CN103095854A - 一种无线传感器网络异构信息融合决策系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线传感器网络异构信息融合决策系统。该系统分为物理层，接口层，服务层和应用层；通过传感器的数据包结构、数据格式、建立传感器数据字典，解析传感器数据包，并采用决策级数据融合方式作为系统的数据融合机制，实现传感器网络的信息融合决策。本发明采用分层设计的思想不仅屏蔽了底层物理设备和数据的异构性而且大大增加了系统的可拓展性和灵活性，另外采用决策级融合也提高了系统的容错性。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络领域，具体涉及一种无线传感器网络异构信息融合决策系统。
背景技术
近年来，传感器网络得到了大规模应用，包括环境监测、军事领域、医疗护理等等，其中研究热点之一就是信息融合问题。由于应用环境的复杂，在传感器网络中，通常多种类传感器并存，要实现信息融合的目标首要问题是解决网络中传感器的异构性。目前解决这一问题的常用方法有：采用中间件技术(如jini 技术，COEBA 技术，DCOM 技术等)实现即插即用；使用虚拟机(VM)技术实现跨操作平台；软件编程统一标示资源等。但是上述这些解决方案缺少足够可拓展性和灵活性以及足够的容错性。
发明内容
1、本发明的目的。
本发明的目的在于提高传感器网络的可拓展性，解决传感器网络的异构性而提出的一种无线传感器网络异构信息融合决策系统。
2、本发明所采用的技术方案
一个通用的传感器网络数据集成决策系统，通过深入了解各种传感器的数据包结构，数据格式，建立传感器数据字典，解析多种类传感器数据包。并采用决策级数据融合方式作为系统的数据融合机制，实现传感器网络的信息融合决策。
本系统设计为4个层：物理层，接口层，服务层和应用层。
物理层包括各种类别的传感器节点，如温湿度传感器、风力风向传感器、磁传感器、红外传感器、扰动传感器等，是信息感知获得的源头，即平台的入口单元。本系统的传感器网中，各传感器节点均以Zigbee 无线通信模块为通信单元，以IEEE802.15.4
zigbee 为通信协议标准与中心平台通信。
接口层是物理层和服务层的连接层。该层采用中间件技术屏蔽了各类传感器数据信息的异构特性，为类型不同的传感器开发不同的数据包解析模块，形成传感器接口库，为服务层实现提供底层支撑。
服务层屏蔽了各类传感器的异构特性，包括传输的数据格式、数据量等，根据决策应用的需要，预处理、融合各类传感器传送过来的信息，为应用层提供所需的服务，是系统的处理单元。
应用层的任务主要来自于决策提出的需求，包括异常报警、信息显示等等，是系统的出口单元。
3、本发明的有益效果。
本发明提出了一种无线传感器网络异构信息融合决策系统，采用分层设计的思想不仅屏蔽了底层物理设备和数据的异构性而且大大增加了系统的可拓展性和灵活性，另外采用决策级融合也提高了系统的容错性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图 1 是本发明的系统体系结构图
图2 是本发明的数据包解析流程图
具体实施方式
实施例1
如图1所示，系统由4个层组成分别为：物理层、接口层、服务层和应用层。
图中传感器数据字典由若干个数据库表组成，包括：
(1)传感器型号关联表：在传感器网络地址与传感器型号之间建立映射关系，是数据包解析的入口，字段包括传感器网络地址，传感器型号；
(2)传感器数据融合函数表：在传感器型号和其融合算法与接口函数之间建立映射关系，用于传感器数据包的解析和数据的融合，是数据包解析和数据融合的核心，字段包括传感器型号，接口函数名，融合算法等；
(3)传感器属性表：记录各种型号传感器的特征属性，根据决策算法需要，提供必要属性信息，字段包括传感器类型，种类，品牌，电源，图标等；
