面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點選擇方法
【專利摘要】面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點選擇方法是一種用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，基于空間映射相關(guān)和節(jié)點能量的多節(jié)點協(xié)同圖像數(shù)據(jù)收集方案，以解決無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點電源能量、計算、通信和存儲能力受限問題。將協(xié)同處理方法應(yīng)用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖像數(shù)據(jù)收集中，設(shè)計圖像空間相關(guān)性模型，描述節(jié)點的相關(guān)特性；更進(jìn)一步構(gòu)建傳感器能量消耗模型和信息熵框架，估計節(jié)點的能量剩余量和信息量，其中對于多個節(jié)點的聯(lián)合熵計算，采用層次聚類的方法；最后設(shè)計了一種面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點選擇方法，該算法基于能量消耗和相關(guān)性模型，能夠有效減少傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸量和能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的整體生存周期。
【專利說明】面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點選擇方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種適用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessMult1-media SensorNetworks，縮寫為WMSNs)的節(jié)點選擇方案，該方案基于傳感器節(jié)點能量消耗模型和空間相關(guān)性原理，通過考慮傳感器節(jié)點能量因素和消除節(jié)點間采集數(shù)據(jù)的空間信息冗余，實現(xiàn)多節(jié)點圖像數(shù)據(jù)收集，以解決無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量和存儲受限的問題，為無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高效傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。本技術(shù)屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線通信技術(shù)、微電子技術(shù)、微電機(jī)系統(tǒng)與傳感器技術(shù)等不斷進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)正成為傳感器領(lǐng)域內(nèi)一個新興的研究方向。當(dāng)前大部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只局限于測量簡單的環(huán)境數(shù)值信息，而人類感知外界信息的80%以上來自于人的視覺、聽覺，迫切需要將信息量豐富的媒體引入到以傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測活動中來，實現(xiàn)精準(zhǔn)信息的監(jiān)測，同時能夠捕獲多媒體信息的廉價硬件也孕育了無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。
[0003]無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣，也是一個無中心、自組織的網(wǎng)絡(luò)。目前為止，多媒體傳感器節(jié)點一般仍然采用電池供電，部署后很難再次進(jìn)行能量補(bǔ)充。當(dāng)某些節(jié)點因能量耗盡而失效無法工作時，將縮短無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間，對應(yīng)用造成不利的影響。一旦網(wǎng)絡(luò)能耗較高時，將對信道接入與分配、拓?fù)涔芾?、路由維護(hù)、覆蓋控制等造成嚴(yán)重影響，甚至可能造成完全無法進(jìn)行的情況。
[0004]作為傳感器網(wǎng)絡(luò)高級形式的多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，具備標(biāo)量數(shù)據(jù)和多媒體信息感知、采集、處理和傳輸能力。如何對多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行有效感知、處理及傳輸是多媒體傳感網(wǎng)節(jié)能的主要研究方向之一，多媒體傳感網(wǎng)中的圖像信息具有很大的冗余性和時空相關(guān)性，如何有效地對采集到的圖像信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)壓縮減少網(wǎng)絡(luò)流量，已成為多媒體傳感網(wǎng)急需突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。