[發明專利]無線傳感器網絡環境監測中基于壓縮傳感的數據收集方法

有效

• 申請號: 201210284944.7
• 申請日: 2012-08-06
• 公開（公告）號: CN102843757A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 孔令和;劉小洋;薛廣濤;伍民友
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H04W52/02
• 分類號: H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 樊昕

技術領域

本發明涉及的是一種用于環境監測的無線傳感器網絡的技術，尤其是一種低功耗低存儲空間的數據收集方法，具體涉及無線傳感器網絡環境監測中基于壓縮傳感的數據收集方法。

背景技術

無線傳感器網絡的主要應用之一是對環境進行長期的監測。環境監測是在一段時間內通過布撒的傳感器網絡收集數據并能夠高精度的復原出環境的變化過程。因此數據收集是環境監測中必不可少的過程。數據收集涉及三項指標分別是能耗、存儲空間和復原精度。

能耗：由于無線傳感器網絡的節點通常使用電池，在布撒后又不容易更換電池或充電。要求節點在工作過程中盡量節能，使得符合長時間的環境監測的要求。節點的主要耗能在數據傳輸上，比如常用的TelosB傳感器節點使用CC2420無線模塊，在接收狀態損耗21.8mA，在發射狀態下損耗19.5mA，在關閉無線模塊僅傳感數據的情況下耗能僅1.8mA，在休眠狀態下僅幾個μA。（數據來源：Y.Liu,Q.Zhang,and?L.Ni,“Opportunity-based?Topology?Control?in?Wireless?Sensor?Networks,”IEEE?Transaction?on?Parallel?and?Distributed?Systems(TPDS),Vol.21,No.3,March?2010.）由此可見在數據收集過程中，主要的能耗是在數據傳輸上，而數據采集和休眠狀態的耗能都比較低。

存儲空間：收集回來的數據需要存儲空間保存，由于環境監測常常需要大規模的長期的數據收集，因此會占用大量的存儲空間。根據報告統計2011年全世界產生的數據（主要是傳感而來的數據）增量速度比全世界存儲設備的生產增量速度快了31%。在2007年時，全世界產生的數據總量已經相當于全世界生產出的存儲設備的總量，在2011年前者已經是后者的兩倍了。（數據來源：R.Baraniuk,“More?Is?Less:Signal?Processing?and?the?Data?Deluge,”Science,vol.331,no.6018,pp.717-719,February?2011.）由此可見，傳感器網絡在大規模長期的環境監測的數據收集過程中需要控制數據量，否則會引發嚴重的數據泛濫問題。

復原精度：通過傳感器網絡進行環境監測的目的就是能在信息世界中復原并重構出環境變化的過程，因此要求收集回來的數據在特定插值算法后能夠達到應用所要求的復原精度。

已有的無線傳感器網絡數據收集解決方案主要包括：

（1）傳統數據收集。如圖7所示，應用了傳統數據收集方法的每一個節點在每一個時間槽內采集一次數據，并且保持無線模塊開啟用以數據傳輸。

（2）低占空比方法。如圖7所示，應用了低占空比數據收集方法的節點在固定周期的若干個時間槽內進行采集和傳輸的工作，其它時間槽內均處在休眠狀態。

對現有技術的檢索發現，現在的無線傳感器網絡數據收集方法在環境監測應用中存在以下不足之處：

（1）傳統數據收集。可以認為該方法收集的數據是完整的，無須插值已經能夠復原環境的變化，即達到精度最高。但是該方法因為每一節點每一時間槽采集數據，所以耗費大量存儲空間。因為無線模塊保持開啟狀態，因此能耗高。

（2）低占空比方法。該方法節省了能耗和存儲空間，但是由于環境變化是非規律的，固定周期的收集方法使得復原的精度無法保證。

發明內容

本發明針對現有技術存在的不足，提供一種隨環境動態變化的數據收集技術，基于的理論為壓縮傳感和時間序列預測，實現保證復原精度要求下的低能耗低存儲空間的數據收集方法。

本發明用到的變量名、縮寫、專有名詞定義如下：

t_o：無線模塊持續開啟的時間槽長度。

t₆：無線模塊持續關閉的時間槽長度。

p：采集概率。

n：網絡中傳感器節點的總數。

i：網絡中每個節點的賦予一個ID號，分別為1，2，...，i，...，n。

t：環境監測總時間槽數。

j：監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)：節點i在時間槽j采集到的環境數據。

X＝(x(i，j))_n·t：環境變化矩陣，表示整個t時間段內環境的變化，可以認為所有節點在所有時間槽都采集來的環境數據。