基于時(shí)間序列的傳感器自適應(yīng)采樣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，設(shè)及基于時(shí)間序列的傳感器自適應(yīng) 采樣方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor化tworks，WSNs)的關(guān)鍵問(wèn)題之一在于能源， 傳感器能耗主要由：采樣、計(jì)算、傳輸Ξ個(gè)部分組成，通常認(rèn)為傳輸?shù)哪芎淖铌P(guān)鍵，節(jié)點(diǎn)間通 信所耗能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)上工作的能量，因此大量研究集中如何在節(jié)點(diǎn)上盡量處理好數(shù) 據(jù)，W減少發(fā)送的次數(shù)和數(shù)據(jù)量;但隨著研究和應(yīng)用的深入和普及，發(fā)現(xiàn)在很多實(shí)際應(yīng)用中 面臨的問(wèn)題并非如此，往往節(jié)點(diǎn)上采集和計(jì)算所耗費(fèi)的能量也不少。因此，節(jié)點(diǎn)上的相關(guān)設(shè) 計(jì)對(duì)于延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期也同樣重要。
[0003] 此外，對(duì)能源受限的傳感器能源管理策略進(jìn)行綜述，將節(jié)能的策略分為Ξ類(lèi):層次 感知，自適應(yīng)采樣和基于模型的感知。而基于累積和的改變檢測(cè)技術(shù)提出了自適應(yīng)采樣的 算法，動(dòng)態(tài)估計(jì)信號(hào)當(dāng)前最大頻率并在當(dāng)前最大頻率超過(guò)闊值時(shí)提示改變，并引發(fā)更新采 樣率。該算法采用的是集中式處理方式，即更新算法在基站執(zhí)行，計(jì)算出的采樣率結(jié)果發(fā)送 給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。所W該方法的可擴(kuò)展性不太好，計(jì)算量比較大，通信負(fù)載大。另一種方法是統(tǒng) 計(jì)協(xié)議。每個(gè)節(jié)點(diǎn)適應(yīng)數(shù)據(jù)流的特征，自動(dòng)決定采樣率，在給定范圍內(nèi)使用卡爾曼濾波來(lái)估 計(jì)錯(cuò)誤。當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，從基站申請(qǐng)新的采樣率。基站考慮現(xiàn)有的能源確定新的采樣率，例 如所有活動(dòng)節(jié)點(diǎn)上使用卡爾曼濾波來(lái)估計(jì)錯(cuò)誤最小化，但計(jì)算較為復(fù)雜，上述算法的錯(cuò)誤 丟失率和采樣率均較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本申請(qǐng)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了基于時(shí)間序列的傳感器自適應(yīng)采 樣方法，W降低錯(cuò)誤丟失率和采樣率。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)公開(kāi)了一種基于時(shí)間序列的傳感器自適應(yīng)采樣方 法，包括:調(diào)整傳感器的采樣率；
[0006] 傳感器進(jìn)行采樣的同時(shí)對(duì)事件進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果反饋給傳感器節(jié)點(diǎn)；傳感 器節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整采樣率。
[0007] 所述調(diào)整傳感器的采樣率的步驟包括:預(yù)測(cè)誤差，及基于所述預(yù)測(cè)誤差計(jì)算采樣 步長(zhǎng);基于計(jì)算之后的所述采樣步長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔預(yù)測(cè)。
[000引所述預(yù)測(cè)誤差為預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的差。
[0009] 所述采樣步長(zhǎng)為兩次采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，用于時(shí)間序列預(yù)測(cè)，W產(chǎn)生下一個(gè) 采樣點(diǎn)的預(yù)測(cè)值。
[0010] 所述的基于時(shí)間序列的傳感器自適應(yīng)采樣方法，參考TCP擁塞控制的方式調(diào)整的 采樣步長(zhǎng)。
[0011] 所述的基于時(shí)間序列的傳感器自適應(yīng)采樣方法，計(jì)算采樣步長(zhǎng)的公式為:k的初始 值設(shè)為1，當(dāng)k<Smax/2時(shí)，k = 2*k;當(dāng)k = Smax/2時(shí)，k = k+l;當(dāng)預(yù)測(cè)誤差值超出范圍時(shí)，k = k/2; 其中K為采樣步長(zhǎng)，每個(gè)采樣點(diǎn)通過(guò)比較實(shí)際采樣值和預(yù)測(cè)值，得到所述預(yù)測(cè)誤差值。
[0012] 所述的基于時(shí)間序列的傳感器自適應(yīng)采樣方法，采用指數(shù)加權(quán)平均方法進(jìn)行事件 檢測(cè)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)可W獲得包括W下技術(shù)效果：
[0014] 1)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)對(duì)同一事件采集的數(shù)據(jù)間存在一定時(shí)空相關(guān)性。本 申請(qǐng)通過(guò)有效利用數(shù)據(jù)相關(guān)性，動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣間隔，能夠減少不必要的采樣，從而相應(yīng)地減 少采樣、計(jì)算、傳輸所耗費(fèi)的能源，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
[0015] 2)采用二次指數(shù)平滑法進(jìn)行預(yù)測(cè)，參考TCP擁塞控制思想，快速調(diào)整采樣間隔。實(shí) 驗(yàn)證明，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)能在保持錯(cuò)誤丟失率的基礎(chǔ)上降低采樣率。
[0016] 當(dāng)然，實(shí)施本申請(qǐng)的任一產(chǎn)品必不一定需要同時(shí)達(dá)到W上所述的所有技術(shù)效果。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本申 請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。在附圖中：
[0018] 圖1是本申請(qǐng)實(shí)施例的基于時(shí)間序列的自適應(yīng)采樣方法流程圖；