因而急需設(shè)計高效的圖像壓縮采集方法，以消除無線多媒體傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的空間冗余信息，同時結(jié)合考慮節(jié)點的能量因素，從而有效提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，延長無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是設(shè)計一種面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點選擇方法，以實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的收集和系統(tǒng)的長時間運行。本方案采用協(xié)同處理方式，通過研究構(gòu)建基于傳感器能量消耗和相關(guān)性模型以評估多個相關(guān)多媒體傳感器節(jié)點的聯(lián)合作用，解決無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點電源能量、計算、通信和存儲能力受限等問題。通過使用本發(fā)明提出的方法可以有效延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體生存周期，同時消除多媒體傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的空間信息冗余。為無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高效采集和傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明是一種改進(jìn)的無線多媒體傳感器節(jié)點選擇方案?；趨f(xié)同處理方法，針對不同特定圖像算法的差異性，設(shè)計一個圖像空間相關(guān)性模型，描述相機(jī)節(jié)點的重疊視野所觀察到的圖像的相關(guān)特性；更進(jìn)一步構(gòu)建傳感器能量消耗模型和信息熵框架，并據(jù)此估計傳感器節(jié)點的能量剩余量和信息量，其中對于多個節(jié)點的聯(lián)合熵計算，采用層次聚類的方法；最后設(shè)計實現(xiàn)了一種面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點選擇方法，該算法基于能量消耗和相關(guān)性模型，選擇一組信息量盡可能最大的相關(guān)傳感器節(jié)點，同時結(jié)合實際情況確保每個節(jié)點的能量不被耗盡，從而有效減少傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸量和能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的整體生存周期。
[0007]該方法包含在以下的具體步驟:
[0008]初始場景設(shè)置:
[0009]步驟I)設(shè)置觀測區(qū)域及多媒體傳感器節(jié)點:設(shè)置需要采用多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的區(qū)域場景范圍；設(shè)置系統(tǒng)選擇的節(jié)點集合的聯(lián)合熵要求值；初始化每個傳感器節(jié)點的能量值；初始化監(jiān)測場景中無線多媒體傳感器節(jié)點的數(shù)量、布撒位置坐標(biāo)、主感知方向以及感知半徑；
[0010]步驟2)由節(jié)點位置坐標(biāo)計算傳感方向和X軸的角度Θ以及節(jié)點沿傳感方向相對于目標(biāo)區(qū)域中心的偏移距離r ;
[0011]多媒體傳感器節(jié)點相關(guān)性定義:
[0012]步驟3)定義空間相關(guān)性函數(shù)來描述通過多媒體傳感器節(jié)點的重疊視野所觀察到的圖像的相關(guān)特性；
[0013]多節(jié)點的聯(lián)合作用:
[0014]步驟4)實現(xiàn)如何在一個多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中以最少的節(jié)點獲得盡可能多的數(shù)據(jù)信息，節(jié)點所感知的數(shù)據(jù)信息必須和所觀測圖像的相關(guān)特性有關(guān)，并且各節(jié)點之間感知的數(shù)據(jù)相關(guān)性越小，其將提供更多信息給匯聚節(jié)點；
[0015]能量消耗模型和信息熵框架:
[0016]步驟5)構(gòu)建出一個能量消耗模型以評估任意時刻每個節(jié)點的能量剩余量；
[0017]步驟6)基于步驟3中定義的節(jié)點相關(guān)性描述函數(shù)，構(gòu)建出一個基于熵的框架以評估多節(jié)點提供的信息量；
[0018]基于能量消耗模型和相關(guān)性的節(jié)點選擇:
[0019]步驟7)由人工設(shè)置或系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置傳感器節(jié)點允許能量最低值；初始節(jié)點集合為空，首先選擇匯聚節(jié)點作為起始點，并將其加入到初始選擇節(jié)點集合中；
[0020]步驟8)綜合考慮節(jié)點間相關(guān)性與節(jié)點能量值；從能量值高于允許能量最低值的所有非選擇節(jié)點中選擇一個與選擇節(jié)點集合相關(guān)性最小的節(jié)點，將其加入至選擇節(jié)點集合中，同時根據(jù)能量消耗模型對該節(jié)點的能量消耗進(jìn)行計算；
[0021]步驟9)重復(fù)步驟8的操作，直至選擇節(jié)點集合中所有的節(jié)點聯(lián)合熵增加至系統(tǒng)所設(shè)置要求值，或所有非選擇節(jié)點的能量值均低于允許能量最低值時則系統(tǒng)停止。
