KR100775504B1

KR100775504B1 - Target detection system for saving energy consumption and method thereof

Info

Publication number: KR100775504B1
Application number: KR1020060120165A
Authority: KR
Inventors: 윤희용; 하이 찐 탄
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-11-12

Abstract

A target detection system and method for reducing energy consumption are provided to maintain effectively a sensor network for a long time by lengthening the lifespan of sensors. Multiple boundary sensor nodes(10) are located at edges of a cluster(100). Multiple non-boundary sensor nodes(20) refer to remaining sensor nodes excluding the multiple boundary sensor(10) nodes within the cluster(100). A cluster head(30) manages the multiple sensor nodes(10,20) within the cluster, and receives a report about a detected target. The multiple non-boundary sensor nodes(20) are maintained in an inactive state until the target is detected, and the multiple boundary sensor nodes(10) are maintained in an active state one by one by turns to detect the target that enters into the cluster.

Description

Target Detection System for Saving Energy Consumption and Method Thereof

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템을 도시한 구성도,1 is a block diagram illustrating a target detection system for reducing energy consumption according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센싱 영역을 도시한 도면,2 illustrates a sensing area according to an embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법을 설명하는 흐름도,3 is a flowchart illustrating a target detection method for reducing energy consumption according to an embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 목표물 속도에 따른 절약되는 에너지를 나타내는 그래프를 도시한 도면,4 is a graph showing energy saved according to a target speed according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 목표물 수에 따른 검출 확률을 나타내는 그래프를 도시한 도면,5 is a graph showing a detection probability according to the number of targets according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 지연 시간과 목표물 수와의 관계를 나타내는 그래프를 도시한 도면.6 is a graph showing a relationship between a delay time and a target number according to the present invention;

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10: 경계 센서 노드 20: 비경계 센서 노드10: boundary sensor node 20: non-boundary sensor node

30: 클러스터 헤드 100: 클러스터30: cluster head 100: cluster

본 발명은 목표물 검출 방법에 관한 것으로, 특히 센서 네트워크에서 하나의 경계 센서를 특정 단위 시간 동안에 활성화되도록 놓고 나머지는 하이버네이션 모드(Hibernation Mode)로 유지시켜 센서의 에너지 소비를 최소화하여 목표물을 검출하고 추적하는 퍼베이시브 컴퓨팅(Pervasive Computing)을 위해 이용 가능한 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for detecting a target, and in particular, to detect and track a target by minimizing the energy consumption of the sensor by maintaining one boundary sensor in a sensor network to be activated for a specific unit time and keeping the rest in a hibernation mode. A target detection system and its detection method for reducing energy consumption available for pervasive computing.

일반적으로 센서 네트워크는 무선 센서 네트워크를 말하며, 정보를 수집하는 다수의 센서들이 무선통신을 통해 연결된 네트워크를 말한다. 다시 말해서, 컴퓨팅 기능과 무선통신 기능을 갖춘 여러 개의 센서 노드들이 산, 대지와 같은 자연이나 전쟁터 등의 임의의 장소에 뿌려진 후 자율적으로 네트워크를 형성하고, 획득한 센싱 정보를 송수신하는 기술을 말한다. 이러한 센서 네트워크를 통해 유비쿼터스 환경이나 퍼베이시브 컴퓨팅 환경을 구현할 수 있는 것이다. In general, a sensor network refers to a wireless sensor network, and refers to a network in which a plurality of sensors collecting information are connected through wireless communication. In other words, a plurality of sensor nodes equipped with computing and wireless communication functions are sprinkled in an arbitrary place such as a nature or a battlefield such as a mountain or the earth, and autonomously form a network and transmit and receive the acquired sensing information. Such a sensor network can be used to implement a ubiquitous or pervasive computing environment.

센서 네트워크의 정보 전달 프로세스에 대해 간략히 말하면 다음과 같다. 우선, 센서 노드에서 센싱 정보를 감지한 후, 베이스스테이션(Base Station)으로 감지된 센싱 정보를 전달하고, 이를 수신한 베이스스테이션에서는 유/무선 네트워크를 통해 필요로 하는 사용자에게 전달한다. 이러한 센서 네트워크는 산업 전반에 걸쳐 이용되고 있으며, 특히 교통, 군사, 환경, 의료 등에 이용된다. Briefly, the information transmission process of the sensor network is as follows. First, after sensing the sensing information in the sensor node, the sensor transmits the sensing information detected by the base station, and the base station receiving the received information is transmitted to the user through a wired / wireless network. Such sensor networks are used throughout the industry, particularly in transportation, military, environment, and medical.

센서 네트워크에서는 수십 ~ 수만개의 센서 노드가 이용되며, 각각의 노드 간에 서로 통신이 이루어져야 하기 때문에 특히 2가지 부분을 중요시하고 있다. 첫째는 저전력 소모 기술과 둘째 자가구성(Self-Organization)이 가능한 애드-호크(Ad-hoc) 네트워크 기술이다. 우선, 저전력 소모 기술은 센서 노드의 제한된 수명을 가능한 오래 유지하기 위하여 센싱한 정보의 전달 알고리즘을 효율적으로 설계해야 함을 말한다. 즉, 정해진 배터리로 기능을 수행함에 있어서 교체시기가 너무 잦을 경우 비용이 증가하고, 관리에 불편함이 발생한다. 다음으로, 자가구성 기술은 사용되는 센서 노드의 개수가 수십 ~ 수만개에 이르기 때문에 각각의 노드를 일일이 구성할 수 없으므로, 애드-혹 네트워크를 구성할 수 있는 기능이 내장되어야 함을 말한다. 이러한 센서 네트워크의 주요 이슈와 관련하여 여러 연구가 진행되고 있으며, 본 발명 역시 센서 네트워크의 중요한 제약 중 하나인 저전력 소모 기술과 관련하여 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 관한 것이다.In the sensor network, tens to tens of thousands of sensor nodes are used, and two parts are particularly important because each node must communicate with each other. The first is an ad-hoc network technology capable of low power consumption and the second self-organization. First of all, low power consumption technology has to efficiently design the sensing information transfer algorithm in order to keep the limited lifetime of the sensor node as long as possible. That is, when the replacement time is too frequent in performing a function with a predetermined battery, the cost increases, and inconvenience in management occurs. Next, self-organization technology means that each node cannot be configured individually because the number of sensor nodes used is tens to tens of thousands, so that a function for configuring an ad-hoc network should be built in. Various studies have been conducted in relation to the main issue of such a sensor network, and the present invention also relates to a target detection method for reducing energy consumption in connection with a low power consumption technology, which is one of important limitations of a sensor network.

이와 같이 센서 네트워크의 저전력 소모 기술의 일례가 대한민국 특허 공개공보 제2005-0073780호(2005.07.18 공개, 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율 향상 방법)에 개시되어 있다.As such, an example of a low power consumption technology of a sensor network is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-0073780 (published on July 18, 2005, a method for improving energy consumption of a wireless sensor network).

상기 대한민국 특허 공개공보 제2005-0073780호에 개시된 기술은 데이터 수집 포인터에서 상황인식 제어 방법을 사용한 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율 향상 방법에 관한 것으로, 센서 노드에서 이벤트의 발생을 감지단계, 센서 노드가 데이터 수집 장치로 발생한 이벤트 데이터를 전송하는 단계, 데이터 수집 장치에서 센서 노드 영역의 이벤트를 파악하는 단계, 데이터 수집 장치가 센서 노드들 에 이벤트 데이터 전송금지 메시지를 전송하는 단계, 이벤트 데이터 전송금지 메시지를 전송받은 센서 노드들의 이벤트 데이터 전송이 금지되는 단계로 이루어진다고 기재되어 있다. 즉, 상기 공보 제2005-0073780호에 개시된 기술에서는 데이터 수집 장치의 컴퓨팅 자원을 활용하여 센서 노드들에게 메시지를 전달하는 방식으로 센서 노드들과의 불필요한 데이터 전송을 감소시켜서 센서 노드의 에너지 소비 효율을 향상시켜 주는 무선 센서 네트워크의 에너지 소비 효율 향상 방법에 대해 기재되어 있다.The technique disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-0073780 relates to a method of improving energy consumption efficiency of a wireless sensor network using a situation recognition control method in a data collection pointer, and detecting an occurrence of an event in a sensor node. Transmitting event data generated by the data collection device, identifying an event in the sensor node area in the data collection device, transmitting an event data transmission prohibition message to the sensor nodes, and prohibiting an event data transmission message. It is described that the event data transmission of the received sensor nodes is prohibited. That is, in the technique disclosed in Korean Patent Publication No. 2005-0073780, the energy consumption efficiency of the sensor node is reduced by reducing unnecessary data transmission with the sensor nodes by transmitting a message to the sensor nodes by utilizing the computing resources of the data collection device. A method of improving energy consumption efficiency of a wireless sensor network is described.

