楊 韜，童英華

(1.華北科技學(xué)院 研究生院，北京 東燕郊 065201；2.青海師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，青海 西寧 810000)

基于數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的無線傳感器監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)能策略研究

楊 韜1，童英華2

(1.華北科技學(xué)院 研究生院，北京 東燕郊 065201；2.青海師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，青海 西寧 810000)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其網(wǎng)絡(luò)自組織，組網(wǎng)靈活，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源有限的缺點(diǎn)很大的制約著該技術(shù)的發(fā)展，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)受到研究者們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注和重視，很多節(jié)能策略和算法隨之而出。但是很多節(jié)能算法在考慮減少能耗的時(shí)候沒有考慮系統(tǒng)可靠性的問題，這就使得應(yīng)用該技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。為提出一種基于數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的節(jié)能策略，在一般的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用新的節(jié)能機(jī)制，提出一種可以根據(jù)條件決定系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)和節(jié)能工作狀態(tài)之間合理切換的節(jié)能策略。根據(jù)合理的設(shè)計(jì)，可以使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生命周期的延長(zhǎng)。最后通過公式推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)證明該節(jié)能策略確實(shí)提高了系統(tǒng)的生命周期。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)；節(jié)能；可靠性；數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

0 引言

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)因其照特定的編碼機(jī)制用比未經(jīng)編碼更少的數(shù)據(jù)位[8,10,11](或者其它信息相關(guān)的單位)表示信息的過程，能夠?qū)崿F(xiàn)是因?yàn)槎鄶?shù)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)都有統(tǒng)計(jì)冗余和數(shù)據(jù)間的相關(guān)性,大大減少傳輸過程中的能量損失。而且通用性強(qiáng)，它不依賴于硬件和通信協(xié)議等底層操作[1],被廣泛的應(yīng)用在無線傳感器系統(tǒng)中。

因?yàn)閿?shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以有效地減少能耗，已有很多人對(duì)其進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[1]提出了一種基于行程編碼的WSN無損壓縮算法，該壓縮算法是一種無損壓縮技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)同一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)不同周期和相近傳感器同時(shí)采集信息很相似的特性進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。該技術(shù)通過對(duì)壓縮前的信息進(jìn)行預(yù)處理可以更加有效地壓縮信息，提高壓縮率，使得節(jié)能效果更加明顯。

文獻(xiàn)[2]將原始數(shù)據(jù)中的時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性綜合在一起，考慮到信息的多維相關(guān)性，提出了一種WSN中基于序列相關(guān)性的數(shù)據(jù)壓縮算法，該算法并設(shè)計(jì)了基于能量判別的算法評(píng)估模型。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明，該算法能有效減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，同時(shí)又可達(dá)到較好的節(jié)能效果。

文獻(xiàn)[3]提出了一種基于映射數(shù)據(jù)相關(guān)性的數(shù)據(jù)壓縮算法，該算法利用傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)在時(shí)間上和空間上的相關(guān)性，對(duì)冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，能在保證用戶對(duì)數(shù)據(jù)精度要求的前提下，最大程度地提取數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。

文獻(xiàn)[12]提出了一種基于質(zhì)心的坐標(biāo)壓縮算法，該算法把物理學(xué)中的質(zhì)心概念引入數(shù)據(jù)壓縮算法的設(shè)計(jì)中，根據(jù)信號(hào)質(zhì)心附近信號(hào)特征分布最集中的特點(diǎn)，以質(zhì)心為中心通過非線性坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，這樣可以實(shí)現(xiàn)非均勻采樣。

雖然在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中需要減少能耗，但是也不能完全不管系統(tǒng)的通信質(zhì)量，文獻(xiàn)[6]提出了一種保證了壓縮后信息精確性和及時(shí)性所規(guī)定的質(zhì)量要求的壓縮算法，該算法可以在上述幾種壓縮算法的基礎(chǔ)上改善壓縮算法對(duì)信息精度和及時(shí)性的影響，但是該算法只能針對(duì)那些按照一定周期形式出現(xiàn)的信息，而一般的監(jiān)控信息沒有嚴(yán)格的規(guī)律，所以該算法仍存在一定的局限性。