(4)传感器节点属性表：记录传感器节点的特征属性，根据决策算法需要，提供必要属性信息，字段包括节点坐标，节点类型，父级节点，联通情况，节点等级等。
物理层和接口层：
物理层的各种类别传感器通过zigbee协议发送采集到的数据给接口层，接口按照传感器的不同类型分别解析，数据信息解析的流程如图2 所示：
(1) 根据系统通信协议，传感器的网络地址在同一个网络中可以唯一的标识一个传感器节点，解析程序从该位置读取数据；
(2) 根据传感器节点网络地址，解析程序可以从数据字典涉及的相关表中查询出该传感器节点的传感器型号，根据型号可以从传感器数据融合函数表中查询出相应的接口函数名，融合算法函数名等，并可从类型属性表中获得传感器属性；
(3)解析程序从数据包的信息数据位中读取出信息数据，并调用传感器接口函数，将信息数据从二进制数据翻译成可理解数据。
服务层：
对于接口层传过来的数据，首先信息集成模块会根据融合决策模块的需要组合成有效用的数据记录，并保存到数据库中。融合决策模块根据决策知识库中的决策规则和集成模块生成的数据记录进行挖掘处理，输出报警信息或者分析结果。
应用层：
应用层的任务主要来自于决策提出的需求，包括异常报警、信息显示等等，是系统的出口单元。
实施例2
下面以检测异常温度变化为例说明，假设在一段时间内（2012-03-26
8:19:29 至2012-03-26 8:41:07）收到的数据包如表1所示：
| 接收时间 | 接收数据包 |
| 2012-03-26 8:19:29 | 0001⋯1111 |
| 2012-03-26 8:20:30 | 0010⋯1110 |
| 2012-03-26 8:20:36 | 0110⋯1001 |
| 2012-03-26 8:21:41 | 0001⋯1111 |
| … | … |
| 2012-03-26 8:41:07 | 0101⋯0011 |
需要的计算因子有：温差，坐标，时差，故选择数据库表中相应的属性组成数据预处理后的初级融合数据信息表如表2所示，并保存到数据库中。
| 传感器网络地址 | 传感器类型 | 坐标 | 数据发送时间 | 数据 |
| 0x0008 | 温度 | 127，321 | 2012-03-26 8:19:29 | 17.2 |
| 0x001D | 温度 | 165，325 | 2012-03-26 8:20:10 | 18.4 |
| 0x0021 | 温度 | 225，365 | 2012-03-26 8:20:30 | 16.9 |
| … | … | … | … | … |
| 0x009A | 温度 | 131，317 | 2012-03-26 8:23:17 | 17.5 |
| 0x0098 | 温度 | 123，574 | 2012-03-26 8:24:21 | 16.8 |
下面可以定义警报决策信息为：当监测区域内出现短时间内温度变化较大的传感器节点群，且群内的时域上相继出现的节点在位置坐标上呈连续性(即两节点之间的坐标距离小于一定值)。
设
，
为相继出现感知到温度变化的节点，其坐标分别为
,
，变化值及其变化的时间差分别为
,
,
,
定义布尔值
为
，之间的警报决策输出信息，
的计算式如下
式中：d为系统预定两节点距离阀值，c为系统预定单节点温差阀值，t为系统预定单节点温度变化时差阀值。最后是决策层信息融合，在本算法流程中，定义Alam为决策层融合算法的输出结果，定义其计算式如下:
（2）
式中：n为系统设定阀值，其意义是监测区域内出现短时间内温度变化较大的传感器节点群的节点数达指定的数量，则发出警报。
假设设定d=15M，c=2 ℃，t=5min，n=5，则根据公式（1）首先对相同节点的温差筛选，然后对不同节点的记录时间差进行筛选，最后以传感器节点之间的距离筛选得出结果如表3所示。
| 传感器网络地址 | 传感器类型 | 坐标 | 数据发送时间 | 数据 |
| 0x009A | 温度 | 131，317 | 2012-03-26 8:23:17 | 17.5 |