또, 센서 네트워크의 저전력 소모 기술의 다른 예가 대한민국 특허 공개공보 제2006-0067563호(2006.06.20 공개, 에너지 소모를 저감시킨 센서 네트워크)에 개시되어 있다.In addition, another example of a low power consumption technology of the sensor network is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2006-0067563 (published on June 20, 2006, sensor network with reduced energy consumption).

상기 대한민국 특허 공개공보 제2006-0067563호에 개시된 기술은 아이들 센서 노드를 관리하여 에너지 소모를 저감시키는 센서 네트워크에 관한 것으로, 다수의 센서노드와 센서 노드의 위치를 검출하는 위치 검출장치로 이루어지며, 상기 센서노드는 센서, 마이크로 프로세서, 센서의 출력을 전기적 신호로 변화하여 마이크로 프로세서에 전달하는 AD 컨버터, 마이크로 프로세서에 의하여 제어되는 가동장치와 마이크로 프로세서가 처리한 데이터를 외부로 전송하는 트랜시버로 구성된다고 기재되어 있다. 상기 공보 제2006-0067563호에 개시된 기술에서는 마이크로프로세서가 센서로부터 수신한 신호를 처리하여 이들 데이터를 외부로 전송할 때 다른 센서 노드의 위치를 검출하여 아이들 센서노드를 검출하고, 아이들 센서노드에 대 하여 일정시간 동안 데이터의 전송을 금지시켜 다중 경로의 발생을 없앰으로써 에너지의 소비를 줄일 수 있는 에너지 소모를 저감시킨 센서 네트워크에 대해 기재되어 있다.The technology disclosed in the Republic of Korea Patent Publication No. 2006-0067563 relates to a sensor network for reducing energy consumption by managing idle sensor nodes, and comprises a plurality of sensor nodes and a position detection device for detecting positions of sensor nodes. The sensor node includes a sensor, a microprocessor, an AD converter that converts the output of the sensor into an electrical signal and transmits the signal to the microprocessor, a movable device controlled by the microprocessor, and a transceiver that transmits data processed by the microprocessor to the outside. It is described. In the technique disclosed in Japanese Patent Application Publication No. 2006-0067563, when a microprocessor processes a signal received from a sensor and transmits these data to the outside, the position of another sensor node is detected to detect an idle sensor node, and the idle sensor node A sensor network has been described that reduces energy consumption, which can reduce energy consumption by prohibiting the transmission of data for a certain period of time, thereby eliminating the generation of multiple paths.

또, INFOCOM 2003에 실린 S. Bandyopadhyay와 E.J. Coyle의 '무선 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 계층적 클러스터링 알고리즘(An Energy Efficient Hierarchical Clustering Algorithm for Wireless Sensor Networks)'에 개시된 기술은 랜덤(Randomize)한 분산 클러스터링 알고리즘을 이용하여 무선 센서 네트워크에서 센서들을 클러스터의 계층적인 구조로 구성하여 정보 센터(Information Center)와의 통신에 있어 에너지 소비를 최소화하고, 센서 네트워크를 사용하여 목표물 검출시에 다양한 방향의 이웃 노드들로부터 집중될 수 있다고 기재되어 있다.In addition, S. Bandyopadhyay and E.J. The technique described in Coyle's An Energy Efficient Hierarchical Clustering Algorithm for Wireless Sensor Networks uses a randomized distributed clustering algorithm to It is described that the hierarchical structure minimizes energy consumption in communication with the information center and can be concentrated from neighboring nodes in various directions when detecting a target using a sensor network.

그러나, 상기 대한민국 특허 공보 제2005-0073780호에 개시된 기술에 있어서는 에너지 절약을 위해 데이터 수집 장치가 센서 노드로 이벤트 데이터 전송금지 메시지를 일일이 전송해야하는 문제가 있었다. However, in the technology disclosed in Korean Patent Publication No. 2005-0073780, there is a problem that the data collection device must transmit the event data transmission prohibition message to the sensor node in order to save energy.

또, 상기 대한민국 특허 공보 제2006-0067563호에 개시된 기술에 있어서는 에너지 절약을 위해 전력소모가 큰 아이들 센서 노드를 검출해야 하는 문제가 있었다.In addition, in the technique disclosed in Korean Patent Publication No. 2006-0067563, there is a problem in that an idle sensor node with a large power consumption needs to be detected for energy saving.

또, 종래의 목표물 검출과 추적 방법에 있어서는 클러스터 내의 경계 이외에 존재하는 대부분의 센서 노드들을 하이버네이션 모드로 유지함으로써 에너지의 절약 효과를 얻었으나, 센싱 영역의 경계상에 있는 센서 노드들은 목표물 검출을 위 해 항상 동작하고 있어야 하므로 많은 양의 에너지를 소비하는 문제가 있었다.In addition, in the conventional target detection and tracking method, energy saving effect is obtained by keeping most sensor nodes in the hibernation mode other than the boundary in the cluster, but the sensor nodes on the boundary of the sensing area are used for the target detection. There was a problem of consuming a large amount of energy because it must always be operating.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센싱 지역으로 들어온 목표물을 검출하고 추적할 경우에 센서의 에너지 소비를 최소화시키는 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems as described above, and provides a target detection system and a detection method for reducing energy consumption that minimizes energy consumption of a sensor when detecting and tracking a target entering a sensing area. It is.

본 발명의 다른 목적은 센서의 수명을 연장시켜 구성한 센서 네트워크를 효율적으로 장기간 유지시킬 수 있는 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a target detection system and its detection method for reducing energy consumption which can effectively maintain a sensor network constructed by extending the life of a sensor for a long time efficiently.

본 발명의 다른 목적은 센서 네트워크에서 센서 노드들을 원형 형태 안에 차례로 짧게 위치시키고, 하나의 경계 센서가 특정 단위 시간 동안 활성화되도록 놓고, 나머지 센서는 하이버네이션 모드로 유지시킴으로써 에너지 소비를 최소화하여 목표물을 검출하고 추적하는 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to position the sensor nodes briefly in a circular form in the sensor network in turn, set one boundary sensor to be active for a specific unit of time, and keep the other sensor in hibernation mode to minimize energy consumption and detect targets. To provide a target detection system and a detection method for reducing the energy consumption to track.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템은 센싱 기능과 계산처리 및 무선통신 능력을 가진 다수의 센서 노드가 클러스터 기반의 무선 센서 네트워크로 연결되어 움직이는 목표물을 검출하는 시스템에 있어서, 상기 클러스터는 상기 클러스터의 가장자리에 위치하는 다수의 경계 센서 노드, 상기 클러스터 내에서 상기 다수의 경계 센서 노드를 제외한 나머지 센서 노드인 다수의 비경계 센서 노드, 상기 클러스터내의 상기 다수의 센서 노드를 관리하며 상기 목표물의 검출을 보고받는 클러스터 헤드를 포함하고, 상기 다수의 비경계 센서 노드는 상기 목표물이 검출될때까지 비활성화 상태를 유지하고, 상기 다수의 경계 센서 노드는 하나씩 교대로 활성화 상태를 유지하며 상기 클러스터내로의 상기 목표물 진입 여부를 검출하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a target detection system for reducing energy consumption according to the present invention includes a plurality of sensor nodes having a sensing function, a calculation process, and a wireless communication capability connected to a cluster-based wireless sensor network to detect a moving target. In the system, the cluster is a plurality of boundary sensor nodes located at the edge of the cluster, a plurality of non-boundary sensor nodes in the cluster except for the plurality of boundary sensor nodes, the plurality of sensors in the cluster. A cluster head that manages nodes and receives a report of detection of the target, wherein the plurality of non-boundary sensor nodes remain inactive until the target is detected, and the plurality of boundary sensor nodes alternately activate one by one. Into the cluster It characterized by detecting whether or not entering the target group.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 있어서, 상기 경계 센서 노드 각각이 활성화 상태를 유지하는 시간은 식In addition, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention, the time for each of the boundary sensor nodes to maintain the active state is