為了更好地解決壓縮算法對(duì)信息精確性和及時(shí)性的影響，本論文提出一種基于數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的節(jié)能策略，使得系統(tǒng)能夠感知到關(guān)鍵信息并據(jù)此靈活地在工作狀態(tài)和節(jié)能狀態(tài)間切換，使得系統(tǒng)達(dá)到更好的效果。

1 節(jié)能策略架構(gòu)建立

1.1 無線傳感器系統(tǒng)節(jié)能策略

雖然本文采用的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以很大程度上減少數(shù)據(jù)傳輸過程時(shí)的數(shù)據(jù)量，但是當(dāng)有重要的信息被感知到時(shí)還是需要完整地將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，所以本文提出一種傳輸機(jī)制，可以有效地判斷系統(tǒng)何時(shí)應(yīng)該處于壓縮傳輸狀態(tài)或正常傳輸狀態(tài)。

該策略根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)接收當(dāng)前所處于的工作狀態(tài)和感知到的信息是否為重要信息綜合決定下一時(shí)刻系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

該策略的基本流程包括：

首先判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的工作狀態(tài)：1.正常工作狀態(tài)；2.壓縮傳輸工作狀態(tài)(節(jié)能狀態(tài))

(1) 當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)1時(shí)判斷感知到的信息的重要程度：

1) 當(dāng)該信息為重要信息時(shí)繼續(xù)維持狀態(tài)1工作；

2) 當(dāng)信息為非重要信息時(shí)，計(jì)算感知到的該信息的時(shí)間。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間感知到的信息為非重要信息時(shí)，將工作狀態(tài)切換至2；當(dāng)短時(shí)間感知到信息為非重要信息時(shí)維持狀態(tài)1.

(2) 當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)2時(shí)同樣是判斷感知到的信息重要程度

1) 當(dāng)該信息為非重要信息時(shí)，繼續(xù)維持狀態(tài)2工作；

2) 當(dāng)感知到的信息為重要信息，計(jì)算感知到該信息維持的時(shí)間并將此階段感知到的信息存儲(chǔ)至臨時(shí)儲(chǔ)存器中，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間感知到信息為重要信息則將狀態(tài)切換至狀態(tài)1并將該階段儲(chǔ)存的信息一并上傳；當(dāng)短時(shí)間感知到的信息為重要信息則維持狀態(tài)2但將儲(chǔ)存的信息上傳。

其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下圖1、2所示：

當(dāng)感知到重要信息時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖：

圖1 當(dāng)感知到重要信息時(shí)系統(tǒng)處理拓?fù)鋱D

當(dāng)感知到非重要信息時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)拓?fù)鋱D：

圖2 當(dāng)感知到非重要信息時(shí)系統(tǒng)處理拓?fù)鋱D

1.2 節(jié)能策略重要參數(shù)的制定

該節(jié)能策略中一個(gè)重要目的就是讓系統(tǒng)可以根據(jù)感知達(dá)到的不同的信息、當(dāng)前工作狀態(tài)以及感知到特定信息范圍的時(shí)間長(zhǎng)短綜合的決定下一時(shí)刻的工作狀態(tài)，所以系統(tǒng)感知到特定信息的時(shí)間長(zhǎng)短記錄和判斷規(guī)則就變得至關(guān)重要，如果缺少該參數(shù)就不能很好地決定系統(tǒng)何時(shí)轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，加入信息短時(shí)間浮動(dòng)過大也可能使得系統(tǒng)頻繁切換工作狀態(tài)，這樣就會(huì)造成大量的延時(shí)和過多的能耗損失。所以時(shí)間參數(shù)的制定就變得至關(guān)重要。根據(jù)相應(yīng)的需求確定了該參數(shù)的大小，可以根據(jù)外界環(huán)境的需求智能地改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)，來達(dá)到在最小化可靠性損失的前提下有效地降低能耗的目的。

假設(shè)切換狀態(tài)的能量消耗為e，節(jié)能狀態(tài)下的功率為P′，正常工作的功率為P，時(shí)間閾值為T。為了防止切換頻率過大導(dǎo)致的能耗增加，根據(jù)條件列出方程：

2e+T(E+E′)≤2TE

(2-1)

