基于压缩感知的无线传感器网络监测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感器技术领域，尤其涉及基于压缩感知的无线传感器网络监测 方法及系统。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信技术、传感器技术及嵌入式计算技术的快速发展和日益成熟，无线 传感器网络被广泛应用在环境监测、煤矿事故检测、危险境地导航、交通流量监控等诸多与 国计民生有着重大联系的场景中。
[0003] 在这些场景中，为了覆盖理想区域，保证数据的采集准确性，往往需要部署大量的 传感器节点。然而，传感器节点的密集部署不仅需要消耗大量的成本和人力物力资源，还 存在传感器网络的拥塞和管理困难，甚至导致传感器节点采集的数据无法传回到基站的问 题。换句话说，一味增加传感器节点的数量，可能会导致无线传感器网络的监测数据不完 备，带来不必要的资源浪费和数据丢失，不是可靠的网络部署理论。
[0004] 事实表明，无论在室内还是室外，现有技术的无线传感器网络中，传感器节点采集 的数据具有很强的空间相关性的。比如说，当森林某处发生火灾的时候，周围的多个传感器 节点应该都会显示温度过高；如果煤矿的某个地方发生泄漏，则附近的多个传感器节点都 会检测到一氧化碳浓度升高。换句话说，在实际地理位置比较相近的传感器节点，它们采集 到的数据往往是可以相互推算出来的。从这个角度来看，现有技术的无线传感器网络的节 点部署还相当大的改进空间。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出基于压缩感知的无线传感器网络监测方法及系统，能够节 省传感器节点的部署数目和部署成本，并保证数据传输的可靠性和准确性。
[0006] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种基于压缩感知的无线传感器网络监测方法，包括：
[0008] 确定待监测区域中部署的传感器节点的空间相关性，得出所述传感器节点组成的 无线传感器网络的压缩感知观测矩阵；
[0009] 根据传感器节点的实际监测数据、所述压缩感知观测矩阵得出待监测区域的理论 监测数据。
[0010] 其中，所述确定待监测区域中部署的传感器节点的空间相关性，得出所述传感器 节点组成的无线传感器网络的压缩感知观测矩阵，包括：
[0011] 获取待监测区域中部署的传感器节点的读数，根据传感器节点监测对象的扩散传 播特性，调整传感器节点的部署位置；
[0012] 确定调整后的传感器节点的读数的空间相关性，得出调整后的传感器节点的空间 相关性矩阵；
[0013] 根据等值线上传感器节点的读数一致性原则，修正所述空间相关性矩阵得出所述 传感器节点组成的无线传感器网络的压缩感知观测矩阵。
[0014] 其中，所述传感器节点监测对象的扩散传播特性为：
[0015] 将扩散时刻记作t= 0,将扩散起点设为坐标原点，在任意时刻t空间中任一坐标 点（X，y,z)的监测对象的浓度记为C(X，y,z,t)，则所述监测对象在单位时间内通过单位法 向量面积的流量泛为：
【主权项】
1. 一种基于压缩感知的无线传感器网络监测方法，其特征在于，包括： 确定待监测区域中部署的传感器节点的空间相关性，得出所述传感器节点组成的无线 传感器网络的压缩感知观测矩阵； 根据传感器节点的实际监测数据、所述压缩感知观测矩阵得出待监测区域的理论监测 数据。
2. 如权利要求1所述基于压缩感知的无线传感器网络监测方法，其特征在于，所述确 定待监测区域中部署的传感器节点的空间相关性，得出所述传感器节点组成的无线传感器 网络的压缩感知观测矩阵，包括： 获取待监测区域中部署的传感器节点的读数，根据传感器节点监测对象的扩散传播特 性，调整传感器节点的部署位置； 确定调整后的传感器节点的读数的空间相关性，得出调整后的传感器节点的空间相关 性矩阵； 根据等值线上传感器节点的读数一致性原则，修正所述空间相关性矩阵得出所述传感 器节点组成的无线传感器网络的压缩感知观测矩阵。