=

의 실행에 의해 연산되며, 상기 T는 상기 다수의 경계 센서 노드 모두가 교대로 활성화되는 것을 1회 순환하는 시간이고, 상기 N은 상기 경계 센서 노드의 수인 것을 특징으로 한다.Calculated by execution of T, wherein T is a time for one cycle of alternately activating all of the plurality of edge sensor nodes, and N is the number of the edge sensor nodes.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 있어서, 상기 T는 식Further, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention, the T is

의 실행에 의해 연산되며, 상기

은 상기 목표물이 이동하는 최소 경로 길이이고, 상기

는 상기 목표물의 최대 속도인 것을 특징으로 한다.Computed by execution of the above

Is the minimum path length that the target travels,

Is the maximum speed of the target.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 있어서, 상기 클러스터 내에 분포된 상기 다수의 센서 노드의 밀도는 식Further, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention, the density of the plurality of sensor nodes distributed in the cluster is

의 실행에 의해 연산되며, 상기 r은 센서 노드의 센싱 영역의 반지름인 것을 특징으로 한다.Calculated by the execution of, wherein r is the radius of the sensing area of the sensor node.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 있어서, 상기 r은 식Further, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention, the r is

의 실행에 의해 도출되어 연산되며, 상기 d는 이웃하는 두 경계 센서 노드사이의 거리인 것을 특징으로 한다.Derived and calculated by the execution of, wherein d is the distance between two neighboring boundary sensor nodes.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 있어서, 상기 d는 식Further, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention, the d is

의 실행에 의해 연산되며, 상기 R은 상기 경계 센서 노드가 위치한 검출 영역의 내부경계와 상기 클러스터 헤드간의 거리인 것을 특징으로 한다.And R is a distance between an inner boundary of the detection area where the boundary sensor node is located and the cluster head.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 있어서, 상기 N은 식Further, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention, the N is

의 실행에 의해 연산되며, 상기 S는 상기 검출 영역의 넓이이고, 상기 D는 상기 클러스터의 반지름인 것을 특징으로 한다.Computed by execution of S, wherein S is the width of the detection area and D is the radius of the cluster.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 있어서, 상기 경계 센서 노드가 다수의 목표물을 검출하여 상기 클러스터 헤드로 다수의 센싱 정보 메시지를 전송할 경우 상기 클러스터 헤드는 수신되는 상기 다수의 센싱 정보 메시지를 처리하기 위해 큐(Queue)에 저장하여 처리하며, 상기 클러스터 헤드가 센싱 정보 메시지를 처리하는 평균 처리 시간은 식In addition, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention, when the boundary sensor node detects a plurality of targets and transmits a plurality of sensing information messages to the cluster head, the cluster head is received. The sensing information message is stored in a queue for processing, and the average processing time during which the cluster head processes the sensing information message is expressed by:

의 실행에 의해 연산되며, 상기

은 목표물별 센싱 정보 처리율이고, 상기

은 식

을 나타내는 변수이고, 상기

은 T동안의 목표물 검출 비율인 것을 특징으로 한다.Computed by execution of the above

Is the sensing information processing rate for each target,

Silver expression

Is a variable representing

Is a target detection rate during T.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 있어서, 상기 센싱 정보 메시지가 상기 큐에 대기하는 시간은 식Further, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention, the time for which the sensing information message waits in the queue is

의 실행에 의해 연산되는 것을 특징으로 한다.It is characterized by the operation of the operation.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 있어서, 상기

는 식In addition, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention,

Expression

의 실행에 의해 연산되며, 상기

는 목표물의 검출 가능성이고, 상기

는 센싱 영역으로 움직이는 목표물의 비율인 것을 특징으로 한다.Computed by execution of the above

Is the detectability of the target,

Is a ratio of the target moving to the sensing area.

는 상기 클러스터 헤드가 상기 경계 센서 노드에서 목표물이 검출될 때마다 증가시켜 저장한 검출수 및 검출되지 못하고 놓칠 때마다 증가시켜 저장한 손실수를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention,

The cluster head is calculated using the number of detections that are incremented and stored each time a target is detected at the boundary sensor node and the number of losses that are incremented and stored each time they are missed.

또, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법은 센싱 기능과 계산처리 및 무선통신 능력을 가진 다수의 센서 노드가 클러스터의 가장자리에 위치하는 다수의 경계 센서 노드, 다수의 비경계 센서 노드, 클러스터 헤드를 포함하는 클러스터 기반의 무선 센서 네트워크로 연결되어 움직이는 목표물을 검출하는 방법에 있어서, 상기 클러스터 헤드가 상기 다수의 비경계 센서 노드에게 상기 목표물이 검출될때까지 비활성화 상태 유지 지시를 전송하는 단계, 상기 다수의 비경계 센서 노드 각각이 수신된 지시에 따라 비활성화 상태를 유지하는 단계, 상기 클러스터 헤드가 상기 다수의 경계 센서 노드에게 하나씩 교대로 활성화 상태를 유지하며 상기 목표물의 진입 여부 검출 지시를 전송하는 단계, 상기 다수의 경계 센서 노드 각각이 수신된 지시에 따라 하나씩 교 대로 활성화 상태를 유지하며 상기 목표물의 진입 여부를 검출하기 위해 감시하는 단계, 상기 경계 센서 노드가 상기 클러스터내로 진입하는 목표물을 인지하여 센싱 정보를 상기 클러스터 헤드로 전송하는 단계, 상기 클러스터 헤드가 수신된 상기 센싱 정보를 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the target detection method for reducing the energy consumption according to the present invention to achieve the above object is a plurality of sensor nodes having a sensing function, a calculation process and a wireless communication capability of a plurality of edge sensor nodes located at the edge of the cluster, A method for detecting a moving target connected to a cluster-based wireless sensor network including a plurality of non-boundary sensor nodes and a cluster head, wherein the cluster head is inactive until the target is detected by the plurality of non-boundary sensor nodes. Transmitting a maintenance instruction, each of the plurality of non-boundary sensor nodes maintaining an inactive state according to a received instruction, the cluster head alternately maintaining an activation state to the plurality of boundary sensor nodes one by one Transmitting an indication of whether or not to enter, wherein Monitoring each node of the plurality of boundary sensor nodes in turn to activate each other according to the received instruction to detect whether the target enters the target, and detecting the target information by detecting the target entering the cluster. Transmitting to the cluster head, and processing the sensing information received by the cluster head.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 있어서, 상기 진입 여부 검출 지시에 포함된 상기 경계 센서 노드 각각이 활성화 상태를 유지하는 시간은 식In addition, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention, the time for each of the boundary sensor nodes included in the entry status detection instruction to maintain the active state is

=

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 있어서, 상기 T는 식Further, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention, the T is

의 실행에 의해 연산되며, 상기

은 상기 목표물이 이동하는 최소 경로 길이이고, 상기

Is the minimum path length that the target travels,

Is the maximum speed of the target.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 있 어서, 상기 클러스터 내에 분포된 상기 다수의 센서 노드의 밀도는 식Further, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention, the density of the plurality of sensor nodes distributed in the cluster is

