KR102489586B1 - Recurrent Neural Network-Based Optimal Sensing Duty Cycle Control Method and Apparatus for Wireless Sensor Networks - Google Patents

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최승희
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Abstract

A recurrent neural network-based optimal sensing duty cycle control method and device in a wireless sensor network are provided. The recurrent neural network-based optimal sensing duty cycle control device in a wireless sensor network provided in the present invention comprises: a data generation unit that generates data for recurrent neural network learning by creating a virtual digital twin using the location of a sensor node for object detection and information on an object movement model detected through the sensor node; a duty cycle calculation unit that calculates a duty cycle mode depending on the moving direction and speed of the object detected through the sensor node; and a recurrent neural network learning unit that predicts an optimal duty cycle mode using the calculated duty cycle mode, whether the object is detected through the sensor node, and the location of the sensor node. Accordingly, object tracking accuracy can be improved.

Description

무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 방법 및 장치{Recurrent Neural Network-Based Optimal Sensing Duty Cycle Control Method and Apparatus for Wireless Sensor Networks}Recurrent Neural Network-Based Optimal Sensing Duty Cycle Control Method and Apparatus for Wireless Sensor Networks}

본 발명은 무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for adjusting an optimal sensing duty cycle based on a recurrent neural network in a wireless sensor network.

무선 센서 네트워크는 센서 노드들 간 애드혹 네트워크를 구성하여 기지국 없이 무선으로 네트워크를 구성하고 데이터를 수집 및 교환하는 기술이다. A wireless sensor network is a technology that configures an ad-hoc network between sensor nodes wirelessly without a base station and collects and exchanges data.

무선 센서 네트워크의 응용 프로그램으로는 네트워크의 객체를 감지 및 추적하는 객체 추적 무선 센서 네트워크가 있다. 객체 추적 무선 센서 네트워크는 실내 및 실외 환경 모두에서 모니터링을 수행할 수 있고 목적에 따라 다양한 객체를 추적할 수 있다. An application of the wireless sensor network is an object tracking wireless sensor network that detects and tracks objects on the network. Object Tracking The wireless sensor network can perform monitoring in both indoor and outdoor environments and can track various objects according to the purpose.

무선 센서 네트워크는 네트워크의 수명을 늘리기 위해 센서 노드의 에너지 효율성을 높이기 위한 기법이 요구된다. 에너지 효율성을 높이기 위해 종래기술에서는 센서 노드가 슬립 모드와 웨이크업 모드를 주기적으로 전환하는 듀티 사이클 방법을 제안하였다. Wireless sensor networks require techniques to increase the energy efficiency of sensor nodes in order to extend the lifespan of the network. In order to increase energy efficiency, prior art has proposed a duty cycle method in which a sensor node periodically switches between a sleep mode and a wakeup mode.

객체 추적 무선 센서 네트워크는 객체 추적의 정확도를 높이는 기법이 요구된다. 듀티 사이클 방법에서 슬립 모드일 경우에는 데이터를 수집이 이루어지지 않는다. 해당 기간 동안 객체가 센싱 반경 안에 있는 경우에는 객체를 감지할 수 없기 때문에 듀티 사이클 방법 적용 시 객체의 이동 경향성 대한 고려가 요구된다. An object tracking wireless sensor network requires a technique to increase the accuracy of object tracking. In the case of sleep mode in the duty cycle method, data is not collected. Since an object cannot be detected if the object is within the sensing radius during the corresponding period, consideration of the movement tendency of the object is required when the duty cycle method is applied.

따라서 객체 추적을 위한 무선 센서 네트워크에서는 요구되는 객체에 대한 감지 요구 조건을 만족하면서도 센서 노드의 에너지 효율성 역시 최대화할 수 있는 듀티 사이클 모드를 선택하는 기법이 필요하다.Therefore, in a wireless sensor network for object tracking, a technique for selecting a duty cycle mode capable of maximizing the energy efficiency of a sensor node while satisfying the required object detection requirements is required.