[0022]以上步驟中所涉及的一些關(guān)鍵操作定義如下:
[0023]描述節(jié)點相關(guān)性的函數(shù)定義:
[0024]我們?yōu)橛^測區(qū)域設(shè)定一個基坐標(biāo)，其中原點是觀測區(qū)域的中心，XOY平面是水平平面。在該模型中有七個參照點可以當(dāng)做特征點或者關(guān)鍵點，它們是:0(0，O, 0)T,A(1, O, 0)τ,B(-1，0，0)T，C(O, 1，0)T，D(0，-1，0)T，E (O, O, 1)τ，F(xiàn)(0，0，_1)T。這些參考點形成在三維空間中沿著x、y、z軸方向的六個單位參考向量。示意圖如附圖1所示。[0025]我們考慮當(dāng)所有傳感器節(jié)點放在水平平面且它們的傳感方向也是在水平平面的情況下，傳感器節(jié)點參考點的投影將會隨著傳感方向和節(jié)點位置的改變而改變。通過相同參考點在不同傳感器節(jié)點投影面上投影點的比較，來比較理解不同傳感器節(jié)點的相關(guān)特性。
[0026]傳感器模型:
[0027]如附圖2所示，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有方向感知特性，其特性是方向性傳感和三維到二維的投影，在計算機(jī)視覺中可以用針孔相機(jī)模型進(jìn)行模擬。如附圖2所示，P’(u，ν)τ為一個場景點P在某節(jié)點像平面上的投影點，其中u和V可由P點在該節(jié)點坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(X，Y, ζ)及相機(jī)節(jié)點焦距f求得。
[0028]基于上述傳感器模型，我們可以得到參考點A、B、C、D、E、F在任意相機(jī)節(jié)點投影平面上投影點的坐標(biāo)。于是設(shè)計了一個差別函數(shù)來表示不同相機(jī)之間參考向量的投影差別:
[0029]假設(shè)相機(jī)i和相機(jī)j是兩個任意的在水平平面的可以觀測同一個興趣域的相機(jī)，差別函數(shù)可由以下步驟獲得:
[0030]I)確定相機(jī)i和相機(jī)j的傳感方向和位置。
[0031]2)基于之前的傳感器模型，計算在每個相機(jī)參考向量的投影。
[0032]3)為每一對歸一化向量、OB.和55計算距離。例如，如果:5又在相機(jī)i中的投影是0盧嚴(yán)(Ui, Vi)'在相機(jī)j中是Ojaj= (U」,ν」)τ,距離的計算是
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種面向數(shù)據(jù)收集的多媒體傳感網(wǎng)能量有效節(jié)點選擇方法，其特征在于該方法包含在以下的具體步驟: 初始場景設(shè)置: 步驟I)設(shè)置觀測區(qū)域及多媒體傳感器節(jié)點:設(shè)置需要采用多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的區(qū)域場景范圍；設(shè)置系統(tǒng)選擇的節(jié)點集合的聯(lián)合熵要求值；初始化每個傳感器節(jié)點的能量值；初始化監(jiān)測場景中無線多媒體傳感器節(jié)點的數(shù)量、布撒位置坐標(biāo)、主感知方向以及感知半徑； 步驟2)由節(jié)點位置坐標(biāo)計算傳感方向和X軸的角度Θ以及節(jié)點沿傳感方向相對于目標(biāo)區(qū)域中心的偏移距離r ； 多媒體傳感器節(jié)點相關(guān)性定義: 步驟3)定義空間相關(guān)性函數(shù)來描述通過多媒體傳感器節(jié)點的重疊視野所觀察到的圖像的相關(guān)特性； 多節(jié)點的聯(lián)合作用: 步驟4)實現(xiàn)如何在一個多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中以最少的節(jié)點獲得盡可能多的數(shù)據(jù)信息，節(jié)點所感知的數(shù)據(jù)信息必須和所觀測圖像的相關(guān)特性有關(guān)，并且各節(jié)點之間感知的數(shù)據(jù)相關(guān)性越小，其將提供更多信息給匯聚節(jié)點； 能量消耗模型和信息熵框架: 步驟5)構(gòu)建出一個能量消耗模型以評估任意時刻每個節(jié)點的能量剩余量； 步驟6)基于步驟3中定義的節(jié)點相關(guān)性描述函數(shù)，構(gòu)建出一個基于熵的框架以評估多節(jié)點提供的信息量； 基于能量消耗模型和相關(guān)性的節(jié)點選擇: 步驟7)由人工設(shè)置或系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置傳感器節(jié)點允許能量最低值；初始節(jié)點集合為空，首先選擇匯聚節(jié)點作為起始點，并將其加入到初始選擇節(jié)點集合中； 步驟8)綜合考慮節(jié)點間相關(guān)性與節(jié)點能量值；從能量值高于允許能量最低值的所有非選擇節(jié)點中選擇一個與選擇節(jié)點集合相關(guān)性最小的節(jié)點，將其加入至選擇節(jié)點集合中，同時根據(jù)能量消耗模型對該節(jié)點的能量消耗進(jìn)行計算； 步驟9)重復(fù)步驟8的操作，直至選擇節(jié)點集合中所有的節(jié)點聯(lián)合熵增加至系統(tǒng)所設(shè)置要求值，或所有非選擇節(jié)點的能量值均低于允許能量最低值時則系統(tǒng)停止。
【文檔編號】H04W84/18GK103916941SQ201410124333
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】肖甫, 楊謝琨, 孫力娟, 王汝傳, 郭劍, 韓崇, 劉林峰, 黃海平 申請人:南京郵電大學(xué)