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 있어서, 상기 r은 식Further, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention, the r is

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 있어서, 상기 d는 식Further, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention, the d is

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 있어서, 상기 N은 식Further, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention, N is

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 있어서, 상기 경계 센서 노드가 다수의 목표물을 검출하여 상기 클러스터 헤드로 다수의 센싱 정보 메시지를 전송할 경우 상기 클러스터 헤드는 수신되는 상기 다수의 센싱 정보 메시지를 처리하기 위해 큐(Queue)에 저장하여 처리하며, 상기 클러스터 헤드가 센싱 정보 메시지를 처리하는 평균 처리 시간은 식In addition, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention, when the boundary sensor node detects a plurality of targets and transmits a plurality of sensing information messages to the cluster head, the cluster head is received. The sensing information message is stored in a queue for processing, and the average processing time during which the cluster head processes the sensing information message is expressed by:

의 실행에 의해 연산되며, 상기

은 목표물별 센싱 정보 처리율이고, 상기

은 식

을 나타내는 변수이고, 상기

Is the sensing information processing rate for each target,

Silver expression

Is a variable representing

Is a target detection rate during T.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 있어서, 상기 센싱 정보 메시지가 상기 큐에 대기하는 시간은 식In addition, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention, the time that the sensing information message waits in the queue is

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 있어서, 상기

는 식In addition, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention,

Expression

의 실행에 의해 연산되며, 상기

는 목표물의 검출 가능성이고, 상기

Is the detectability of the target,

Is a ratio of the target moving to the sensing area.

는 상기 클러스터 헤드가 상기 경계 센서 노드에서 목표물이 검출될 때마다 증가시켜 저장한 검출수 및 검출되지 못하고 놓칠 때마다 증가시켜 저장한 손실수를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention,

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. In addition, in describing this invention, the same code | symbol is attached | subjected and the repeated description is abbreviate | omitted.

본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템에 대해 도 1 내지 도 2에 따라 설명한다.A target detection system for reducing energy consumption in accordance with the present invention is described according to FIGS.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템을 도시한 구성도이다.1 is a block diagram illustrating a target detection system for reducing energy consumption according to an embodiment of the present invention.

도 1에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템은 센싱 기능과 계산처리 및 무선통신 능력을 가진 다수의 센서 노드가 클러스터 기반의 무선 센서 네트워크로 연결되어 있으며, 클러스터(100)는 클러스터(100)의 가장자리에 위치하는 다수의 경계 센서 노드(10), 클러스터(100) 내에서 다수의 경계 센서 노드(10)를 제외한 나머지 센서 노드인 다수의 비경계 센서 노드(20), 클러스터(100)내의 다수의 센서 노드(10, 20)를 관리하며 목표물의 검출을 보고받는 클러스터 헤드(30)로 이루어진다. As shown in FIG. 1, in the target detection system for reducing energy consumption according to the present invention, a plurality of sensor nodes having a sensing function, a calculation process, and a wireless communication capability are connected to a cluster-based wireless sensor network. 100 is a plurality of boundary sensor nodes 10 located at the edge of the cluster 100, a plurality of non-boundary sensor nodes 20 which are the remaining sensor nodes except the plurality of boundary sensor nodes 10 in the cluster 100. ), A cluster head 30 that manages a plurality of sensor nodes 10 and 20 in the cluster 100 and reports a detection of a target.

도 1에 도시된 클러스터(100)는 센서 네트워크를 위한 기본 구조로서, 초기에는 모든 경계 센서 노드(10)가 자신의 신원, 위치 및 에너지 레벨 등에 대한 정보를 보유하기 위해 이웃하는 센서 노드들과 정보를 교환한다. 또한, 클러스터 헤드(30)는 자신의 클러스터에 속하는 센서 노드에 대한 정보를 갖고, 각각의 센서 노드들로부터 수집된 센싱 정보를 보고받는다. 물론, 클러스터 내부의 모든 센서를 관리함은 물론이다. 경계 센서 노드(10)는 클러스터(100) 내로 특정한 목표물이 진입할 경우 목표물의 존재를 검출한다. 여기서, 목표물이란 센싱 영역 밖에서 시작하여 일정한 속도로 센싱 영역으로 이동하는 것을 말한다. 이때, 센싱 영역은 센서에 의해 감지되는 영역을 의미한다. 이러한 센서 네트워크상의 클러스터, 센서 노드, 클러스터 헤드의 구조 및 기능은 본 분야에서 통상으로 사용되는 공지 기술이므로 구체적 설시는 생략한다.The cluster 100 shown in FIG. 1 is a basic structure for a sensor network. Initially, all edge sensor nodes 10 have information with neighboring sensor nodes in order to hold information about their identity, location, and energy level. Replace it. In addition, the cluster head 30 has information about sensor nodes belonging to its cluster, and receives the sensing information collected from each sensor node. Of course, it manages all the sensors in the cluster. The boundary sensor node 10 detects the presence of a target when a specific target enters the cluster 100. Here, the target refers to moving outside the sensing area to the sensing area at a constant speed. In this case, the sensing area refers to an area detected by the sensor. The structure and function of the cluster, sensor node, and cluster head on the sensor network are well-known techniques commonly used in the art, and thus, detailed description thereof will be omitted.

본 발명에서는 센서 네트워크에서 소비되는 에너지를 효율적으로 이용하기 위하여 도 1에 도시된 다수의 비경계 센서 노드(20)는 목표물이 검출될때까지 비활성화 상태를 유지하고, 다수의 경계 센서 노드(10)는 하나씩 교대로 활성화 상태를 유지하며 클러스터(100)내로의 목표물 진입 여부를 검출한다. 이때, 비경계 센서 노드(20)가 취하는 비활성화 상태는 하이버네이션 모드이며, 경계 센서 노드(10)는 일정시간동안 활성화 상태를 유지한 후에 비경계 센서 노드(20)와 마찬가지로 하이버네이션 모드를 유지한다. 즉, 모든 경계 센서 노드(10)가 활성화됨으로 인하여 발생하는 에너지 소비를 줄이기 위하여 모든 경계 센서 노드(10)가 하나씩 교대로 일정시간동안 활성화 상태를 취함으로써 에너지를 효율적으로 운용할 수 있게 된다.In the present invention, in order to efficiently use the energy consumed in the sensor network, the plurality of non-boundary sensor nodes 20 shown in FIG. 1 remain inactive until a target is detected, and the plurality of boundary sensor nodes 10 One by one to maintain the active state alternately detects whether the target enters into the cluster (100). In this case, the deactivation state of the non-boundary sensor node 20 is the hibernation mode, and the boundary sensor node 10 maintains the hibernation mode similarly to the non-boundary sensor node 20 after maintaining the activation state for a predetermined time. That is, in order to reduce energy consumption generated by all edge sensor nodes 10 being activated, all edge sensor nodes 10 alternately take an activated state for a predetermined time, thereby efficiently operating energy.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 센싱 영역을 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating a sensing area according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서는 각각의 경계 센서 노드(10)가

동안 활성화 상태를 유지한 후, 하이버네이션 모드로 유지한다. 이때, 경계 센서 노드(10)의 수는 센싱 영역상에 균일하게 존재한다고 가정하며, 그 수 또한 많다고 가정한다.In the present invention, each boundary sensor node 10

It stays active for a while and then in hibernation mode. In this case, it is assumed that the number of the boundary sensor nodes 10 is uniformly present on the sensing area, and the number is also large.

도 2a에 도시한 바와 같이, 이웃하는 두 경계 센서 노드(10)간의 거리를 d라 한다. 이때, d는 하나의 센서 노드가 지각할 수 있는 영역인 센싱 영역의 반경인 r보다 작거나 같다. 만약, d가 r보다 크다면, 두 개의 이웃하는 센서 노드 사이의 교차 영역은 작아질 것이며, 따라서 목표물의 검출 확률 역시 작아진다.As shown in FIG. 2A, the distance between two neighboring boundary sensor nodes 10 is referred to as d. In this case, d is less than or equal to r, the radius of the sensing area, which is an area perceptible by one sensor node. If d is greater than r, the intersection area between two neighboring sensor nodes will be small, and thus the detection probability of the target will also be small.

