基于壓縮感知的無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明專利提供一種基于壓縮傳感（CS）的無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧剿惴?。該算法具有占用?nèi)存少，計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于硬件資源有限的智能無線傳感器。利用該算法，本發(fā)明在Imote2智能無線傳感器平臺上實(shí)現(xiàn)了基于CS的數(shù)據(jù)加密和丟包恢復(fù)，能夠有效補(bǔ)償無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢煽啃?，滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的快速數(shù)據(jù)收集性能要求。在該嵌入式算法的支持下，無線傳感器相對耗時耗電的數(shù)據(jù)包重復(fù)傳輸協(xié)議可被更加快速簡潔的傳輸協(xié)議代替，基站收到的不完整數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行恢復(fù)。
【專利說明】基于壓縮感知的無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)(—)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及的是基于壓縮傳感的無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧剿惴?。其涉及無線通訊、信號處理、土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】。
(二)【背景技術(shù)】
[0002]在當(dāng)今土木工程領(lǐng)域，隨著很多建筑結(jié)構(gòu)的老化和越來越多大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的興建，健康監(jiān)測扮演著越來越重要的角色。監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估提供參考，也能為結(jié)構(gòu)的維修和養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。其作用直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和可用性。
[0003]在結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中最基本的是傳感器及其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，目前廣泛使用的有線的數(shù)據(jù)采集法的具有數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定可靠，受噪聲影響小等優(yōu)點(diǎn)，但是其繁瑣的布線工作需要花費(fèi)較大的成本。因此目前國際上開始研究使用無線傳感器及無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。無線傳感器及其無線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是不僅可免去施工時間長、投資大且繁瑣的布線工作，節(jié)省成本，而且無線傳感器智能處理能力，可以嵌入信號處理算法。當(dāng)運(yùn)用于監(jiān)測大型橋梁時，無線傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出。
[0004]然而，由于無線傳感器的數(shù)據(jù)傳輸容易受到環(huán)境干擾而造成數(shù)據(jù)丟包，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃酝枰厥馓幚碛枰员Ｕ?。其中重?fù)傳輸是常用的丟包補(bǔ)償方法。但是由于在橋梁上通訊環(huán)境復(fù)雜多變，數(shù)據(jù)丟包往往在所難免，重復(fù)傳輸不僅相對耗時耗電，當(dāng)通信成功率較低時并不能本質(zhì)上保證數(shù)據(jù)的完整可靠性。當(dāng)不完整的數(shù)據(jù)被用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)識另IJ和評估時，其結(jié)果的準(zhǔn)確性也受到影響。
[0005]另一方面，壓縮傳感技術(shù)(CS)的發(fā)展對信號的采集帶來了變革性的影響。通過利用信號的稀疏性，壓縮傳感技術(shù)能以遠(yuǎn)小于采樣定理的采樣頻率來獲得信號的完整信息。這種先加密后恢復(fù)的間接的采樣形式，可以大大降低需要儲存和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；尤其適用于硬件資源匱乏的智能無線傳感器。利用CS算法對無線加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，無線傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟包可由后期CS恢復(fù)算法得到有效補(bǔ)償，從而改善無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢煽啃浴?br> [0006]但是，將CS加密算法嵌入智能無線傳感器平臺用于數(shù)據(jù)的加密傳輸卻面臨困難。其原因在于傳統(tǒng)CS加密算法依賴于一個隨機(jī)投影矩陣來對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密變換；且該矩陣中每一點(diǎn)需由相同的概率分布函數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生。使用這樣的全隨機(jī)矩陣對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，傳感器必須提前存儲矩陣中的每一個元素。當(dāng)加速度數(shù)據(jù)較長時(設(shè)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為n)，存儲該矩陣(η2個浮點(diǎn)型元素)所需要的內(nèi)存很大(如，當(dāng)η = 1，000時，以雙精度浮點(diǎn)型字符存 儲該矩陣需要8ΜΒ的靜態(tài)內(nèi)存)；且加密過程計(jì)算量大、耗時較長。這些問題使得傳統(tǒng)的CS加密矩陣局限于理論研究，而并不具有太大的實(shí)際用途。
