[发明专利]一种无线传感器网络数据无损压缩的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数据压缩技术领域，特别是一种用于无线传感器网络的数据压缩方法。

背景技术

随着科技的进步，微机电系统、集成电路、嵌入式与无线通信等技术的发展，无线传感器网络被运用于越来越多的领域。无线传感器网络由大量自组织的传感器网络节点组成，节点一般由三个模块组成：利用传感器对现实世界中物理量进行监测的采集模块，与其他节点进行无线传输的通信模块，以及进行片上数据处理与管理的运算模块。无线传感器网络节点一般由不可更换或充电的电池供应能量，如何控制能量消耗以延长节点服役寿命是一个十分重要的问题。而在无线传感器网络节点的三个模块中，无线通信模块所消耗的能量占绝大部分，因此，需要降低无线通信量以降低能耗，即需要在数据传输之前对原始数据进行压缩处理。

在数据压缩中，压缩算法可分为有损压缩与无损压缩。有损压缩虽然压缩率较高，但会丢失一部分原始信息。无损压缩的压缩率一般不高，但在汇聚终端对数据解压还原后，不会丢失任何原始信息。在许多领域，需要保证原始监测数据的完整性，因此应对原始数据进行无损压缩。

在设计无线传感器网络数据无损压缩算法时，不仅需要考虑到原始数据的压缩率，还要考虑到传感器网络节点上有限的计算能力和内存空间大小。但目前运用于无线传感器网络的无损压缩算法要么计算复杂度高，要么压缩率不理想，要么只适用某些特定的数据。比如某一压缩算法对变化缓慢的数据，如温度数据，兼顾了计算复杂度和压缩率，但对其他一些变化剧烈的数据，比如机械振动信号，压缩效果不理想，甚至出现压缩后数据反而变大的情况。

发明内容

本发明的目的就是提供一种无线传感器网络数据无损压缩的方法，它同时兼顾计算复杂度和压缩率大小，并且适用于多种无线传感器网络数据的无损压缩，使其能够降低无线通信量，解决传感器网络中数据传输耗能高的问题。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：

1）传感器网络节点利用传感器完成对原始数据的采集，并将采集到的原始数据进行A/D转换，存储到传感器网络节点上的SD卡中；

2）节点根据可用内存大小，计算出每次进行压缩处理的最大数据长度n；

3）节点从SD卡中读取长度为n的原始数据，计算出原始数据中相邻数据间的差值序列                                               ；

4）节点将原始数据的差值序列与原始数据的初值合并，将合并后的序列转换成正值序列；

5）节点利用自适应Rice编码对步骤4）得到的正值序列进行压缩编码；

6）节点将编码后的压缩数据替代SD卡中的原始数据，并通过无线网络传输到汇聚终端；

7）检查是否还有数据需要压缩，若有则转向步骤3），若没有则压缩结束。

进一步，所述步骤1）中对原始数据进行采集时，其A/D转换器的精度为16位。

进一步，步骤2）中所述最大数据长度n的计算公式为：

；其中，为节点应用程序最大可用内存的大小，为自适应Rice编码器中二进制文件缓存大小。

进一步，长度为n的原始数据占用的空间为512Bytes倍数。

进一步，所述步骤3）中读取长度为n的原始数据为，差值序列；其中，i为原始数据中第i个数据，。

进一步，步骤4）中所述转换为正值序列的公式为：

；

进一步，所述步骤5）中利用自适应Rice编码对步骤4）变换得到正值序列进行熵编码，自适应Rice编码器中自适应参数K的初值设为256。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明利用现实无线传感器网络中数据的这些特性，提出一种无线传感器网络数据无损压缩的方法。该无损压缩方法计算复杂度低，能运行在无线传感器网络节点这种运算速度和内存大小都受限的环境中。同时，该无损压缩方法适用于多种利用无线传感器网络进行监测的数据，如温度、湿度等变化缓慢的信号，或者类似于机械振动信号这种变化剧烈的信号。本发明可以有效的对节点数据进行压缩，以达到降低无线通信量、延长节点服役寿命的目的，能有效的应用于环境监测、结构监测以及机械健康监测等领域。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明