클러스터(100)는 도 2b에 도시한 바와 같이, 검출 영역과 추적 영역으로 나 뉠 수 있다. 이때, 검출 영역에는 경계 센서 노드(10)가 위치하며, 추적 영역에는 비경계 센서 노드(20)가 위치한다. The cluster 100 may be divided into a detection area and a tracking area, as shown in FIG. 2B. In this case, the boundary sensor node 10 is located in the detection area, and the non-boundary sensor node 20 is located in the tracking area.

본 발명에서는 센서 네트워크상의 에너지 효율을 높이기 위해 경계 센서 노드(10)를 얼마 동안 활성화시킬 것인가가 중요하다. 이는

를 너무 길게 설정할 경우 목표물을 검출할 확률이 낮아지며,

를 너무 짧게 설정할 경우 에너지의 소비가 증가한다. 따라서, 적절한

의 설정이 중요하다. 또한, 도 2a 및 도 2b에 도시된 센서 노드의 배치 조건에 대한 설정값 역시 중요하다. 마찬가지로, 경계 센서 노드(10)를 얼마나 많이, 얼마나 밀도있게 배치하느냐에 따라 에너지를 효율적으로 운용할 수 있는가가 결정된다.

를 비롯한 경계 센서 노드(10)에 대한 각종 조건들을 산출하는 방법에 대해서는 아래에서 자세히 설명하도록 한다.In the present invention, it is important for how long to activate the edge sensor node 10 in order to increase energy efficiency on the sensor network. this is

If you set too long to decrease the probability of detecting the target,

Setting it too short will increase energy consumption. Therefore, appropriate

Setting is important. In addition, setting values for the arrangement conditions of the sensor nodes shown in FIGS. 2A and 2B are also important. Similarly, how much and how densely arranged the edge sensor nodes 10 determine whether energy can be efficiently used.

A method of calculating various conditions for the boundary sensor node 10 including the above will be described in detail below.

도 2에 도시된 변수들 및 본 발명에 이용되는 값에 대한 설명은 다음의 [표1]과 같다.A description of the variables shown in Figure 2 and the values used in the present invention are shown in Table 1 below.

변수variable 설명Explanation VV 목표물의 속도Speed of target TT 경계 센서 노드 모두가 교대로 활성화되는 것을 1회 순환하는 시간The amount of time to cycle between alternating activations of all edge sensor nodes NN 경계 센서 노드의 수Number of perimeter sensor nodes rr 센서 노드의 센싱 영역의 반지름Radius of sensing area of sensor node dd 이웃하는 두 경계 센서 노드사이의 거리Distance between two neighboring boundary sensor nodes RR 클러스터 헤드와 검출 영역의 경계간의 거리Distance between cluster head and boundary of detection area DD 클러스터의 반지름 R+2rRadius of cluster R + 2r

Angle to cluster head formed by two neighboring boundary sensor nodes S Area of detection area covered by boundary sensor nodes

Sensor node density

다음에 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법에 대해 도 3에 따라 설명한다.Next, a method for detecting a target for reducing energy consumption according to the present invention will be described with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법을 설명하는 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a target detection method for reducing energy consumption according to an embodiment of the present invention.

도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 방법은 우선, 클러스터 헤드(30)가 다수의 비경계 센서 노드(20)에게 목표물이 검출될때까지 비활성화 상태를 유지하라는 지시를 전송한다(ST3010). ST3010 단계를 통해 상기 클러스터 헤드(30)로부터 지시를 수신한 다수의 비경계 센서 노드(20) 각각은 수신된 지시에 따라 비활성화 상태인 하이버네이션 모드를 유지한다(ST3020). 클러스터 헤드(30)는 다수의 경계 센서 노드(10)에게도 지시를 전송하는데, 이는 하나씩 교대로 활성화 상태를 유지하며 목표물의 진입 여부를 검출하라는 지시이다(ST3030). ST3030 단계를 통해 상기 클러스터 헤드(30)로부터 지시를 수신한 다수의 경계 센서 노드(10) 각각은 수신된 지시에 따라 하나씩 교대로 활성화 상태를 유지하며 목표물의 진입 여부를 검출하기 위해 감시한다(ST3040). 경계 센서 노드(10)는 지정된 시간동안 활성화 상태를 유지한 후에 비경계 센서 노드(20)와 마찬가지로 하이버스테이션 모드를 유지한다. 이때, ST3010 단계 및 ST3030 단계는 반드시 순차적으로 이루어지는 것이 아니며, 상황에 따라 또는 관리자의 설정에 따라 동시, 순차 또는 역순으로 진행될 수 있음은 물론이다.As shown in FIG. 3, the target detection method for reducing energy consumption according to the present invention firstly requires the cluster head 30 to remain inactive until the target is detected by the plurality of non-boundary sensor nodes 20. The instruction is transmitted (ST3010). Each of the plurality of non-boundary sensor nodes 20 having received the instruction from the cluster head 30 through the step ST3010 maintains the hibernation mode in an inactive state according to the received instruction (ST3020). The cluster head 30 also transmits an instruction to the plurality of boundary sensor nodes 10, which in turn keeps the activated state and detects whether the target has entered (ST3030). Each of the plurality of boundary sensor nodes 10 having received the indication from the cluster head 30 through the step ST3030 alternately maintains an active state one by one according to the received indication and monitors to detect whether the target is entered (ST3040). ). The boundary sensor node 10 remains in the hiberstation mode like the non-boundary sensor node 20 after it remains active for a specified time. In this case, the steps ST3010 and ST3030 are not necessarily sequentially performed, but may be performed simultaneously, sequentially, or in reverse order depending on a situation or a manager's setting.

감시중인 경계 센서 노드(10)는 클러스터(100)내로 진입하는 목표물을 인지할 경우, 인지된 센싱 정보를 클러스터 헤드(30)로 전송한다(ST3050). 이를 수신한 클러스터 헤드(30)는 수신된 센싱 정보를 본 분야에서 통상으로 사용되는 센싱 정보 처리 기술을 이용하여 처리한다. 이는 본 분야에서 이용되는 공지 기술이므로 구체적 설시는 생략한다.When the boundary sensor node 10 that is being monitored recognizes a target entering the cluster 100, it transmits the sensed sensing information to the cluster head 30 (ST3050). The cluster head 30 receives the received sensing information by using a sensing information processing technique commonly used in the art. Since this is a known technique used in the field, specific description thereof will be omitted.

다음에 경계 센서 노드(10)에 대한 각종 조건들을 산출하는 방법을 [식1] 내지 [식7]에 따라 설명한다.Next, a method of calculating various conditions for the boundary sensor node 10 will be described according to [Equation 1] to [Equation 7].

우선, 경계 센서 노드(10)가 활성화 상태를 유지하는 시간에 대해 설명한다.First, the time at which the boundary sensor node 10 is kept in an activated state will be described.

ST3030 단계에서 진입 여부 검출 지시에는 경계 센서 노드(10) 각각이 활성화 상태를 유지하는 시간(

)이 포함되어 있으며, 이는 다음의 [식1]을 통해 얻을 수 있다.In step ST3030, the presence detection instruction indicates a time (eg, time for which each of the boundary sensor nodes 10 is kept active)

), Which can be obtained through the following [Equation 1].