[0007]截止目前，國際上運(yùn)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的典型智能無線傳感器平臺通常只有非常有限的數(shù)據(jù)內(nèi)存、計(jì)算能力和電力供應(yīng)。比如，伯克利大學(xué)研發(fā)的Mica擁有4ΚΒ動態(tài)內(nèi)存，128ΚΒ+512ΚΒ的靜態(tài)存儲器以及7.38MHz的CPU主頻；密西根大學(xué)Lynch教授研發(fā)的無線傳感器結(jié)點(diǎn)擁有26KB+512KB的動態(tài)內(nèi)存，448KB的靜態(tài)存儲器和40MHz的CPU主頻；伊利諾伊大學(xué)Spencer教授同Intel合作研發(fā)的Imote2智能無線傳感器平臺擁有256KB+32MB的動態(tài)內(nèi)存，32MB的靜態(tài)儲存器和13-416MHZ的可變CPU主頻。很明顯，在大部分的智能無線傳感器上，CS加密矩陣的儲存和加密計(jì)算是難以實(shí)現(xiàn)的。即使對于硬件設(shè)備最優(yōu)越的Imote2，嵌入一個較大的CS加密矩陣同樣是巨大的負(fù)擔(dān)。因此，一種適合于硬件資源有限的CS嵌入式加密算法對于實(shí)現(xiàn)基于CS的數(shù)據(jù)無線傳輸至關(guān)重要。本發(fā)明正是針對這一問題，提供了一種適于嵌入智能無線傳感器的CS加密算法。該算法占用內(nèi)存小，計(jì)算速度快，滿足大部分智能無線傳感器的硬件限制?；谠撍惴?，本發(fā)明在Imote2智能無線傳感器平臺上實(shí)現(xiàn)了基于CS的數(shù)據(jù)加密和丟包恢復(fù)，能夠有效補(bǔ)償無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢煽啃?，滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的快速數(shù)據(jù)收集性能要求。在該嵌入式算法的支持下，無線傳感器相對耗時耗電的數(shù)據(jù)包重復(fù)傳輸協(xié)議可被更加快速簡潔的傳輸協(xié)議代替，基站收到的不完整數(shù)據(jù)可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行恢復(fù)。
(三)、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提出一種包含CS的數(shù)據(jù)加密和傳輸?shù)那度胧剿惴ǖ幕跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測系統(tǒng)。。
[0009]本
【發(fā)明內(nèi)容】
如下所述:
[0010]本發(fā)明的核心 是一組能運(yùn)行于智能無線傳感器平臺的CS加密和傳輸系統(tǒng)。其嵌入的CS加密矩陣由隨機(jī)解調(diào)方法(RD)產(chǎn)生，該方法產(chǎn)生的加密矩陣只有中心窄帶為非零元素，且非零元素都由+1/-1組成；設(shè)該矩陣為Oed，相比于傳統(tǒng)的CS加密矩陣Φ，無線傳感器存儲ΦΚΙ)所需的內(nèi)存空間小；且用Oed對數(shù)據(jù)加密計(jì)算速度快，其實(shí)現(xiàn)方式如下:
[0011]第一步:在智能無線傳感器的計(jì)算內(nèi)核上，通過嵌入傳感器的加密矩陣ΦΚΙ)，將傳感器采集得到長度為η的原始數(shù)據(jù)X轉(zhuǎn)換成同等長度的加密信號y，即y = OedX ;然后無線傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)y無線傳輸至數(shù)據(jù)收集基站；
[0012]第二步:在基站，數(shù)據(jù)接收器接收到的不完整數(shù)據(jù)f，其中有Ii1個數(shù)據(jù)點(diǎn)在無線傳輸過程中丟失；根據(jù)數(shù)據(jù)包發(fā)送的順序，確定數(shù)據(jù)丟包數(shù)量和位置的，從而確定矩陣
，Φ,由φΚι>去除掉相應(yīng)的丟失數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的H1行元素得到，其維數(shù)為(I1-1i1) Xn ；
[0013]第三步:在基站計(jì)算終端，建立數(shù)據(jù)重構(gòu)模型j> =，式中α是傅里葉系數(shù)；F是離散傅里葉逆變換矩陣；采用I1最小化的方法求解，即? 二 argminIIaIl且0 = j>;得到最優(yōu)化傅里葉系數(shù)
[0014]第四步:計(jì)算得到解密重構(gòu)之后的原始數(shù)據(jù)ii =
[0015]本發(fā)明的效果如下:
[0016]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在智能無線傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算內(nèi)核上對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行CS加密和傳輸；在基站上實(shí)現(xiàn)了對不完整加密數(shù)據(jù)的恢復(fù)。整個過程提升了無線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?br> 可靠性。
[0017]在Im0te2智能無線傳感器平臺上(如圖2所示)，本發(fā)明能對三軸加速度信號同時進(jìn)行加密和傳輸，并適用于不同采樣頻率，滿足結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測的需求。
[0018]本發(fā)明能對數(shù)據(jù)丟失率在20%以下的橋梁監(jiān)測加速度信號進(jìn)行有效的補(bǔ)償，減小數(shù)據(jù)丟包造成的誤差。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1基于壓縮傳感的無線數(shù)據(jù)傳輸和恢復(fù)
[0020]圖2嵌入程序流程圖(Im0te2計(jì)算和通訊的流程)
[0021]圖3應(yīng)用實(shí)例I
[0022]圖4應(yīng)用實(shí)例2
[0023]圖5應(yīng)用實(shí)例3
[0024]圖6重構(gòu)數(shù)據(jù)和不完整數(shù)據(jù)的時域信號誤差能量比
[0025]圖7重構(gòu)數(shù)據(jù)和不完整數(shù)據(jù)的頻域信號誤差能量比【具體實(shí)施方式】:
