基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè) 方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)及嵌入式計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)、煤礦事故檢測(cè)、危險(xiǎn)境地導(dǎo)航、交通流量監(jiān)控等諸多與 國計(jì)民生有著重大聯(lián)系的場(chǎng)景中。
[0003] 在這些場(chǎng)景中，為了覆蓋理想?yún)^(qū)域，保證數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)確性，往往需要部署大量的 傳感器節(jié)點(diǎn)。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)的密集部署不僅需要消耗大量的成本和人力物力資源，還 存在傳感器網(wǎng)絡(luò)的擁塞和管理困難，甚至導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)無法傳回到基站的問 題。換句話說，一味增加傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，可能會(huì)導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不完 備，帶來不必要的資源浪費(fèi)和數(shù)據(jù)丟失，不是可靠的網(wǎng)絡(luò)部署理論。
[0004] 事實(shí)表明，無論在室內(nèi)還是室外，現(xiàn)有技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)采集 的數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的空間相關(guān)性的。比如說，當(dāng)森林某處發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，周圍的多個(gè)傳感器 節(jié)點(diǎn)應(yīng)該都會(huì)顯示溫度過高；如果煤礦的某個(gè)地方發(fā)生泄漏，則附近的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都 會(huì)檢測(cè)到一氧化碳濃度升高。換句話說，在實(shí)際地理位置比較相近的傳感器節(jié)點(diǎn)，它們采集 到的數(shù)據(jù)往往是可以相互推算出來的。從這個(gè)角度來看，現(xiàn)有技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié) 點(diǎn)部署還相當(dāng)大的改進(jìn)空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)，能夠節(jié) 省傳感器節(jié)點(diǎn)的部署數(shù)目和部署成本，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性。
[0006] 為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] 一種基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法，包括：
[0008] 確定待監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的空間相關(guān)性，得出所述傳感器節(jié)點(diǎn)組成的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知觀測(cè)矩陣；
[0009] 根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、所述壓縮感知觀測(cè)矩陣得出待監(jiān)測(cè)區(qū)域的理論 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
[0010] 其中，所述確定待監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的空間相關(guān)性，得出所述傳感器 節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知觀測(cè)矩陣，包括：
[0011] 獲取待監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象的擴(kuò)散傳 播特性，調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的部署位置；
[0012] 確定調(diào)整后的傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)的空間相關(guān)性，得出調(diào)整后的傳感器節(jié)點(diǎn)的空間 相關(guān)性矩陣；
[0013] 根據(jù)等值線上傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)一致性原則，修正所述空間相關(guān)性矩陣得出所述 傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知觀測(cè)矩陣。
[0014] 其中，所述傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象的擴(kuò)散傳播特性為：
[0015] 將擴(kuò)散時(shí)刻記作t= 0,將擴(kuò)散起點(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在任意時(shí)刻t空間中任一坐標(biāo) 點(diǎn)（X，y,z)的監(jiān)測(cè)對(duì)象的濃度記為C(X，y,z,t)，則所述監(jiān)測(cè)對(duì)象在單位時(shí)間內(nèi)通過單位法 向量面積的流量泛為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括： 確定待監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的空間相關(guān)性，得出所述傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知觀測(cè)矩陣； 根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、所述壓縮感知觀測(cè)矩陣得出待監(jiān)測(cè)區(qū)域的理論監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)。
2. 如權(quán)利要求1所述基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述確 定待監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的空間相關(guān)性，得出所述傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知觀測(cè)矩陣，包括： 獲取待監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象的擴(kuò)散傳播特 性，調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的部署位置； 確定調(diào)整后的傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)的空間相關(guān)性，得出調(diào)整后的傳感器節(jié)點(diǎn)的空間相關(guān) 性矩陣； 根據(jù)等值線上傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)一致性原則，修正所述空間相關(guān)性矩陣得出所述傳感 器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知觀測(cè)矩陣。
3. 如權(quán)利要求2所述基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述傳 感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象的擴(kuò)散傳播特性為： 將擴(kuò)散時(shí)刻記作t = 0,將擴(kuò)散起點(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在任意時(shí)刻t空間中任一坐標(biāo)點(diǎn) (X，y，Z)的監(jiān)測(cè)對(duì)象的濃度記為C(x，y，Z，t)，則所述監(jiān)測(cè)對(duì)象在單位時(shí)間內(nèi)通過單位法向 量面積的流量9為： q = -k..grade 其中ki (i = X，y，z)為擴(kuò)散系數(shù)，grad為濃度梯度，負(fù)號(hào)代表監(jiān)測(cè)對(duì)象由高濃度到低濃 度的方向擴(kuò)散。