=

다수의 경계 센서 노드(10) 모두가 교대로 활성화되는 것을 1회 순환하는 시간인 T는

의 동일 간격으로 나뉜다. 다시 말해서, 모든 경계 센서 노드(10)들은 매 T마다

동안 활성화된다. 이때, 하나의 경계 센서 노드(10)가

동안 활성화되도록 두고, 나머지 경계 센서 노드(10)는 하이버네이션 모드로 둔다. 하나의 경계 센서 노드(10)가

동안 활성화되고 나면, (N-1)

동안 하이버네이션 모드를 유지한다. 이 과정은 클러스터(100)내의 모든 경계 센서 노드(10) 각각이 T 동안에 교대로 반복하여 수행한다. 이와 같이, 경계 센서 노드(10)들을 충분히 빠르게 작동시키고 멈추게 함으로써, 클러스터(100)의 경계를 통과하는 특정한 목표물이 진입하는 방향에 상관없이 검출이 가능하다. 그러나, 만약 목표물이 특정한 임계치(Threshold)보다 더 빠르게 움직일 경우에는 해당 목표물을 검출해야하는 경계 센서 노드(10)가 하이버네이션 모드로 있을 수 있으므로 검출이 안될 수도 있다. 따라서, 목표물의 최대 속도인

에 따라 T를 결정해야 한다.T, which is the time for one cycle of all the multiple boundary sensor nodes 10 to be activated alternately,

Are divided into equal intervals. In other words, all edge sensor nodes 10 are every T

Is activated. At this time, one boundary sensor node 10

While remaining active, the other edge sensor node 10 is placed in a hibernation mode. One boundary sensor node 10

Once activated, (N-1)

Keep the hibernation mode for a while. This process is repeated for each of the boundary sensor nodes 10 in the cluster 100 alternately during T. As such, by operating and stopping the boundary sensor nodes 10 fast enough, detection is possible regardless of the direction in which a particular target entering the boundary of the cluster 100 enters. However, if the target moves faster than a certain threshold, the boundary sensor node 10 that needs to detect the target may be in the hibernation mode and thus may not be detected. Therefore, the maximum velocity of the target

T must be determined accordingly.

다음의 [식2]에서는 목표물이 이동하는 최소 경로 길이를

라 하고, 목표물의 속도를 반영하여 T를 산출한다.In [Equation 2], the minimum path length that the target moves

T is calculated by reflecting the speed of the target.

또, 경계 센서 노드(10)가

를 갖는 푸아송(Poisson) 분포로 배치된다고 가정하면, 도 2b에 도시된 경계 센서 노드(10)의 수가 매우 많으므로

는 매우 작고, sin

는 다음의 [식3]와 같다.In addition, the boundary sensor node 10

Assuming a Poisson distribution with, the number of boundary sensor nodes 10 shown in FIG. 2B is very large.

Is very small, sin

Is shown in [Equation 3] below.

[식3]을 통해 다음의 [식4]를 도출할 수 있다.Through Equation 3, the following Equation 4 can be derived.

[식4]에서 N은 다음의 [식5]를 통해 얻을 수 있다.N in [Equation 4] can be obtained through the following [Equation 5].

또, [식2]에 이용된

은 도 2a에 도시된 이웃하는 두 경계 센서 노드(10)의 교차 영역을 목표물이 이동할 때 발생된다. 만약, 이 교차 영역이 작을 경우 목표물 검출 가능성도 따라서 낮아질 것이다. 높은 검출 가능성을 보장하기 위해 교차길이

를 센서 노드의 센싱 영역의 반지름과 같다고 가정한다. 이러한 가정을 통해 다음의 [식6]을 도출할 수 있다.In addition, used in [Equation 2]

Is generated when the target moves through an intersection area of two neighboring boundary sensor nodes 10 shown in FIG. 2A. If this intersection area is small, the likelihood of detecting the target will be lowered accordingly. Cross length to ensure high detectability

Assume that is equal to the radius of the sensing area of the sensor node. Based on these assumptions, the following Equation 6 can be derived.

[식5]를 [식4]에 대입한 후, [식6]을 이용하면 클러스터(100) 내에 분포된 다수의 센서 노드(10)의 밀도를 산출하는 식인 다음의 [식7]을 얻을 수 있다.After substituting [Equation 5] into [Equation 4] and using [Equation 6], the following [Equation 7], which is an equation for calculating the density of the plurality of sensor nodes 10 distributed in the cluster 100, can be obtained. have.

,

클러스터 헤드(30)는 경계 센서 노드(10)에서 목표물이 검출될 때마다 검출수를 증가시켜 저장하고, 검출되지 못하고 놓칠 때마다 손실수를 증가시켜 저장해둔다. 이는 추후에 클러스터 헤드(30)에 다수의 센싱 정보 메시지가 수신되어 이를 처리하게 되었을 때 이용될 평균 처리 시간 및 센싱 정보 메시지의 큐 대기 시간의 산출시에 목표물의 검출 가능성(P)으로서 이용된다.The cluster head 30 increases and stores the number of detections each time a target is detected at the boundary sensor node 10, and stores the number of losses every time it is missed and misses. This is used as the detectability P of the target in calculating the average processing time and queue waiting time of the sensing information message to be used when a plurality of sensing information messages are received and processed by the cluster head 30 later.

다음에 다수의 목표물이 검출되었을 경우에 설정해야 할 클러스터 헤드(30)의 조건들을 산출하는 방법에 대해 [식8] 내지 [식13]에 따라 설명한다.Next, a method of calculating the conditions of the cluster head 30 to be set when a plurality of targets is detected will be described according to [Equation 8] to [Equation 13].

클러스터(100)에서 검출되는 목표물은 다양한 속도 및 방향을 가지고 센싱 지역으로 진입할 수 있다. 예를 들어, 경계 센서 노드(10)가 하나의 목표물이 아닌 다수의 목표물을 검출하여 클러스터 헤드(30)로 다수의 센싱 정보 메시지를 전송할 경우, 클러스터 헤드(30)는 수신되는 다수의 센싱 정보 메시지를 처리하기 위해 큐(Queue)에 저장하여 처리한다. 즉, 몇 개의 경계 센서 노드(10)가 목표물의 존재를 검출한다면, 몇 개의 메시지가 동시에 클러스터 헤드(30)로 보내지게 되고, 그 러면 클러스터 헤드(30)는 순차적으로 수신된 메시지들을 처리하기 자신의 큐로 메시지를 저장해야만 한다. 이러한 상황에서 클러스터 헤드(30)의 센싱 정보 처리 시간 및 메시지의 큐 대기 시간을 산출하기 위해 다음의 [표2]와 같은 변수를 이용한다.The target detected in the cluster 100 may enter the sensing area at various speeds and directions. For example, when the boundary sensor node 10 detects a plurality of targets instead of one target and transmits a plurality of sensing information messages to the cluster head 30, the cluster head 30 receives a plurality of sensing information messages received. It is stored in a queue for processing. That is, if several boundary sensor nodes 10 detect the presence of a target, several messages are sent to the cluster head 30 at the same time, and the cluster head 30 itself then processes the received messages sequentially. The message must be stored in the queue. In this situation, variables such as the following [Table 2] are used to calculate the sensing information processing time of the cluster head 30 and the queue waiting time of the message.

변수variable 설명Explanation

Percentage of target moving to the sensing area

Target detection rate during T

Sensing information processing rate by target M Average number of messages in the system t Average processing time for cluster heads to process sensing information messages

The amount of time that a sensing information message is waiting in the queue

우선, 목표물 개수의 분포는

을 가진 포아송 분포라고 가정한다. 목표물이 T동안 검출될 비율은 다음의 [식8]을 통해 얻을 수 있다.First, the distribution of the number of targets

Assume a Poisson distribution with. The rate at which the target will be detected during T can be obtained from Equation 8 below.

[식8]에서 P는 위에서 언급한 목표물의 검출 가능성으로서, 검출수와 손실수에 의해 산출된다.In Equation 8, P is the detectability of the above-mentioned target, and is calculated from the detected number and the lost number.