| 0x002E | 温度 | 129，327 | 2012-03-26 8:19:29 | 17.2 |
根据公式（2）得出Alam=0。 即对2012-03-26 8:19:29 至2012-03-26 8:41:07 时间段内收到的温度传感器数据以本算法得到的最后决策级融合信息为无异常警报。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1. 一种无线传感器网络异构信息融合决策系统，其特征在于：分为物理层，接口层，服务层和应用层；物理层包括各种类别的传感器节点；接口层是物理层和服务层的连接层采用中间件技术屏蔽传感器数据信息的异构特性，为类型不同的传感器开发不同的数据包解析模块，形成传感器接口库，为服务层实现提供底层支撑；服务层屏蔽了各类传感器的异构特性，根据决策应用的需要，预处理、融合各类传感器传送过来的信息，为应用层提供所需的服务，是系统的处理单元；应用层的任务主要来自于决策提出的需求，是系统的出口单元；通过传感器的数据包结构、数据格式、建立传感器数据字典，解析传感器数据包，并采用决策级数据融合方式作为系统的数据融合机制，实现传感器网络的信息融合决策。
2. 根据权利要求1所述的无线传感器网络异构信息融合决策系统，其特征在于：所述的传感器节点包括温度传感器、湿度传感器、风力传感器、风向传感器、磁传感器、红外传感器、扰动传感器。
3. 根据权利要求1或2所述的无线传感器网络异构信息融合决策系统，其特征在于：所述的传感器节点以Zigbee 无线通信模块为通信单元，以IEEE802.15.4 zigbee 为通信协议标准与中心平台通信。
4. 根据权利要求1-3任一所述的无线传感器网络异构信息融合决策系统，其特征在于：所述的服务层包括信息集成模块、信息挖掘模块、传感器数据字典和决策知识库。
5. 根据权利要求1所述的无线传感器网络异构信息融合决策系统，其特征在于：所述的应用层包括用户设置决策规则模块和报警信息显示模块。
6. 根据权利要求1所述的无线传感器网络异构信息融合决策系统，其特征在于：所述的数据包解析模块的处理流程如下：
(1) 根据系统通信协议，传感器的网络地址在同一个网络中可以唯一的标识一个传感器节点，解析程序从该位置读取数据；
(2) 根据传感器节点网络地址，解析程序可以从数据字典涉及的相关表中查询出该传感器节点的传感器型号，根据型号可以从融合函数表中查询出相应的接口函数名，并可从类型属性表中获得传感器属性；
(3)解析程序从数据包的信息数据位中读取出信息数据，并调用传感器接口函数，将信息数据从二进制数据翻译成可理解数据。
7. 根据权利要求4所述的无线传感器网络异构信息融合决策系统，其特征在于：所述的信息集成模块从接口层接收数据，并根据决策模块的要求组合成有效用的数据记录。
8. 根据权利要求4所述的无线传感器网络异构信息融合决策系统，其特征在于：所述的信息挖掘模块根据信息集成模块输出的数据记录，按照决策知识库中的决策规则进行挖掘处理，输出报警信息或者分析结果。
9. 根据权利要求4所述的无线传感器网络异构信息融合决策系统，其特征在于所述的传感器数据字典包括：
(1)传感器型号关联表：在传感器网络地址与传感器型号之间建立映射关系，是数据包解析的入口，字段包括传感器网络地址，传感器型号；
(2)传感器数据融合函数表：在传感器型号和其融合算法与接口函数之间建立映射关系，用于传感器数据包的解析和数据的融合，是数据包解析和数据融合的核心，字段包括传感器型号，接口函数名，融合算法；
(3)传感器属性表：记录传感器的特征属性，根据决策算法提供属性信息，字段包括传感器类型，种类，品牌，电源，图标；
(4)传感器节点属性表：记录传感器节点的特征属性，根据决策算法提供属性信息，字段包括节点坐标，节点类型，父级节点，节点等级。
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