한국등록특허 제10-2018117호 (2019.08.29)Korean Patent Registration No. 10-2018117 (2019.08.29)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 센서 네트워크 환경에서 센서 노드의 에너지 효율성을 최대화하기 위한 듀티 사이클 모드를 결정하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 또한, 객체 감지를 위한 센서 노드의 위치, 센서 노드를 통해 감지되는 객체 이동 모델의 정보, 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 움직이는 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드 등을 이용하여 최적의 듀티 사이클 모드를 예측하는 순환 신경망 학습 방법 및 장치를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a method and apparatus for determining a duty cycle mode for maximizing energy efficiency of a sensor node in a wireless sensor network environment. In addition, the optimal duty cycle mode is determined by using the position of the sensor node for object detection, the information of the object movement model detected through the sensor node, and the duty cycle mode according to the moving direction and speed of the object detected through the sensor node. It is intended to provide a predictive recurrent neural network learning method and apparatus.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 장치는 객체 감지를 위한 센서 노드의 위치 및 센서 노드를 통해 감지되는 객체 이동 모델의 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하여 순환 신경망 학습을 위한 데이터를 생성하는 데이터 생성부, 상기 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 이동 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드를 계산하는 듀티 사이클 계산부 및 상기 계산된 듀티 사이클 모드 및 센서 노드를 통한 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치를 이용하여 최적의 듀티 사이클 모드를 예측하는 순환 신경망 학습부를 포함한다. In one aspect, the optimal sensing duty cycle control device based on a recurrent neural network in a wireless sensor network proposed in the present invention uses information about the position of a sensor node for object detection and an object movement model sensed through the sensor node to simulate virtual A data generation unit that generates a digital twin of and generates data for recurrent neural network learning, a duty cycle calculator that calculates a duty cycle mode according to the moving direction and speed of an object sensed through the sensor node, and the calculated duty cycle and a recurrent neural network learning unit that predicts an optimal duty cycle mode using the mode and whether an object is detected through the sensor node and the location of the sensor node.

상기 데이터 생성부는 센서 노드의 배치, 객체 이동 모델, 센싱 모델을 포함하는 실제 환경 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하고, 상기 디지털 트윈에서 각각의 센서 노드는 객체 감지 여부, 센서 노드의 위치, 객체 위치, 객체가 센서 노드의 센싱 영역에 들어오는 시간, 객체가 센서 노드의 센싱 영역에서 나가는 시간의 정보를 저장한다. The data generation unit creates a virtual digital twin using real environment information including the arrangement of sensor nodes, an object movement model, and a sensing model, and each sensor node in the digital twin determines whether an object is detected, the location of the sensor node, It stores the object position, the time when the object enters the sensing area of the sensor node, and the time when the object leaves the sensing area of the sensor node.

상기 듀티 사이클 계산부는 객체가 센서 노드의 센싱 영역 내부에 있을 때 객체의 이동 방향 및 속력, 객체가 센서 노드의 센싱 영역을 통과하는데 걸리는 시간의 정보를 이용하여 객체 감지 요구 조건을 충족하는 듀티 사이클을 계산한다. The duty cycle calculation unit calculates a duty cycle that satisfies the object detection requirements by using information on the movement direction and speed of the object and the time required for the object to pass through the sensing area of the sensor node when the object is inside the sensing area of the sensor node. Calculate.

상기 순환 신경망 학습부는 상기 데이터 생성부에서 생성된 디지털 트윈 및 상기 듀티 사이클 계산부에서 계산된 듀티 사이클 모드로부터 추출된 정보를 재구성하는 추출 데이터 재구성부, LSTM(Long short-term memory) 기반의 순환신경망을 이용하여 상기 추출 데이터 재구성부에서 재구성된 데이터에 대한 정답 레이블과 예측 레이블의 차이를 줄이기 위해 크로스 엔트로피 손실 함수를 최소화하도록 가중치를 학습하는 학습부 및 상기 학습부의 학습 결과에 따라 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치에 대한 최적의 듀티 사이클을 예측하는 듀티 사이클 모드 예측부를 포함한다. The recurrent neural network learning unit reconstructs information extracted from the digital twin generated by the data generation unit and the duty cycle mode calculated by the duty cycle calculation unit Extraction data reconstruction unit, LSTM (Long short-term memory) based recurrent neural network A learning unit that learns weights to minimize a cross entropy loss function in order to reduce the difference between the correct label and the predicted label for the data reconstructed by the extraction data reconstructing unit using a learning unit, and whether an object is detected and a sensor according to the learning result of the learning unit and a duty cycle mode predictor for predicting an optimal duty cycle for the location of the node.