본 발명에서는 클러스터 헤드(30)의 큐에서 메시지 도착 비율은 일정하고, 목표물 검출 비율은

와 같다고 가정한다. 오직 하나의 클러스터 헤드(30)가 목표 물 센싱 정보를 처리하기 때문에 이 모델은 단일 서버로 표현한다. M/M/1 큐의 생성-소멸(Birth-Death) 시스템을 사용하면, 생성 비율은

이고, 소멸 비율은 처리율(

)이 된다. 또한, 본 발명에서는 소멸 비율이 일정하고 목표물 집단의 도착 처리가 무한대라고 가정한다. 큐가 k상태(즉, 서버 안에 해당 메시지를 포함하여 대기하고 있는 k개의 메시지를 가지고 있는 상태)에 있을 확률을 계산하기 위해 일반적인 생성-소멸 공식인 다음의 [식9]를 사용한다In the present invention, the message arrival rate in the queue of the cluster head 30 is constant, and the target detection rate is

Assume that Since only one cluster head 30 processes the target water sensing information, this model is represented by a single server. Using the Birth-Death system of the M / M / 1 queue, the generation rate is

And the extinction rate is the throughput (

) Further, in the present invention, it is assumed that the extinction ratio is constant and the arrival processing of the target group is infinite. To calculate the probability that a queue is in k state (i.e. with k messages waiting in the server with the corresponding message), use the following general creation-destruction formula:

또한, 시스템내의 평균 메시지의 수(M)은 다음의 [식10]과 같다.In addition, the average number of messages (M) in the system is as follows.

또, 클러스터 헤드(30)가 센싱 정보 메시지를 처리하는 평균 처리 시간(t)는 [식10]과 다음의 [식11]에 의해 도출된 [식12]를 통해 얻을 수 있다. In addition, the average processing time t during which the cluster head 30 processes the sensing information message can be obtained through Equation 12 derived by Equation 10 and the following Equation 11.

또한, 정보 메시지가 큐에 대기하는 시간(

)는 [식13]을 통해 얻을 수 있다.Also, the amount of time an information message

) Can be obtained from [Equation 13].

이와 같은 방법을 통해 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법은 에너지의 효율적인 소비효과를 얻을 수 있다. 소비되는 에너지의 양에 대해 [식14] 내지 [식18]에 따라 설명한다.Through such a method, the target detection system and the detection method for reducing energy consumption according to the present invention can obtain an efficient consumption effect of energy. The amount of energy consumed will be described according to [Equations 14] to [18].

만약, 모든 경계 센서 노드(10)가 T동안 활성화되어 있다면, 소비되는 에너지(E)는 다음의 [식14]를 통해 얻을 수 있다.If all of the boundary sensor nodes 10 are active for T, the energy consumed E can be obtained from Equation 14 below.

여기서,

는 활성화된 경계 센서 노드(10)에 의해 소비되는 에너지로 727.5mW로 주어진다. 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법에 따라 소비되는 에너지는 다음의 [식15]를 통해 얻을 수 있다.here,

Is the energy consumed by the activated boundary sensor node 10 and is given as 727.5 mW. The energy consumed according to the target detection system and the detection method for reducing energy consumption according to the present invention can be obtained through the following equation (15).

[식15]에서

은 슬립 모드(Sleep Mode)에 있는 경계 센서 노드(10)에 의해 소비되는 에너지로 416.3mW로 주어진다. In [Eq. 15]

Is given by 416.3 mW of energy consumed by the boundary sensor node 10 in sleep mode.

본 발명에 따른 방법이 H. Yang과 B. Sikdar에 의해 제안된 'A protocol for tracking mobile targets using sensor networks(Proceedings of IEEE Workshop on Sensor Network Protocols and Applications, 2003)'에서 제시된 DPT(Distributed Predictive Tracking Algorithm) 알고리즘에 의한 방법과 비교되어 절약된 에너지는 다음의 [식16]을 통해 산출할 수 있다.The method according to the present invention is a Distributed Predictive Tracking Algorithm proposed in 'A protocol for tracking mobile targets using sensor networks (Proceedings of IEEE Workshop on Sensor Network Protocols and Applications, 2003)' proposed by H. Yang and B. Sikdar. Compared to the method by the algorithm, the energy saved can be calculated by the following [Equation 16].

[식16]에서 N은 [식5]를, T는

=r 및 [식2]를 적용시킬 경우, 다음의 [식17]을 도출할 수 있다.In Equation 16, N is Equation 5, T is

When applying = r and [Equation 2], the following [Equation 17] can be derived.

[식17]은 다시 [식7]을 적용시켜 [식18]을 도출할 수 있다.[Equation 17] can be obtained again by applying [Equation 7].

[식18]에서 E와

는 목표물의 속도(

)와 센서 노드의 센싱 영역의 반지름(r), 추적 영역의 반지름(R)에서 차이를 나타낸다.E in Eq. 18

Is the speed of the target (

) And the radius (r) of the sensing area of the sensor node and the radius (R) of the tracking area.

다음에 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법의 성능에 대한 평가를 도 4 내지 도 6에 따라 설명한다.Next, an evaluation of the performance of the target detection system and its detection method for reducing energy consumption according to the present invention will be described with reference to Figs.

도 4는 본 발명에 따른 목표물 속도에 따른 절약되는 에너지를 나타내는 그래프를 도시한 도면이다.4 is a graph showing energy saved according to a target speed according to the present invention.

도 4에서 도시한 바와 같이, [식18]을 통해 산출된 DPT에 비해 절약된 에너지의 양을 알 수 있다. 절약된 에너지의 양은 목표물의 속도를 증가함에 따라 감소된다. 이는 목표물이 빠르게 움직일 경우 경계 센서 노드(10)들도 빠르게 활성화/비활성화 전환을 수행해야 하기 때문에 느린 속도의 목표물과 비교할 때 에너지 소비가 증가하게 된다. 그러나, 여기서 속도가 100m/s까지 이르도록 하였으며, 20~ 30m/s 이하의 일반적인 목표물의 경우에는 절약되는 에너지가 매우 크다는 것을 알 수 있다.As shown in Figure 4, it can be seen the amount of energy saved compared to the DPT calculated through [Equation 18]. The amount of energy saved is reduced as the speed of the target increases. This is because when the target moves fast, the edge sensor nodes 10 must also perform a fast activation / deactivation transition, which increases energy consumption when compared to a slow target. However, here the speed is up to 100m / s, the general target of 20 ~ 30m / s or less can be seen that the energy saved is very large.

도 5는 본 발명에 따른 목표물 수에 따른 검출 확률을 나타내는 그래프를 도시한 도면이다.5 is a graph illustrating a detection probability according to the number of targets according to the present invention.

도 5에서 도시한 바와 같이, 검출 가능성과 목표물의 수의 관계를 알 수 있다. 목표물의 속도 임계치를 10m/s~50m/s로 증가시킴에 따라 검출 가능성은 증가한다. 목표물의 속도가 임계치보다 작을 경우, 순환 시간(T)가 작아지므로 놓치는 목표물의 수가 감소한다. 그러나, 높은 임계 속도에서는 절약된 에너지의 양이 작아진다. 따라서, 경계 센서 노드(10)에서 에너지를 많이 절약시키고, 동시에 검출 가능성을 높이기 위해서는 적절한 기간을 선택해야 한다.As shown in Fig. 5, the relationship between the detectability and the number of targets can be seen. As the speed threshold of the target is increased from 10 m / s to 50 m / s, the detectability increases. When the speed of the target is smaller than the threshold, the cycle time T becomes small, so the number of missed targets is reduced. However, at high critical speeds the amount of energy saved is small. Therefore, in order to save a lot of energy at the edge sensor node 10 and to increase the detectability at the same time, an appropriate period should be selected.

도 6은 본 발명에 따른 지연 시간과 목표물 수와의 관계를 나타내는 그래프를 도시한 도면이다.6 is a graph illustrating a relationship between a delay time and a target number according to the present invention.

도 6에서 도시한 바와 같이, 처리 시간(Delay Time)과 목표물의 속도에 따른 관계를 알 수 있다. 속도를 10m/s에서 40m/s까지 변경시킴에 따라 처리 지연이 천천히 증가한다. 속도가 50m/s일 경우의 처리 지연은 목표물의 수가 90보다 크게 될 때 빠르게 증가한다.As shown in FIG. 6, it is possible to know a relationship depending on the processing time (Delay Time) and the speed of the target. As the speed is changed from 10 m / s to 40 m / s, the processing delay slowly increases. The processing delay when the speed is 50 m / s increases rapidly when the number of targets is greater than 90.

