專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測中基于壓縮傳感的數(shù)據(jù)收集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，尤其是一種低功耗低存儲空間的數(shù)據(jù)收集方法，具體涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測中基于壓縮傳感的數(shù)據(jù)收集方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用之一是對環(huán)境進行長期的監(jiān)測。環(huán)境監(jiān)測是在一段時間內(nèi)通過布撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)并能夠高精度的復(fù)原出環(huán)境的變化過程。因此數(shù)據(jù)收集是環(huán)境監(jiān)測中必不可少的過程。數(shù)據(jù)收集涉及三項指標分別是能耗、存儲空間和復(fù)原精度。
能耗由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通常使用電池，在布撒后又不容易更換電池或充電。要求節(jié)點在工作過程中盡量節(jié)能，使得符合長時間的環(huán)境監(jiān)測的要求。節(jié)點的主要耗能在數(shù)據(jù)傳輸上，比如常用的TelosB傳感器節(jié)點使用CC2420無線模塊，在接收狀態(tài)損耗21. 8mA,在發(fā)射狀態(tài)下?lián)p耗19. 5mA,在關(guān)閉無線模塊僅傳感數(shù)據(jù)的情況下耗能僅I. 8mA,在休眠狀態(tài)下僅幾個 U A。(數(shù)據(jù)來源Y. Liu, Q. Zhang, and L. Ni, “Opportunity-basedTopology Control in Wireless Sensor Networks, ，，IEEE Transaction on Parallel andDistributed Systems (TPDS), Vol. 21, No. 3, March 2010.)由此可見在數(shù)據(jù)收集過程中，主要的能耗是在數(shù)據(jù)傳輸上，而數(shù)據(jù)采集和休眠狀態(tài)的耗能都比較低。存儲空間收集回來的數(shù)據(jù)需要存儲空間保存，由于環(huán)境監(jiān)測常常需要大規(guī)模的長期的數(shù)據(jù)收集，因此會占用大量的存儲空間。根據(jù)報告統(tǒng)計2011年全世界產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(主要是傳感而來的數(shù)據(jù))增量速度比全世界存儲設(shè)備的生產(chǎn)增量速度快了 31%。在2007年時，全世界產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量已經(jīng)相當于全世界生產(chǎn)出的存儲設(shè)備的總量，在2011年前者已經(jīng)是后者的兩倍了。(數(shù)據(jù)來源R. Baraniuk, “More Is Less:Signal Processing andthe Data Deluge,，，Science, vol. 331，no. 6018，pp. 717-719，F(xiàn)ebruary 2011.)由此可見,傳感器網(wǎng)絡(luò)在大規(guī)模長期的環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)收集過程中需要控制數(shù)據(jù)量，否則會引發(fā)嚴重的數(shù)據(jù)泛濫問題。復(fù)原精度通過傳感器網(wǎng)絡(luò)進行環(huán)境監(jiān)測的目的就是能在信息世界中復(fù)原并重構(gòu)出環(huán)境變化的過程，因此要求收集回來的數(shù)據(jù)在特定插值算法后能夠達到應(yīng)用所要求的復(fù)原精度。已有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集解決方案主要包括(I)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集。如圖7所示，應(yīng)用了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方法的每一個節(jié)點在每一個時間槽內(nèi)采集一次數(shù)據(jù)，并且保持無線模塊開啟用以數(shù)據(jù)傳輸。(2)低占空比方法。如圖7所示，應(yīng)用了低占空比數(shù)據(jù)收集方法的節(jié)點在固定周期的若干個時間槽內(nèi)進行采集和傳輸?shù)墓ぷ?，其它時間槽內(nèi)均處在休眠狀態(tài)。對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方法在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中存在以下不足之處