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 방법은 데이터 생성부를 통해 객체 감지를 위한 센서 노드의 위치 및 센서 노드를 통해 감지되는 객체 이동 모델의 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하여 순환 신경망 학습을 위한 데이터를 생성하는 단계, 듀티 사이클 계산부가 상기 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 움직이는 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드를 계산하는 단계 및 순환 신경망 학습부가 상기 계산된 듀티 사이클 모드 및 센서 노드를 통한 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치를 이용하여 최적의 듀티 사이클 모드를 예측하는 순환 신경망 학습 단계를 포함한다.In another aspect, the optimal sensing duty cycle control method based on a recurrent neural network in a wireless sensor network proposed in the present invention is a location of a sensor node for object detection through a data generator and an object movement model sensed through the sensor node. Generating a virtual digital twin using information of to generate data for recurrent neural network learning, calculating a duty cycle mode according to the moving direction and speed of an object sensed through the sensor node by a duty cycle calculator, and The recursive neural network training unit predicts an optimal duty cycle mode using the calculated duty cycle mode, whether an object is detected through a sensor node, and a location of a sensor node.

본 발명의 실시예들에 따르면 객체의 이동 속도를 고려하고 객체 감지 요구 조건을 만족하는 듀티 사이클 모드 유도 방법을 통해 에너지 효율성과 객체 추적 정확도를 높인 듀티 사이클 모드를 산출할 수 있으며 이를 통해 네트워크의 수명을 연장시키고 객체 추적 정확도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 현실 환경을 가상의 환경으로 구현한 디지털 트윈을 통해 순환 신경망 학습을 위한 데이터 셋을 추출함으로써, 데이터 셋을 수집하기 위한 시간 및 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 순환 신경망을 통해 네트워크 내부의 센서 노드들의 위치와 각각의 센서 노드들의 객체 감지 여부에 대한 정보를 입력으로 하여 각각의 센서 노드들에 최적화된 듀티 사이클을 예측함으로써, 계산의 복잡성을 줄이고 실시간으로 움직이는 객체에 대한 실제 환경에서의 활용 가능성을 높일 수 있다. According to the embodiments of the present invention, a duty cycle mode with increased energy efficiency and object tracking accuracy can be calculated through a duty cycle mode derivation method that considers the moving speed of an object and satisfies the object detection requirements, and through this, the lifespan of the network and increase object tracking accuracy. In addition, according to embodiments of the present invention, by extracting a data set for learning a recurrent neural network through a digital twin in which a real environment is implemented as a virtual environment, time and cost for collecting a data set can be reduced. In addition, according to the embodiments of the present invention, by predicting the duty cycle optimized for each sensor node by taking information on the location of sensor nodes in the network and whether each sensor node detects an object as input through a recurrent neural network , it can reduce the complexity of calculation and increase the possibility of utilization in the real environment for real-time moving objects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 객체 추적 무선 센서 네트워크 환경에서 미리 정의된 불연속적인 듀티 사이클의 동작 방식, 센서 노드의 세부 영역에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 객체 추적 무선 센서 네트워크 환경에서 객체의 움직임을 고려하여 객체 감지 요구 조건을 충족하는 듀티 사이클 계산 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 신경망 학습을 위해 데이터 생성 단계의 디지털 트윈에서 추출한 정보를 재구성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 신경망을 학습하고 순환 신경망을 통해 듀티 사이클 모드를 예측하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram showing the configuration of an optimal sensing duty cycle adjusting device based on a recurrent neural network in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method for adjusting an optimal sensing duty cycle based on a recurrent neural network in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram for explaining an operating method of a predefined discontinuous duty cycle and a detailed area of a sensor node in an object tracking wireless sensor network environment according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a duty cycle calculation process for satisfying object detection requirements in consideration of object motion in an object tracking wireless sensor network environment according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram for explaining a process of reconstructing information extracted from a digital twin in a data generation step for recurrent neural network learning according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram for explaining a process of learning a recurrent neural network and predicting a duty cycle mode through the recurrent neural network according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예는 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network; WSN) 환경에서 순환 신경망(Recurrent Neural Network; RNN)을 이용하여 센서 노드들의 최적화된 듀티 사이클 모드를 선택하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 센서 네트워크의 센서가 움직이는 객체에 대해서 최소 감지 요구 조건을 만족할 수 있도록 최적의 듀티 사이클을 조절하고, 실제 환경을 반영한 디지털 트윈에서 지도 학습을 사용하는 순환 신경망의 학습 데이터를 생성하며, 디지털 트윈을 통해 추출된 데이터를 이용하여 객체의 움직임에 따라 최적의 듀티 사이클을 예측하는 순환 신경망 모델 구조에 관한 것이다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. An embodiment of the present invention relates to a method for selecting an optimized duty cycle mode of sensor nodes using a Recurrent Neural Network (RNN) in a wireless sensor network (WSN) environment, and more particularly, Adjust the optimal duty cycle so that the sensor of the wireless sensor network can satisfy the minimum detection requirements for moving objects, generate training data of the recurrent neural network using supervised learning in the digital twin reflecting the real environment, and create the digital twin. It relates to a recurrent neural network model structure that predicts an optimal duty cycle according to the motion of an object using data extracted through Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 본 발명에서 주로 사용되는 용어에 대하여 아래와 같이 설명한다. First, terms mainly used in the present invention will be described as follows.