3. 如权利要求2所述基于压缩感知的无线传感器网络监测方法，其特征在于，所述传 感器节点监测对象的扩散传播特性为： 将扩散时刻记作t = 0,将扩散起点设为坐标原点，在任意时刻t空间中任一坐标点 (X，y，Z)的监测对象的浓度记为C(x，y，Z，t)，则所述监测对象在单位时间内通过单位法向 量面积的流量9为： q = -k..grade 其中ki (i = X，y，z)为扩散系数，grad为浓度梯度，负号代表监测对象由高浓度到低浓 度的方向扩散。
4. 如权利要求1所述基于压缩感知的无线传感器网络监测方法，其特征在于，所述根 据所述实际监测数据、所述压缩感知观测矩阵得出待监测区域的理论监测数据，包括： 获取传感器节点的实际监测数据，得到实际监测序列； 由公式y = Of计算出与所述实际监测序列对应的所述待监测区域的理论监测数据 f ; 其中，y是MX1的实际监测序列，0是MXN(M<<脚的压缩感知观测矩阵，M为实际部 署的传感器节点数目，N为利用M个传感器节点的读数及所述读数的空间相关性恢复出来 的传感器数据的数目。
5. 如权利要求1所述基于压缩感知的无线传感器网络监测方法，其特征在于，所述传 感器节点包括：温度/湿度监测节点和二氧化碳浓度监测节点。
6. -种基于压缩感知的无线传感器网络监测系统，其特征在于，包括： 观测矩阵学习单元，用于确定待监测区域中部署的传感器节点的空间相关性，得出所 述传感器节点组成的无线传感器网络的压缩感知观测矩阵； 压缩感知计算单元，用于根据传感器节点的实际监测数据、所述压缩感知观测矩阵得 出待监测区域的理论监测数据。
7. 如权利要求6所述基于压缩感知的无线传感器网络监测系统，其特征在于，所述观 测矩阵学习单元包括： 调整模块，用于获取待监测区域中部署的传感器节点的读数，根据传感器节点监测对 象的扩散传播特性，调整传感器节点的部署位置； 学习模块，用于确定调整后的传感器节点的读数的空间相关性，得出调整后的传感器 节点的空间相关性矩阵； 修正模块，用于根据等值线上传感器节点的读数一致性原则，修正所述空间相关性矩 阵得出所述传感器节点组成的无线传感器网络的压缩感知观测矩阵。
8. 如权利要求7所述基于压缩感知的无线传感器网络监测系统，其特征在于，所述传 感器节点监测对象的扩散传播特性为： 将扩散时刻记作t = 0,将扩散起点设为坐标原点，在任意时刻t空间中任一坐标点 (X，y，Z)的监测对象的浓度记为C(x，y，Z，t)，则所述监测对象在单位时间内通过单位法向 量面积的流量香为： 5 二-k;.grade 其中ki (i = X，y，z)为扩散系数，grad为浓度梯度，负号代表监测对象由高浓度到低浓 度的方向扩散。
9. 如权利要求6所述基于压缩感知的无线传感器网络监测系统，其特征在于，所述根 据所述实际监测数据、所述压缩感知观测矩阵得出待监测区域的理论监测数据，包括： 获取传感器节点的实际监测数据，得到实际监测序列； 由公式y = Of计算出与所述实际监测序列对应的所述待监测区域的理论监测数据 f ; 其中，y是MX1的实际监测序列，0是MXN(M<<脚的压缩感知观测矩阵，M为实际部 署的传感器节点数目，N为利用M个传感器节点的读数及所述读数的空间相关性恢复出来 的传感器数据的数目。
10. 如权利要求6所述基于压缩感知的无线传感器网络监测系统，其特征在于，所述传 感器节点包括：温度/湿度监测节点和二氧化碳浓度监测节点。
【专利摘要】本发明公开的基于压缩感知的无线传感器网络监测方法及系统。所述方法包括：确定待监测区域中部署的传感器节点的空间相关性，得出所述传感器节点组成的无线传感器网络的压缩感知观测矩阵；根据传感器节点的实际监测数据、所述压缩感知观测矩阵得出待监测区域的理论监测数据。通过本发明的技术方案，能够节省传感器网络的部署数目和部署难度，有效避免了无线传感器网络的数据拥塞以及数据丢失，提高了无线传感器网络的监测准确性和可靠性。
【IPC分类】H04W28-02, H04W84-18
【公开号】CN104602297
【申请号】CN201510038865
【发明人】马强, 朱彤, 刘克彬
【申请人】无锡清华信息科学与技术国家实验室物联网技术中心
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月26日