(I)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集?？梢哉J為該方法收集的數(shù)據(jù)是完整的，無須插值已經(jīng)能夠復(fù)原環(huán)境的變化，即達到精度最高。但是該方法因為每一節(jié)點每一時間槽采集數(shù)據(jù)，所以耗費大量存儲空間。因為無線模塊保持開啟狀態(tài)，因此能耗高。(2)低占空比方法。該方法節(jié)省了能耗和存儲空間，但是由于環(huán)境變化是非規(guī)律的，固定周期的收集方法使得復(fù)原的精度無法保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種隨環(huán)境動態(tài)變化的數(shù)據(jù)收集技術(shù)，基于的理論為壓縮傳感和時間序列預(yù)測，實現(xiàn)保證復(fù)原精度要求下的低能耗低存儲空間的數(shù)據(jù)收集方法。本發(fā)明用到的變量名、縮寫、專有名詞定義如下t。無線模塊持續(xù)開啟的時間槽長度。 t6 :無線模塊持續(xù)關(guān)閉的時間槽長度。P :采集概率。η :網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的總數(shù)。i :網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的賦予一個ID號，分別為1，2，. . .，i，. . .，η。t:環(huán)境監(jiān)測總時間槽數(shù)。j :監(jiān)測時間段中的每個時間槽賦予一個標號，分別為1，2，. . .，j，. . .，t。x(i, j):節(jié)點i在時間槽j采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。X = (x(i, j))n.t :環(huán)境變化矩陣，表示整個t時間段內(nèi)環(huán)境的變化，可以認為所有節(jié)點在所有時間槽都采集來的環(huán)境數(shù)據(jù)。
, (I 當V( f)有被辛·集^ι|，B =二 |o:指示矩陣，用I和。分別表示環(huán)境數(shù)據(jù)在
該節(jié)點位置該時間槽有無被采集到。G :數(shù)據(jù)收集矩陣，只記錄傳感器網(wǎng)絡(luò)實際收集來的環(huán)境數(shù)據(jù)，若第i節(jié)點在第j時間槽采集了數(shù)據(jù)，則G矩陣的第i行第j列元素為x(i，j);若第i節(jié)點在第j時間槽沒有采集數(shù)據(jù)，則G矩陣的第i行第j列元素為O?？梢哉J為G = X · B。=:插值后矩陣，對比與環(huán)境變化矩陣X，數(shù)據(jù)收集矩陣G存在O元素，通過插值或估計將矩陣G中的O元素復(fù)原出來產(chǎn)生矩陣. ，用來近似矩陣X。R = (r1； r2, . . . , rj :秩序列，一個由秩的時間序列組成的行向量。F1表示給定矩陣的第一列向量的秩(即第一個時間槽內(nèi)所有節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)組成的列向量的秩)，r2表示給定矩陣中的第一列和第二列數(shù)據(jù)組成的矩陣的秩，匕表示給定中的第一列一直到第τ列數(shù)據(jù)組成的矩陣的秩。O :無線模塊開啟周期的縮寫。C :無線模塊關(guān)閉周期的縮寫。匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)收集用的節(jié)點，一般和電腦相連，一個傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常至少有一個匯聚節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)都傳輸給匯聚節(jié)點。數(shù)據(jù)收集是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的共同工作。所有節(jié)點均進行數(shù)據(jù)的采集后傳輸給匯聚節(jié)點完成數(shù)據(jù)收集工作。