본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법을 통해 센서 네트워크에서의 중요한 제약 사항인 센서들의 에너지 소비 를 줄여 수명을 연장시킬 수 있다. 따라서, 센서를 이용한 다양한 분야의 시스템에서 더욱 효율적이고 경제적으로 센서 네트워크를 구성하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 앞으로 유비쿼터스 사회가 도래함에 따라 센서를 이용한 다양한 시스템이 도래할 것으로 보인다. 센서 네트워크 애플리케이션에서 에너지 효율을 높여주는 본 발명에 따른 기술은 요소 기술로서 많이 이용될 것이다. 앞으로 퍼베이시브 컴퓨팅 분야 및 센서 네트워크를 이용한 다양한 분야에서 적용 가능할 것으로 예상된다.Through the target detection system for reducing energy consumption and the detection method according to the present invention it is possible to extend the life by reducing the energy consumption of the sensor which is an important constraint in the sensor network. Therefore, it is expected to be able to help construct a sensor network more efficiently and economically in systems of various fields using sensors. Also, as the ubiquitous society arrives, various systems using sensors are expected to come. The technique according to the invention, which improves energy efficiency in sensor network applications, will be widely used as element technology. It is expected to be applicable to the pervasive computing field and various fields using the sensor network in the future.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.As mentioned above, although the invention made by this inventor was demonstrated concretely according to the said Example, this invention is not limited to the said Example and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법에 의하면, 센서들이 에너지 소비를 최소화하여 센싱 지역으로 들어온 목표물을 검출하고 추적할 수 있다는 효과가 얻어진다.As described above, according to the target detection system and the detection method for reducing the energy consumption according to the present invention, the effect that the sensors can detect and track the targets entering the sensing area with minimal energy consumption.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법에 의하면, 센서의 수명을 연장시켜 구성한 센서 네트워크를 효율적으로 장기간 유지시킬 수 있다는 효과도 얻어진다.Moreover, according to the target detection system and the detection method for reducing energy consumption which concerns on this invention, the effect that the sensor network comprised by extending the lifetime of a sensor can be efficiently maintained for a long time is also acquired.

또, 본 발명에 따른 에너지 소비를 감소시키기 위한 목표물 검출 시스템 및 그 검출 방법에 의하면, 센서 네트워크에서 센서 노드들을 원형 형태 안에 차례로 짧게 위치시키고, 하나의 경계 센서가 특정 단위 시간 동안 활성화되도록 놓고, 나머지 센서는 하이버네이션 모드로 유지시킴으로써 에너지 소비를 최소화하여 목표물을 검출하고 추적할 수 있다는 효과도 얻어진다.In addition, according to the target detection system and the detection method for reducing the energy consumption according to the present invention, in the sensor network to position the sensor nodes shortly in a circular form in turn, place one boundary sensor to be activated for a specific unit time, By keeping the sensor in hibernation mode, the effect of minimizing energy consumption can be detected and tracked.

Claims

In a system for detecting a moving target by connecting a plurality of sensor nodes having a sensing function, calculation processing and wireless communication capabilities to a cluster-based wireless sensor network,

The cluster is

A plurality of boundary sensor nodes located at the edge of the cluster,

A plurality of non-boundary sensor nodes that are remaining sensor nodes except the plurality of boundary sensor nodes in the cluster,

A cluster head for managing the plurality of sensor nodes in the cluster and receiving a report of detection of the target,

The plurality of non-boundary sensor nodes remain inactive until the target is detected,

And said plurality of boundary sensor nodes alternately maintain activation states one by one and detect whether said target enters said cluster into said cluster.

The method of claim 1,

The time for which each of the boundary sensor nodes remains active is

=

Is computed by the execution of

T is a time for one cycle of alternately activating all of the plurality of edge sensor nodes, and N is the number of the edge sensor nodes.

The method of claim 2,

T is the formula

Is computed by the execution of

remind

Is the minimum path length that the target travels,

Is a maximum speed of the target.

The method of claim 3, wherein

The density of the plurality of sensor nodes distributed in the cluster is

Is computed by the execution of

And r is the radius of the sensing region of the sensor node.

The method of claim 4, wherein

R is the formula

Is derived by the execution of

And d is the distance between two neighboring boundary sensor nodes.

The method of claim 5,

D is the formula

Is computed by the execution of

R is a distance between the inner boundary of the detection area where the boundary sensor node is located and the cluster head.

The method of claim 6,

N is the formula

Is computed by the execution of

S is the area of the detection area, and D is the radius of the cluster.

The method of claim 7, wherein

When the boundary sensor node detects a plurality of targets and transmits a plurality of sensing information messages to the cluster head, the cluster head stores and processes the received plurality of sensing information messages in a queue for processing.

The average processing time for the cluster head to process the sensing information message is

Is computed by the execution of

remind

Is the sensing information processing rate for each target,

Silver expression

Is a variable representing

Is a target detection rate during T. A target detection system for reducing energy consumption.

The method of claim 8,

The time that the sensing information message waits in the queue is

Calculated by the execution of a target detection system for reducing energy consumption.

The method of claim 9,

remind

Expression

Is computed by the execution of

remind

Is the detectability of the target,

Is a proportion of the target moving to the sensing area.

The method of claim 10,

remind

The cluster head is calculated by using the number of detections that are incremented and stored each time a target is detected at the boundary sensor node and the number of losses that are incremented and stored each time they are missed. Target detection system.

Multiple sensor nodes with sensing capabilities, computational processing, and wireless communication capabilities are connected to a cluster-based wireless sensor network that includes multiple edge sensor nodes, multiple non-boundary sensor nodes, and cluster heads located at the edge of the cluster. In the method for detecting a target,

Sending, by the cluster head, the inactive state maintaining instruction to the plurality of non-boundary sensor nodes until the target is detected;

Maintaining each of the plurality of non-boundary sensor nodes in an inactive state according to a received instruction;

The cluster head alternately maintaining an activation state to the plurality of boundary sensor nodes one by one and transmitting an indication of whether the target has entered or not;

Monitoring each of the plurality of boundary sensor nodes in turn to maintain an active state one by one according to a received instruction and to detect whether or not the target is entered;

Transmitting the sensing information to the cluster head by recognizing a target entering the cluster by the boundary sensor node;

And the cluster head processing the received sensing information.

The method of claim 12,

The time for which each of the boundary sensor nodes included in the entry detection indication is kept active is

=

Is computed by the execution of

The method of claim 13,

T is the formula

Is computed by the execution of

remind

Is the minimum path length that the target travels,

Is a maximum speed of the target.

The method of claim 14,

The density of the plurality of sensor nodes distributed in the cluster is

Is computed by the execution of

And r is the radius of the sensing region of the sensor node.

The method of claim 15,

R is the formula

Is derived by the execution of

And d is the distance between two neighboring boundary sensor nodes.

The method of claim 16,

D is the formula

Is computed by the execution of

R is a distance between the inner boundary of the detection area in which the boundary sensor node is located and the cluster head.

The method of claim 17,

N is the formula

Is computed by the execution of

S is the area of the detection area, D is the radius of the cluster, target detection method for reducing energy consumption.

The method of claim 18,

Is computed by the execution of

remind

Is the sensing information processing rate for each target,

Silver expression

Is a variable representing

Is a target detection rate during T. The target detection method for reducing energy consumption.

The method of claim 19,

The time that the sensing information message waits in the queue is

Calculated by the execution of the target detection method for reducing energy consumption.

The method of claim 20,

remind

Expression

Is computed by the execution of

remind

Is the detectability of the target,

Is the ratio of the target moving to the sensing area.

The method of claim 21,

remind

The cluster head is calculated by using the number of detections that are incremented and stored each time a target is detected at the boundary sensor node and the number of losses that are incremented and stored each time they are missed. Target detection method.