[發明專利]一種基于壓縮感知的井下數據采集及處理方法

有效

• 申請號: 201410467798.0
• 申請日: 2014-09-10
• 公開（公告）號: CN104270829B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 李哲濤;李婷煜;羅光明;朱更明;潘田
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: H04W84/18
• 分類號: H04W84/18;H04L1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及井下數據采集及處理方法，具體涉及到將壓縮感知應用于井下通信數據采集和處理，屬于通信領域。

技術背景

礦產是我國和世界資源國家的重要財富，關系到國計民生，各國政府對礦物的開采高度重視。然而，在采礦過程中頻繁的礦難通常會造成巨大的經濟損失甚至人員傷亡。因此，及時、有效地采集與井下安全相關的環境信息來實現礦難預警變得尤為重要。井下的信息技術是加強和改善安全生產的有效手段，礦井的環境信息能很好的反映井下當前的工作狀況，從而能及時處理各種問題。當前，用于井下的通訊系統主要有有線和無線兩種方式。在礦井中，無線通信相比有線通信，系統框架更為靈活方便，對于井下數據的采集無線通信系統相比有線系統有更大的優勢，因此井下無線通信技術也隨之發展起來。

無線傳感器網絡被認為是物聯網的重要組成部分之一，在環境監測、醫療護理、軍事、目標跟蹤等領域得到廣泛應用。目前，大規模部署傳感器網絡還存在很多技術瓶頸，如網絡能量消耗和網絡中存在少量瓶頸節點是阻礙傳感器網絡大規模部署的重要因素。隨著壓縮感知理論的提出，為無線傳感器網絡數據收集開辟了一條新的研究道路。

壓縮感知是信號處理領域興起的一門技術，該理論基于信號可稀疏表示前提下，能夠在遠小于奈奎斯特采樣速率情況下，通過還原算法較精準的還原出原始信號。根據所需采集數據的稀疏性，將壓縮感知應用于無線傳感網絡，對節點采集的信息先壓縮再傳輸，有效減少了節點能耗和存儲容量。

目前，已有將壓縮感知和無線傳感網絡應用于井下通信，但仍存在一些困難：(1)在無線傳感網絡應用于井下環境信息收集時，面臨節點的能耗難以達到平衡的難題。通常，越接近井口的節點傳輸的數據量增多從而能耗易被消耗完，使得整個網絡生命周期變短。(2)將壓縮感知應用于礦井下的環境信息采集時采集數據單一，不能同時針對多種傳感器信息處理。而實際應用中，井下環境狀況需要利用多種傳感器信息才能得以完全反映，勢必涉及到利用壓縮感知技術對同一時刻采集各種類型傳感器信息的分析、處理，以減少通信數據量和存儲空間。目前，如何平衡井下節點能耗問題，如何在保證多組數據同時采集、縮小壓縮包的同時，高準確率的還原，使得井上在同一時間內得到井下各組信息數據，及時得知井下環境狀況仍沒有合適的解決方案。

發明內容

針對現有井下數據采集時采集數據類型單一，不能同時得到多種信息，且井下網絡節點能耗難以平衡問題，本發明公開了一種基于壓縮感知的井下數據采集及處理方法。本發明所述的方法：應用差值編碼對井下傳感器采集的多種數據進行稀疏化處理，將節點的信息數據組成權值向量，并與稀疏數據相乘壓縮稀疏數據，井上終端通過壓縮感知還原算法還原出數據信息。本發明方法有利于平均網絡節點的能耗，提高網絡性能，并且具有較好的實時性。

本發明提供了一種基于壓縮感知的井下數據采集及處理方法，包括以下步驟：

步驟一、在礦井下的通道及工作點布置匯聚節點共N處，將每個節點從1到N編號，將每個匯聚節點的信息數據組成權值向量，并以匯聚節點為葉子結點形成最短路徑生成樹結構組成井下網絡，數據上傳采用樹形路由策略；

步驟二、在每個匯聚節點周圍布置p種不同種類的傳感器，根據井下需采集的信號類型適量分配和布置井下通道中的傳感器：

1)傳感器布置：在每個匯聚節點周圍布置不同種類的傳感器，如配置濕度傳感器、溫度傳感器、瓦斯傳感器等，每一處的傳感器種類數相同，即保證各個節點接收到的數據種類個數相同；

2)各個傳感器每秒采集l次數據，即傳感器采集數據的頻率為l；

3)傳感器將每秒采集的數據平均值傳送給匯聚節點；

步驟三、根據井下安全情況下各種數據的變化范圍設置量化步長，傳感器采集的數據傳給匯聚節點后，各匯聚節點收集周圍傳感器傳輸的數據，采用差值編碼(DPCM編碼)處理數據，使得數據稀疏化并形成稀疏向量D_i＝{d_i1d_i2…d_ip}，其中i為相應的各節點編號(1≤i≤N，i∈Z)，p為傳感器種類數，即需采集的數據種類數；