數(shù)據(jù)采集每個節(jié)點通過自身的傳感模塊采集到的環(huán)境變量數(shù)值(比如溫度、光照、濕度)的過程稱之為數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)傳輸每個節(jié)點通過自身的無線模塊將采集到的數(shù)據(jù)進行發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)的工作為數(shù)據(jù)傳輸。工作狀態(tài)傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集、接收和發(fā)送。無線模塊和傳感模塊均開啟，聞耗能。休眠狀態(tài)傳感器節(jié)點休眠不工作。無線模塊和傳感模塊均關(guān)閉，超低耗能。半休眠狀態(tài)傳感器節(jié)點只采集數(shù)據(jù)不傳輸數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)存儲在本地。傳感模塊開啟但無線模塊關(guān)閉，低耗能。壓縮傳感一種插值理論，通過少量的采集數(shù)據(jù)恢復(fù)全局數(shù)據(jù)的方法。 環(huán)境復(fù)原也稱之為環(huán)境重構(gòu)。用傳感器網(wǎng)絡(luò)收集來的數(shù)據(jù)通過插值方法恢復(fù)出一段時間內(nèi)整個環(huán)境的變化過程。在本發(fā)明中提到的環(huán)境復(fù)原均采用壓縮傳感理論的方法進行插值。本發(fā)明所述的收集方法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實際表現(xiàn)如說明書附圖
所示，節(jié)點的工作周期可以看作無線模塊的開啟O與關(guān)閉C周期的交替進行。在無線模塊開啟的周期O內(nèi)，節(jié)點處于工作狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ?，無線模塊開啟周期O的長度t。由用戶事先給定；在無線模塊關(guān)閉的周期C內(nèi)，節(jié)點以采集概率P進入半休眠狀態(tài)，只采集數(shù)據(jù)不傳輸數(shù)據(jù)，由傳感模塊采集來的數(shù)據(jù)保存在本地存儲單元中直到下一次無線模塊開啟時一并傳輸。其它概率即(I-P)概率情況下，節(jié)點進入休眠狀態(tài)不采集數(shù)據(jù)。無線模塊關(guān)閉周期C的長度t6和采集概率P由前一次O周期內(nèi)所收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)計算得到，是按環(huán)境變化動態(tài)改變的。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測中基于壓縮傳感的數(shù)據(jù)收集方法，包括如下步驟步驟I :在一個O周期開始時，所有節(jié)點將上一個C周期所采集并存儲著的數(shù)據(jù)都收集到匯聚節(jié)點；步驟2 :在這個O周期的每一個時間槽中，每一個節(jié)點都采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點；步驟3 :匯聚節(jié)點在這個O周期結(jié)束前，以本周期內(nèi)所有節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)做數(shù)據(jù)分析，判斷下一個C周期中無線模塊持續(xù)關(guān)閉的時間槽長度t6和采集概率P的數(shù)值是否可以被預(yù)測；步驟4a :若所述步驟3的判斷結(jié)構(gòu)是否定的，即按判斷不可被估算，則跳過C階段，直接進入下一個O周期；步驟4b :若所述步驟3的判斷結(jié)構(gòu)是肯定的，即按判斷可以被估算，則計算緊接著的C周期的無線模塊持續(xù)關(guān)閉時間槽t6和采集概率P的具體數(shù)值，并廣播給所有節(jié)點，然后進入步驟5 ；步驟5 :所有節(jié)點進入到C周期，關(guān)閉無線模塊；在總長為t6的周期中的每一個時間槽中，每一個節(jié)點都以概率P進入半休眠狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)后存儲在本地；其它時間槽均處在休眠狀態(tài)；直到c周期結(jié)束為止；然后重新回到所述步驟1，開始新的周期交替過程；其中，O周期為無線模塊開啟周期，C周期為無線模塊開啟周期。
技術(shù)方案的優(yōu)化目標