[0026]本發(fā)明的實(shí)施是基于Imote2智能無線傳感器平臺和Illinois結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工具包(http://shm.cs.uiuc.edu/)。Imote2 的操作系統(tǒng)為 TinyOS,代碼語言為 nesC。
[0027]CS加密矩陣在外部計(jì)算機(jī)預(yù)先生成并以代碼的形式嵌入Imote2的存儲器。該加密矩陣由本專利提出的RD方法產(chǎn)生，其產(chǎn)生方式如下:
[0028]1.產(chǎn)生一個長度為n(n為原始數(shù)據(jù)的加密數(shù)據(jù)段長度，該發(fā)明的實(shí)現(xiàn)中η為2000)的隨機(jī)序列P，其每 一個元素Pi服從對稱伯努利分布P (Pi = ±1) = 1/2。將P表示為一個對角矩陣P，其對角元素Pii = Pi。
[0029]2.產(chǎn)生一個移動平均矩陣H(除中心外帶其余部分為O);其帶寬由信號的稀疏性決定，此發(fā)明的實(shí)現(xiàn)中選擇為5。
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種基于智能無線加速度傳感器和壓縮傳感(Compressive Sensing, CS)算法的橋梁結(jié)構(gòu)振動加速度數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)，由以下部分組成:智能無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)，CS加密程序，適用的無線傳輸協(xié)議，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)恢復(fù)程序；其中智能無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)包括:節(jié)點(diǎn)加速度傳感器，節(jié)點(diǎn)計(jì)算內(nèi)核，節(jié)點(diǎn)存儲器，節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)器以及附屬電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于智能無線加速度傳感器和CS算法的結(jié)構(gòu)振動加速度數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)，其特征是:CS加密矩陣存儲于節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)內(nèi)存中；在節(jié)點(diǎn)加速度傳感器采集完預(yù)定數(shù)據(jù)后，節(jié)點(diǎn)計(jì)算內(nèi)核對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并將數(shù)據(jù)儲存于節(jié)點(diǎn)儲存器中；由基站的收集命令觸發(fā)，節(jié)點(diǎn)利用快速可靠傳輸協(xié)議將加密數(shù)據(jù)送回基站；基站收集到的數(shù)據(jù)將被計(jì)算機(jī)程序重構(gòu)并用于結(jié)構(gòu)分析和診斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的基于智能無線加速度傳感器和CS算法的橋梁振動信息快速采集系統(tǒng)，其特征是:其嵌入的CS加密矩陣由隨機(jī)解調(diào)方法(Random Demodulator, RD)產(chǎn)生，該方法產(chǎn)生的加密矩陣只有中心窄帶為非零元素，且非零元素都由+1/-1組成；設(shè)該矩陣為Oed，相比于傳統(tǒng)的CS加密矩陣Φ，無線傳感器存儲ΦΚΙ)所需的內(nèi)存空間大大減?。磺矣忙郸?shù)據(jù)加密計(jì)算速度快，其實(shí)現(xiàn)方式如下: 第一步:在智能無線傳感器的計(jì) 算內(nèi)核上，通過嵌入傳感器的加密矩陣ΦΚΙ)，將傳感器采集得到長度為η的原始數(shù)據(jù)X轉(zhuǎn)換成同等長度的加密信號y，即y = OedX ;然后無線傳感器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)y無線傳輸至數(shù)據(jù)收集基站； 第二步:在基站，數(shù)據(jù)接收器接收到的不完整數(shù)據(jù)V S中有^個數(shù)據(jù)點(diǎn)在無線傳輸過程中丟失；根據(jù)數(shù)據(jù)包發(fā)送的順序，確定數(shù)據(jù)丟包數(shù)量和位置的，從而確定矩陣由ΦΚΒ去除掉相應(yīng)的丟失數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的Ii1行元素得到，其維數(shù)為(I1-1i1) Xn ； 第三步:在基站計(jì)算終端，建立數(shù)據(jù)重構(gòu)模型P =式中α是傅里葉系數(shù)；F是離散傅里葉逆變換矩陣；采用I1最小化的方法求解，即0 = argmin||fl|且=沁得到最優(yōu)化傅里葉系數(shù)?; 第四步:計(jì)算得到解密重構(gòu)之后的原始數(shù)據(jù)i，支二 Frh
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的基于智能無線加速度傳感器和CS算法的橋梁振動信息快速采集系統(tǒng)，其特征是:CS加密矩陣在外部計(jì)算機(jī)預(yù)先生成并以代碼的形式嵌入Imote2的存儲器。該加密矩陣由本專利提出的RD方法產(chǎn)生，其產(chǎn)生方式如下: (1)產(chǎn)生一個長度為η(η為原始數(shù)據(jù)的加密數(shù)據(jù)段長度)的隨機(jī)序列P，其每一個元素Pi服從對稱伯努利分布P (Pi = ±1) = 1/2。將P表示為一個對角矩陣P,其對角元素Pii=Pi。 (2)產(chǎn)生一個移動平均矩陣H(除中心外帶其余部分為O)； 其帶寬由信號的稀疏性決定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于智能無線加速度傳感器和CS算法的橋梁振動信息快速采集系統(tǒng)，其特征是:cs加密矩陣由隨機(jī)解調(diào)器(RD)生成，RD產(chǎn)生的加密矩陣只有中心窄帶為非O元素。
【文檔編號】H04W12/02GK103997403SQ201410201013
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】鮑躍全, 李惠, 鄒子龍 申請人:李惠