2 節(jié)能策略在實(shí)際監(jiān)控模型的應(yīng)用

2.1 時(shí)間閾值的制定

假設(shè)切換狀態(tài)的能量消耗為E，節(jié)能狀態(tài)下的功率為P1，正常工作的功率為P，時(shí)間閾值為T，狀態(tài)轉(zhuǎn)換一次的時(shí)間T′。取式2-4中得出的最小切換周期，如果這個(gè)狀態(tài)不會(huì)造成能量損失那么這個(gè)閾值才設(shè)置的合理，所以根據(jù)條件列出方程：

2E+TP′≤(T+2T′)P

(2-2)

以煙霧濃度告知傳感器為例，根據(jù)上面的描述，如果系統(tǒng)起始狀態(tài)處于正常工作模式，當(dāng)傳感器感知到環(huán)境煙霧濃度沒有超過預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間t超過了時(shí)間閾值T，將監(jiān)控系統(tǒng)切換至節(jié)能模式；同理，當(dāng)系統(tǒng)處于節(jié)能模式，當(dāng)系統(tǒng)感知到濃度超過上述指標(biāo)的時(shí)間t超過T，則切換回正常工作模式。

一般情況下，監(jiān)控裝置正常工作狀態(tài)下的能耗可以由功率和工作時(shí)間算出，而功率一般是可知，所以P為已知量，而利用的節(jié)能策略一般也知道系統(tǒng)工作在節(jié)能狀態(tài)時(shí)的功率，每次工作狀態(tài)切換消耗的時(shí)間和能量可以使用實(shí)驗(yàn)的方法找出，例如查看系統(tǒng)工作功率改變從正常狀態(tài)切換到節(jié)能狀態(tài)所用的時(shí)間可以得到狀態(tài)切換時(shí)間；查看狀態(tài)切換過程的功率改變并找到與時(shí)間的關(guān)系就可以計(jì)算出切換工作狀態(tài)而消耗的能量，因?yàn)榍袚Q過程電壓一般不穩(wěn)定并且在時(shí)刻變化，所以一般會(huì)用到微分法來計(jì)算能耗。

根據(jù)上述內(nèi)容式2-1中只有時(shí)間閾值也可以稱為最小狀態(tài)切換周期是未知的，所以根據(jù)式子可以算出，并且對(duì)于一般的狀態(tài)切換系統(tǒng)都適用。

2.2 系統(tǒng)節(jié)能效果的公式推導(dǎo)

首先根據(jù)上述的函數(shù)關(guān)系列出能耗函數(shù)：

系統(tǒng)在工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換是消耗的能量為E。

如果不采用節(jié)能策略，則工作周期為：(2-3)→(2-4)

C-C′=PT1

(2-3)

(2-4)

當(dāng)采用節(jié)能策略后，系統(tǒng)的工作周期為：(2-5)→(2-6)→(2-7)→2-8)

(2-5)

=C-C′-2yE

(2-6)

(2-7)

(2-8)

2.3 仿真結(jié)果

根據(jù)上述推倒得出的結(jié)論本文使用MATLAB進(jìn)行仿真加以證明，下面進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，假設(shè)蓄電池電量為5000 mAh，取每16小時(shí)為轉(zhuǎn)換周期轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)。

圖3 仿真結(jié)果

由上圖為仿真的結(jié)果，可以看出圖中實(shí)線為沒有采用節(jié)能策略時(shí)的能耗與時(shí)間的關(guān)系圖，虛線為采用了本論文提出的節(jié)能策略的能耗與時(shí)間的關(guān)系圖，實(shí)線上的點(diǎn)表示在該時(shí)間點(diǎn)系統(tǒng)切換至節(jié)能模式，可以看出，采用節(jié)能模式后，系統(tǒng)的生命周期明顯得到了延長(zhǎng)且能耗曲線明顯變緩。