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測中基于壓縮傳感的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟I :在一個O周期開始時，所有節(jié)點將上一個C周期所采集并存儲著的數(shù)據(jù)都收集到匯聚節(jié)點； 步驟2 :在這個O周期的每一個時間槽中，每一個節(jié)點都采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點； 步驟3 :匯聚節(jié)點在這個O周期結(jié)束前，以本周期內(nèi)所有節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)做數(shù)據(jù)分析，判斷下一個C周期中無線模塊持續(xù)關(guān)閉的時間槽長度t6和采集概率P的數(shù)值是否可以被預(yù)測； 步驟4a :若所述步驟3的判斷結(jié)構(gòu)是否定的，即按判斷不可被估算，則跳過C階段，直接進入下一個O周期； 步驟4b :若所述步驟3的判斷結(jié)構(gòu)是肯定的，即按判斷可以被估算，則計算緊接著的C周期的無線模塊持續(xù)關(guān)閉時間槽t6和采集概率P的具體數(shù)值，并廣播給所有節(jié)點，然后進入步驟5 ； 步驟5 :所有節(jié)點進入到C周期，關(guān)閉無線模塊；在總長為t6的周期中的每一個時間槽中，每一個節(jié)點都以概率P進入半休眠狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)后存儲在本地；其它時間槽均處在休眠狀態(tài)；直到C周期結(jié)束為止；然后重新回到所述步驟1，開始新的周期交替過程； 其中，O周期為無線模塊開啟周期，C周期為無線模塊開啟周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測中基于壓縮傳感的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述步驟3包括子步驟通過判斷無線模塊持續(xù)開啟的時間槽長度t。段內(nèi)所收集的環(huán)境矩陣X的秩的時間序列R是否可以被預(yù)測來確定t6和P是否可被預(yù)測。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測中基于壓縮傳感的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述步驟4b中的計算緊接著的C周期的無線模塊持續(xù)關(guān)閉時間槽t6包括子步驟 -R序列預(yù)測步驟根據(jù)O周期內(nèi)收集來的數(shù)據(jù)建立矩陣計算此矩陣的秩的時間序列"…確定秩的時間序列…是否可預(yù)測,若可預(yù)測，則預(yù)測之后任一時間槽數(shù)據(jù)矩陣的秩#τ，其中τ > t0,^ =■·.；； -秩誤差序列預(yù)測步驟建立秩誤差序列￡.-.:: = = ^r2-T2,其 - 中任一是由ARIMA模型基于序列(Γι，r2, . . . ,r.J預(yù)測而得的；誤差序列建立后，仍然利用ARIMA模型預(yù)測之后任一時間槽誤差序列的值 ，其中τ > t。，即=…U; _計算t6步驟先定義累積誤差=也就是說在時間槽j的累積誤差是從時間槽tfi到時間槽j的所有預(yù)測誤差的總和；給定一個置信空間系數(shù)ζ，ζ的取值在0 100%之間；因此t6 = max(j)-t。，其中j滿足《盧’C。同時在時間槽j的秩^也得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測中基于壓縮傳感的數(shù)據(jù)收集方法，其特征在于，所述步驟4b中的計算緊接著的C周期的采集概率P包括子步驟 -令總收集的數(shù)據(jù)量符合K彡β T-Iog2 (η ·νΓ)，其中β是一個常系數(shù)，r是矩陣的秩，η是矩陣的行數(shù)即傳感器節(jié)點數(shù)目，t是矩陣的列數(shù)即時間槽數(shù)目，且K的收集在矩陣中符合隨機分布；在一個OC交替周期內(nèi)t = t0+t6 ;矩陣的秩由預(yù)測所得并保有置信區(qū)間，得至IjT' = % * {-十 );代入得丨 S .這· JVi · ii - C) ■ og2{·; ‘ (rc + r5)/{% · (I + c)]) · -傳感器節(jié)點分成O周期和C周期，在O周期至少采集量為K · t0/(t0+t6),*c階段至少采集量為M = K ^t6/ (t0+t6)，則采集概率能夠計算得到為P = M/ (n *t6);將M和K代入，得到
全文摘要
本發(fā)明提供無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測中基于壓縮傳感的數(shù)據(jù)收集方法，基于的理論為壓縮傳感和時間序列預(yù)測，通過收集來的環(huán)境數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整采集概率和工作/休眠占空比，使得用最少的數(shù)據(jù)采集就能夠復(fù)原給定精度要求的總體環(huán)境。本發(fā)明易于實現(xiàn)，復(fù)原精度高，數(shù)據(jù)采集量小，能量和存儲資源消耗少。
文檔編號H04W52/02GK102843757SQ20121028494
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者孔令和, 劉小洋, 薛廣濤, 伍民友 申請人:上海交通大學