[发明专利]基于分簇压缩感知的无线传感网预警方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种基于分簇压缩感知的无线传感网预警 方法及系统。

背景技术

无线传感器网络被认为是物联网的重要组成部分之一，无线传感网作为“感知中 国”的战略性新兴产业物联网的核心技术，已在地质灾害监测、环境保护、工业控制、车联 网、智能家居等领域取得了小规模的实际应用。然而，在事件监测型无线传感网应用系统 中，传感器节点都停留在“百”这个量级上，网络存活的时间更是短得看不到优势。我们曾经 设想的无线传感网都是有成千上万个节点，无线传感网存在的意义是大规模数据采集，以 及对环境进行连续实时监控。因此，大规模长期部署的无线传感网事件监测技术面临着更 新、更高的要求：

1)节能性。现在的大部分传感器节点如CC2530靠1块类似手机锂电池供电。无线传 感网应用的最大技术障碍在于节点具有非常有限的能量储备，节点电池和网络的寿命取决 于节点的能耗。节点之间无线通信占到总能耗的70％，相比之下节点感知和计算的能耗较 少。在电池储量技术进展缓慢的情况下，迫切需要发展更为高效的数据压缩技术，最大程度 的消除数据之间的冗余度，这样在保证大幅度降低数据传输量的同时，仍然能够保持高精 度的事件感知性能，对尽量延长网络生存周期是至关重要。

2)实时性。大多数监测应用本身就要求无线传感网及时地报告异常或预警。实时 性衡量标准是网络对事件的响应时间。在资源受限和能量匮乏的大规模无线传感网中，要 满足从海量的维流数据中准确快速提取异常信息，与传统的分布式数据库相比，其实时性 保证更加具有挑战性。

3)可靠性。无线传感网由成千上万的低端传感器节点自组织形成，节点的电源能 量、计算、存储能力和通信能力都有限，环境噪声、节点和网络中的各种故障易造成监测数 据异常。因此，无线传感网预警技术要具有容错性，保证较低的误报率和漏报率。

总之，无线传感网监测技术必须具有三个性质：节能性、实时性和可靠性。其中实 时性和可靠性是监测性能的两个主要度量。由于节点的便携式供电能力有限，使得事件监 测性能和传感网工作生命周期成为两个相互矛盾的优化指标，针对上述问题，本发明提供 了一种适用于大规模长期部署的无线传感网监测方法，较好地综合优化监测方法的节能 性、实时性和可靠性。

现有的WSN一般采用直接方式进行事件检测方法(简称为DR方法)，DR方法即一当 有节点的监测值超过阈值，WSN就会向用户报告有异常事件发生。该方法的优点响应时间快 (响应时间简称为RT)，延迟小，及时性好；其缺点是能量消耗大且误报率较高。考虑到经济 可行性，WSN由大量的低端传感器节点自组织形成，节点存在有限硬软件资源，一般还部署 在无人值守的恶劣环境中，故障节点有可能在无事件发生时，其监测值也会超过事件阈值， 从而向用户误报有异常事件发生。

因此，WSN中容错监测技术一直受到研究者的重视，最早提出的分布式贝叶斯的多 数表决法(简称为TV方法)是一种检测异常事件的容错方法，TV方法本质上利用了异常事件 发生在空间上具有相关性，而故障节点在空间上不具有相关性是随机发生的。仿真结果显 示在节点故障率较低时，该方法检测异常事件的准确率较高，误报率低，容错性较好；但是， TV方法的缺点是响应时间长，延迟大，实时性较差。因为这类方法利用了节点监测值具有空 间相关性来实现容错，虽然提高了可靠性，但不可避免延长检测异常事件的响应时间。由于 传感网络一般采用电池供电，现有的TV方法及其一系列改进方法均需要邻居节点通信协 作，另外DR方法和TV方法中在事件发生区域的节点也存在重复报警，这都会增加网络通信 能耗开销，降低了无线传感网工作生命周期。