级的M2M通信协议，专为物联网设备设计。它具有小巧、低功耗、易实现等特点，适用于小型设备和低功耗网络环境。CoAP协议基于UDP协议，可以实现快速的数据传输和响应，适用于实时性要求较高的场景。

MQTT协议是一种基于发布/订阅模式的消息传输协议，广泛应用于物联网领域。它支持多种平台和设备，可以实现高效、可靠的数据传输和共享。MQTT协议具有灵活性和可扩展性，可以根据不同的需求进行定制和优化。

进一步，在转换数据和还原数据时，均对数据进行加密、保护处理。

加解密方式采用AES加密，AES加密使用相同的密钥进行加密和解密操作，因此加密和解密的速度都非常快。AES加密算法支持多种密钥长度，包括128位、192位和256位，其中256位是最高的安全级别。AES加密算法采用的是代替-置换网络（Substitution-Permutation Network）结构，通过多轮的非线性变换和线性变换来混淆和扩散数据，从而保证了数据的安全性。

AES加密的优点包括：

1、加密速度快：由于是对称加密算法，因此加密和解密的速度都非常快，适用于加密大量数据。

2、安全性高：AES加密算法采用的是高强度的加密算法和密钥长度，能够抵御各种已知的攻击方式，保证了数据的安全性。

3、灵活性好：AES加密算法支持多种密钥长度和加密模式，可以根据不同的需求进行灵活的配置和使用。

对一些敏感信息进行加密和保护处理，可以避免敏感数据在传输和存储过程中被未授权的人员获取，从而保护用户的隐私。加密和保护处理可以有效降低数据被窃取、篡改、破坏的风险，有效降低数据泄露的风险，确保数据在传输和存储过程中的安全性。

参照图2，一种基于NB-IoT的数据上传设备，用于定期上传数据以实现如上述所述一种基于NB-IoT的数据上传方法，包括依次连接的数据预处理模块、数据转换模块、数据上传模块；

所述数据预处理模块用于对需要上传的数据进行预处理；

所述数据转换模块用于对预处理后的数据进行转换；

所述数据上传模块用于将转换后的数据上传至网络服务器。

原始数据经预处理、数据转换后，数据的大小和数量减少，上传时间减少，设备的能耗也相应减少，从而能够延长物联网设备电池的寿命。同时基于NB-IoT的数据上传方法能够与现有的NB-IoT的设备兼容，便于物联网设备的升级、替换。

参照图3，一种基于NB-IoT的数据上传系统，包括上述多个基于NB-IoT的数据上传设备以及与多个基于NB-IoT的数据上传设备相连的网络服务器，以实现上述一种基于NB-IoT的数据上传方法。

每个设备上传的数据经处理后，数据大小和数量减少，使网络服务器更高效的获取每个设备的数据，并对数据进行后续分析处理。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。