[0019] 圖2是本申請(qǐng)實(shí)施例在不同最大步長(zhǎng)下的采樣率比較結(jié)果圖；
[0020] 圖3是本申請(qǐng)實(shí)施例在不同最大步長(zhǎng)下獲取的事件數(shù)對(duì)比結(jié)果圖；
[0021 ]圖4是本申請(qǐng)實(shí)施例在不同最大容錯(cuò)率的采樣率比較結(jié)果圖；
[0022] 圖5是本申請(qǐng)實(shí)施例在不同容錯(cuò)闊值下獲取的事件數(shù)對(duì)比結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] W下將配合附圖及實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本申請(qǐng)的實(shí)施方式，藉此對(duì)本申請(qǐng)如何應(yīng)用 技術(shù)手段來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題并達(dá)成技術(shù)功效的實(shí)現(xiàn)過(guò)程能充分理解并據(jù)W實(shí)施。
[0024] 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)對(duì)同一事件采集的數(shù)據(jù)間存在一定時(shí)空相關(guān)性，若能利用 運(yùn)些相關(guān)性，分析數(shù)據(jù)的特性，則可W避免不必要的采樣。在時(shí)間相關(guān)性方面，可W結(jié)合節(jié) 點(diǎn)的歷史讀數(shù)記錄，遵照評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)對(duì)采樣進(jìn)行反饋控制。簡(jiǎn)而言之，節(jié)點(diǎn)對(duì)比上一時(shí)刻數(shù) 據(jù)，若數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生改變，則節(jié)點(diǎn)可W延長(zhǎng)下一個(gè)采樣時(shí)間。而在另外一些方案中，系統(tǒng)默 認(rèn)在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間范圍內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)之間的浮動(dòng)是不大的。依據(jù) 一段時(shí)間的平均值來(lái)劃定一個(gè)置信區(qū)間，W此來(lái)判斷傳感器讀數(shù)是否處于正常范圍，并進(jìn) 一步判斷是否需要調(diào)整采樣頻率來(lái)適應(yīng)變化。運(yùn)些方案在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中非常有效，在 其采樣協(xié)議中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)讀數(shù)的變化和對(duì)下一組觀測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)來(lái)自行調(diào)節(jié)采樣頻 率。
[0025] 為監(jiān)測(cè)公路一氧化碳濃度安放傳感器，延長(zhǎng)生命周期，本申請(qǐng)基于雙指數(shù)平滑法 進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出了一種自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔的算法方案。本申請(qǐng)的技術(shù)方在考慮單個(gè)節(jié)點(diǎn) 上，基于時(shí)間序列相關(guān)性調(diào)整采樣率，目標(biāo)是減少采樣次數(shù)的同時(shí)不丟失重要信息，并提高 數(shù)據(jù)特征提取的精確性。主要采用雙指數(shù)平滑法的改進(jìn)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，采用指數(shù)加權(quán)平均 方法（exponentially wei曲ted moving averages，EWMA)進(jìn)行事件檢測(cè)。
[0026] 如圖1所示，本申請(qǐng)基于時(shí)間序列的自適應(yīng)采樣方法包括如下步驟：
[0027] 步驟SlOO,調(diào)整傳感器的采樣率；
[0028] 步驟S200,根據(jù)調(diào)整后的采樣率對(duì)傳感器中的事件進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果反饋 給傳感器節(jié)點(diǎn);傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整采樣率。
[00巧]在本實(shí)施例中，步驟S100包括步驟S101和步驟S102:
[0030] 步驟S101，預(yù)測(cè)誤差，及基于所述預(yù)測(cè)誤差計(jì)算采樣步長(zhǎng)。在本實(shí)施例中是基于預(yù) 測(cè)誤差計(jì)算采樣步長(zhǎng)，預(yù)測(cè)誤差是指預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的差。步長(zhǎng)k是兩次采樣點(diǎn)之間的 時(shí)間間隔，用于時(shí)間序列預(yù)測(cè)，W產(chǎn)生下一個(gè)采樣點(diǎn)的預(yù)測(cè)值；
[0031] 步驟S102,基于計(jì)算之后的采樣步長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔預(yù)測(cè)化DSAS);在本 實(shí)施例中，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，可能有重要的事件發(fā)生，或是遇到了錯(cuò)誤，需要及時(shí)減小采樣 率。
[0032] 具體而言；
[0033] 步驟S101及步驟102中，每個(gè)采樣點(diǎn)通過(guò)比較實(shí)際采樣值和預(yù)測(cè)值，得到一個(gè)預(yù)測(cè) 誤差值δ，基于δ計(jì)算下一個(gè)采樣間隔k，得到下一個(gè)采樣點(diǎn)。當(dāng)誤差δ在允許的范圍內(nèi)時(shí)，可 W加大k的值，但不能超過(guò)k的最大值(記為Smax，由實(shí)際應(yīng)用程序的需求決定）?，F(xiàn)有技術(shù)中， 采用的是簡(jiǎn)單的加1來(lái)改變k的值，k的值在任何情況下都線性加一;然而，在數(shù)據(jù)平穩(wěn)的情 況下，可W快速加大采樣間隔。本實(shí)施例是基于TCP擁塞控制的方式計(jì)算采樣步長(zhǎng):k的初始 值設(shè)為1，在k<SmaV2的范圍內(nèi)，采用指數(shù)增長(zhǎng)的方式，k = 2*k，k成倍增長(zhǎng);當(dāng)k = Smax/2時(shí)，減 緩k的增長(zhǎng)速度，改用k = k+l的線性增長(zhǎng)方式。當(dāng)δ超出范圍時(shí)，k不直接減為1，而是先減半， 即 k = k/2。
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