4. 如權(quán)利要求1所述基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述根 據(jù)所述實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、所述壓縮感知觀測(cè)矩陣得出待監(jiān)測(cè)區(qū)域的理論監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括： 獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到實(shí)際監(jiān)測(cè)序列； 由公式y(tǒng) = Of計(jì)算出與所述實(shí)際監(jiān)測(cè)序列對(duì)應(yīng)的所述待監(jiān)測(cè)區(qū)域的理論監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) f ; 其中，y是MX1的實(shí)際監(jiān)測(cè)序列，0是MXN(M<<腳的壓縮感知觀測(cè)矩陣，M為實(shí)際部 署的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目，N為利用M個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)及所述讀數(shù)的空間相關(guān)性恢復(fù)出來 的傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)目。
5. 如權(quán)利要求1所述基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述傳 感器節(jié)點(diǎn)包括：溫度/濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。
6. -種基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括： 觀測(cè)矩陣學(xué)習(xí)單元，用于確定待監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的空間相關(guān)性，得出所 述傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知觀測(cè)矩陣； 壓縮感知計(jì)算單元，用于根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、所述壓縮感知觀測(cè)矩陣得 出待監(jiān)測(cè)區(qū)域的理論監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
7. 如權(quán)利要求6所述基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述觀 測(cè)矩陣學(xué)習(xí)單元包括： 調(diào)整模塊，用于獲取待監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì) 象的擴(kuò)散傳播特性，調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的部署位置； 學(xué)習(xí)模塊，用于確定調(diào)整后的傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)的空間相關(guān)性，得出調(diào)整后的傳感器 節(jié)點(diǎn)的空間相關(guān)性矩陣； 修正模塊，用于根據(jù)等值線上傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)一致性原則，修正所述空間相關(guān)性矩 陣得出所述傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知觀測(cè)矩陣。
8. 如權(quán)利要求7所述基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述傳 感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象的擴(kuò)散傳播特性為： 將擴(kuò)散時(shí)刻記作t = 0,將擴(kuò)散起點(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在任意時(shí)刻t空間中任一坐標(biāo)點(diǎn) (X，y，Z)的監(jiān)測(cè)對(duì)象的濃度記為C(x，y，Z，t)，則所述監(jiān)測(cè)對(duì)象在單位時(shí)間內(nèi)通過單位法向 量面積的流量香為： 5 二-k;.grade 其中ki (i = X，y，z)為擴(kuò)散系數(shù)，grad為濃度梯度，負(fù)號(hào)代表監(jiān)測(cè)對(duì)象由高濃度到低濃 度的方向擴(kuò)散。
9. 如權(quán)利要求6所述基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述根 據(jù)所述實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、所述壓縮感知觀測(cè)矩陣得出待監(jiān)測(cè)區(qū)域的理論監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括： 獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到實(shí)際監(jiān)測(cè)序列； 由公式y(tǒng) = Of計(jì)算出與所述實(shí)際監(jiān)測(cè)序列對(duì)應(yīng)的所述待監(jiān)測(cè)區(qū)域的理論監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) f ; 其中，y是MX1的實(shí)際監(jiān)測(cè)序列，0是MXN(M<<腳的壓縮感知觀測(cè)矩陣，M為實(shí)際部 署的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目，N為利用M個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的讀數(shù)及所述讀數(shù)的空間相關(guān)性恢復(fù)出來 的傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)目。
10. 如權(quán)利要求6所述基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述傳 感器節(jié)點(diǎn)包括：溫度/濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開的基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)。所述方法包括：確定待監(jiān)測(cè)區(qū)域中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的空間相關(guān)性，得出所述傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壓縮感知觀測(cè)矩陣；根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、所述壓縮感知觀測(cè)矩陣得出待監(jiān)測(cè)區(qū)域的理論監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過本發(fā)明的技術(shù)方案，能夠節(jié)省傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署數(shù)目和部署難度，有效避免了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)擁塞以及數(shù)據(jù)丟失，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性。
【IPC分類】H04W28-02, H04W84-18
【公開號(hào)】CN104602297
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510038865
【發(fā)明人】馬強(qiáng), 朱彤, 劉克彬
【申請(qǐng)人】無錫清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中心
【公開日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年1月26日