基于分簇压缩感知的无线传感网预警方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及物联网技术领域，尤其设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】
[0002] 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屯、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"运个量级上，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，W 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：
[0003] 1)节能性。现在的大部分传感器节点如CC2530靠1块类似手机裡电池供电。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，运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。
[0004] 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。在资源受限和能量匿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。
[0005] 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。
[0006] 总之，无线传感网监测技术必须具有=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。
[0007] 现有的WSN-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阔值，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阔值， 从而向用户误报有异常事件发生。
[0008] 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。因为运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，运都会增加网络通信 能耗开销，降低了无线传感网工作生命周期。
[0009] 目前，大规模部署无线传感网事件监测还存在很多技术壁垒，如网络能量消耗和 网络中存在少量瓶颈节点是阻碍传感器网络大规模署的重要因素。但传感器网络也有自 身的特点，如采集的数据通常具有很强的时空冗余性，利用网内压缩技术可W减少网络内 传输的数据包，从而可W减少网络能量消耗W及扩大网络部署规模。传统网内数据压缩技 术要么没有明确的压缩方法要么需要大量的计算或通信资源，它们都不太适合无线传感器 网络资源受限的特点。近年来，随着压缩感知(Compressive Sensing,简称为CS)理论的提 出，为无线传感器网络数据收集辟了一条新的研究道路。因此，结合WSN相关特点，通过压缩 感知方法挖掘节点之间的数据相关性，最大限度的消除数据之间的冗余度，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监测性能。
[0010] 在WSN事件监测的过程中，如果参与单个现慢值的节点数目过多会导致下面问题： ①单个测量值传输代价过大导致整个网络性能提高有限;②由于无线传感器网络是易出错 网络，故参加单个测量值收集的跳数越多越容易出错。分簇路由事件监测的主要挑战有两 个方面:①簇内簇头如何分布;簇内传输代价最优;②网络中存在多少个簇，事件监测代价 最优；由于传统网内数据压缩方法与路由策略相关，运就导致在分簇路由事件监测的过程 中很难建立统一的能量消耗模型，所W最优簇的计算也变得十分困难。
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中两类DR和TV方法W及采用树形策 略进行数据压缩感知的传输过程中能量消耗大的缺陷，提供一种能够有效减少能量消耗， 且检测准确率高、响应时间快的基于分簇压缩感知的无线传感网预警方法及系统。
[0012] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0013] 本发明提供一种基于分簇压缩感知的无线传感网预警方法，包括W下步骤：
[0014] S1、网关根据无线传感网络中每个传感器节点的地理位置和能量消耗模型，计算 出最优簇数目、最佳簇头空间分布、每一个簇内的成员节点、各簇头和网关之间建立最短距 离生成树；
[001引S2、获取本簇内第i个节点在t时刻的监测数据4，.设置时间检测报警阔值Ae,并 根据该阔值将监测数据转换为二进制读数為;获取本簇内第i个节点对t时刻之前的时间滑 动窗口存胆的P个时刻的监测数据，并根据其波动正常范围巧专换为二值化位串序列拆; [0016] S3、获取本簇簇头对簇内传感器节点监测值的二值化序列X和位串序列抒，分别 对其进行稠密随机投影和稀疏随机投影，得到压缩感知序列受和f;并将序列采和管传输 到网关进行重构，得到重构序列y/和巧；
[0017] S4、网关根据重构序列中第i个节点的估计值进行判断，若估计值二1，则发起事 件检测并统计执行多数表决法的有效邻居节点数相;若第i个节点的邻居节点j的估计值 .4 =1，则有效邻居节点数W;加1;
[001引若估计值:则将第i个节点的巧与其邻居节点j的巧按位进行逻辑与运算， 若运算结果与r,4目同并且有非0值，则有效邻居节点数Wf加1;
[0019] S5、网关对发起事件检测的第i个节点执行多数表决法，若有效邻居节点数大于设 定的阔值，则判断该节点有异常事件发生。
[0020] 进一步地，本发明的步骤Sl中计算最优簇数目hnpt的计算公式为：
[0022] 其中，N表示无线传感网部署的传感器节点总数，A表示无线传感网监测区域面积， S表示压缩感知的稀疏投影矩阵(I)T的稀疏度，Eele。表示发送或接收一比特所消耗的能量， Efs表不传输放大功率。
[0023] 进一步地，本发明的步骤S2中将监测数据转换为二进制读数的公式为： 「 1 如果4芝足 0024]為 H ' e 1〇否则
[0025]其中，4为本簇内第i个节点在t时刻获取监测数据，Ae为事件检测报警阔值。 [00%]进一步地，本发明的步骤S2中将监测数据转化为二值化位串序列的公式为：
[。。27]六={1 如果 4'-斗 1〇否则
[002引其中，第i个节点对t时刻之前在时间滑动窗口存储最近P个时刻的监测值为 4，4-1，…，S为转换阔值，於为第i个节点在t时刻的差分转换比特。
[0029] 进一步地，本发明的步骤S3中采用稠密随机投影和稀疏随机投影获取压缩感知序 列1和費的计算公式为：
[0030] X = f X
[0031] 野=# 巧
[0032] 其中，稠密随机投影矩阵(66的第