[發明專利]基于壓縮感知的無線傳感器網絡監測方法及系統

在審

• 申請號: 201510038865.1
• 申請日: 2015-01-26
• 公開（公告）號: CN104602297A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 馬強;朱彤;劉克彬
• 申請（專利權）人: 無錫清華信息科學與技術國家實驗室物聯網技術中心
• 主分類號: H04W28/02
• 分類號: H04W28/02;H04W84/18
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 路凱;胡彬

技術領域

本發明涉及無線傳感器技術領域，尤其涉及基于壓縮感知的無線傳感器網絡監測方法及系統。

背景技術

隨著無線通信技術、傳感器技術及嵌入式計算技術的快速發展和日益成熟，無線傳感器網絡被廣泛應用在環境監測、煤礦事故檢測、危險境地導航、交通流量監控等諸多與國計民生有著重大聯系的場景中。

在這些場景中，為了覆蓋理想區域，保證數據的采集準確性，往往需要部署大量的傳感器節點。然而，傳感器節點的密集部署不僅需要消耗大量的成本和人力物力資源，還存在傳感器網絡的擁塞和管理困難，甚至導致傳感器節點采集的數據無法傳回到基站的問題。換句話說，一味增加傳感器節點的數量，可能會導致無線傳感器網絡的監測數據不完備，帶來不必要的資源浪費和數據丟失，不是可靠的網絡部署理論。

事實表明，無論在室內還是室外，現有技術的無線傳感器網絡中，傳感器節點采集的數據具有很強的空間相關性的。比如說，當森林某處發生火災的時候，周圍的多個傳感器節點應該都會顯示溫度過高；如果煤礦的某個地方發生泄漏，則附近的多個傳感器節點都會檢測到一氧化碳濃度升高。換句話說，在實際地理位置比較相近的傳感器節點，它們采集到的數據往往是可以相互推算出來的。從這個角度來看，現有技術的無線傳感器網絡的節點部署還相當大的改進空間。

發明內容

本發明的目的在于提出基于壓縮感知的無線傳感器網絡監測方法及系統，能夠節省傳感器節點的部署數目和部署成本，并保證數據傳輸的可靠性和準確性。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于壓縮感知的無線傳感器網絡監測方法，包括：

確定待監測區域中部署的傳感器節點的空間相關性，得出所述傳感器節點組成的無線傳感器網絡的壓縮感知觀測矩陣；

根據傳感器節點的實際監測數據、所述壓縮感知觀測矩陣得出待監測區域的理論監測數據。

其中，所述確定待監測區域中部署的傳感器節點的空間相關性，得出所述傳感器節點組成的無線傳感器網絡的壓縮感知觀測矩陣，包括：

獲取待監測區域中部署的傳感器節點的讀數，根據傳感器節點監測對象的擴散傳播特性，調整傳感器節點的部署位置；

確定調整后的傳感器節點的讀數的空間相關性，得出調整后的傳感器節點的空間相關性矩陣；

根據等值線上傳感器節點的讀數一致性原則，修正所述空間相關性矩陣得出所述傳感器節點組成的無線傳感器網絡的壓縮感知觀測矩陣。

其中，所述傳感器節點監測對象的擴散傳播特性為：

將擴散時刻記作t＝0，將擴散起點設為坐標原點，在任意時刻t空間中任一坐標點(x,y,z)的監測對象的濃度記為C(x,y,z,t)，則所述監測對象在單位時間內通過單位法向量面積的流量為：

q→=-ki·gradC]]>

其中k_i(i＝x,y,z)為擴散系數，grad為濃度梯度，負號代表監測對象由高濃度到低濃度的方向擴散。

其中，所述根據所述實際監測數據、所述壓縮感知觀測矩陣得出待監測區域的理論監測數據，包括：

獲取傳感器節點的實際監測數據，得到實際監測序列；

由公式y＝Φf計算出與所述實際監測序列對應的所述待監測區域的理論監測數據f；

其中，y是M×1的實際監測序列，Φ是M×N(M<<N)的壓縮感知觀測矩陣，M為實際部署的傳感器節點數目，N為利用M個傳感器節點的讀數及所述讀數的空間相關性恢復出來的傳感器數據的數目。

其中，所述傳感器節點包括：溫度/濕度監測節點和二氧化碳濃度監測節點。

一種基于壓縮感知的無線傳感器網絡監測系統，包括：

觀測矩陣學習單元，用于確定待監測區域中部署的傳感器節點的空間相關性，得出所述傳感器節點組成的無線傳感器網絡的壓縮感知觀測矩陣；

壓縮感知計算單元，用于根據傳感器節點的實際監測數據、所述壓縮感知觀測矩陣得出待監測區域的理論監測數據。

其中，所述觀測矩陣學習單元包括：