3 結(jié)論

無線傳感器節(jié)點(diǎn)十分有限的能量是制約其發(fā)展的一個(gè)重要原因。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分能量消耗在無線模塊的收發(fā)過程中，而采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以減少數(shù)據(jù)傳輸量進(jìn)而減少節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男√?hào)的能量，所以數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以很好的減少能量消耗而且采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)采集的某一時(shí)刻的信息丟失，對(duì)保證信息可靠性有一定的作用。數(shù)據(jù)壓縮之所以可行是由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常具有一定的數(shù)據(jù)計(jì)算處理能力，且實(shí)現(xiàn)計(jì)算的處理器能耗遠(yuǎn)小于通信模塊的能耗；其次，傳輸數(shù)據(jù)量的減少可以有效提高帶寬利用率，并最終減少能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

本文在以使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)為基礎(chǔ)下，采用了一種新的節(jié)能策略，即根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前所處的工作狀態(tài)和在之后感知到的信息的重要程度和感知到信息的時(shí)間，智能的決定系統(tǒng)下一時(shí)刻的工作狀態(tài)，這樣既可以保證系統(tǒng)信息可靠性的最大化，也可以最大程度的減少能量的損失，在系統(tǒng)總能量一定的前提下延長(zhǎng)系統(tǒng)的生命周期。

本文提出了一種新的節(jié)能策略，是結(jié)合工作狀態(tài)和感知信息智能決定系統(tǒng)下一步的工作狀態(tài)，并設(shè)置合理的限制條件，防止過于頻繁的切換工作狀態(tài)導(dǎo)致節(jié)能效果不明顯。但是本文的工作仍存在很多值得研究方面。

a.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)仍有很多的節(jié)能技術(shù)可以使用，例如休眠/喚醒技術(shù)，該方法可以非常有效的減少能耗，所以在本文的基礎(chǔ)上再多應(yīng)用一些節(jié)能技術(shù)將是一個(gè)值得研究的方面。

b.目前數(shù)據(jù)壓縮并非所有情況都能達(dá)到節(jié)能的效果。當(dāng)節(jié)點(diǎn)十分接近基站時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸成本相對(duì)較低，或者一些數(shù)據(jù)本身不可壓縮，這些情況下數(shù)據(jù)壓縮有可能造成能量的浪費(fèi)，因此建立一種有效的壓縮判定機(jī)制來確定當(dāng)前情況是否適合進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮是十分有意義的。

c.本文的研究更多的是在理論的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際的很多限制因素和條件的考慮不是非常的細(xì)致，所以對(duì)本文提出的節(jié)能策略進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)景的應(yīng)用可以更好的改善本論文可能存在的不足，所以尋找一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用本文的節(jié)能系統(tǒng)將會(huì)有很大的價(jià)值。

[1] 項(xiàng)鵬遠(yuǎn).基于數(shù)據(jù)壓縮的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

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[3] 惠麗，任倩倩，徐輝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于相關(guān)性的數(shù)據(jù)壓縮算法[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2015(2):270-275.

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Researchonenergysavingstrategyofwirelesssensormonitoringsystembasedondatacompressiontechnology

YANG Tao1，TONG Ying-hua2

(1.GraduateSchool,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao, 065201,China;2.SchoolofComputer,QinghaiNormalUniversity,Xining, 810000,China)

Wireless sensor networks (WSN) are widely used because of their advantages of self-organization, flexible networking and low cost.However, the limited energy resources of wireless sensor networks have greatly restricted the development of this technology.Therefore, the energy saving technologies of wireless sensor networks have attracted more and more attention of researchers, and many energy saving strategies and algorithms have emerged.Many energy saving strategies can not reasonably determine the switching time of energy saving state, which makes the reliability of the system decline. This paper proposes an energy saving strategy based on data compression technology.On the basis of general data compression technology,with the use of new energy saving mechanism.It can switch reasonably between the normal workong state and the energy saving working condition according to different conditions.According to reasonable design,the wireless sensor network monitoring system can use the data compression technology to achiene the extension of the life cycle.It is proved by the formula deduction and simulation that the energy saving strategy can improve the system life cycle.

Wireless sensor network monitoring system; energy conservation; reliability; Data compression technology

2017-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(61472137)， 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助 (3142017054, 3142015022)

楊韜(1991- )，男，河北邯鄲人，大學(xué)畢業(yè)，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能及可靠性。E-mail：501279828@qq.com

TP212.9

A

1672-7169(2017)04-0098-05