본 발명의 실시예에 따른 듀티 사이클(Duty Cycle)은 웨이크업 모드와 슬립 모드를 주기적으로 전환하는 동작 방식으로 센싱 주기에 대한 웨이크업 모드의 비율로 표현되어 높은 듀티 사이클일수록 웨이크업 모드의 상태가 오래 유지된다.A duty cycle according to an embodiment of the present invention is an operation method of periodically switching between a wakeup mode and a sleep mode, and is expressed as a ratio of a wakeup mode to a sensing period. keep for a long time

본 발명의 실시예에 따른 웨이크업 모드(Wake up mode)는 듀티 사이클 방식을 사용하는 센서 노드가 활성화 되어있는 상태를 의미하며 데이터 수집 및 송수신을 할 수 있다.A wake up mode according to an embodiment of the present invention means a state in which a sensor node using a duty cycle method is activated, and data can be collected and transmitted/received.

본 발명의 실시예에 따른 슬립 모드(Sleep mode)는 듀티 사이클 방식을 사용하는 센서 노드가 비활성화 되어있는 상태를 의미하며 데이터 수집 및 송수신을 할 수 없다. A sleep mode according to an embodiment of the present invention means a state in which a sensor node using a duty cycle method is inactivated, and data collection and transmission/reception cannot be performed.

본 발명의 실시예에 따른 순환 신경망(Recurrent Neural Network; RNN)은 딥 러닝(Deep Learning)의 한 종류로 순차적 데이터 처리에 특화되어 있는 인공 신경망을 의미한다. A recurrent neural network (RNN) according to an embodiment of the present invention is a type of deep learning and refers to an artificial neural network specialized in sequential data processing.

본 발명의 실시예에 따른 센싱 영역(Sensing Area, Sensing Coverage)은 센서 네트워크에서 센서 노드가 정보를 감지할 수 있는 영역을 의미한다.A sensing area (sensing coverage) according to an embodiment of the present invention refers to an area in which a sensor node can sense information in a sensor network.

본 발명의 실시예에 따른 LSTM(Long short-term Memory)는 기본 순환 신경망에서 시퀀스 길이가 길어졌을 때 학습이 원활하지 않은 문제를 완화하도록 고안된 순환 신경망 기법이다.LSTM (Long short-term memory) according to an embodiment of the present invention is a recurrent neural network technique designed to alleviate the problem that learning is not smooth when the sequence length is increased in the basic recurrent neural network.

본 발명의 실시예에 따른 손실 함수(Loss function)는 추정량과 모수의 오차로 발생하는 손실을 의미한다.A loss function according to an embodiment of the present invention means a loss caused by an error between an estimator and a parameter.

본 발명의 실시예에 따른 가중치(Weight)는 딥 러닝에서 모델 학습에 사용하는 매개변수를 의미한다. Weight according to an embodiment of the present invention means a parameter used for model learning in deep learning.

본 발명의 실시예에 따른 크로스 엔트로피(Cross Entropy)는 손실 함수의 한 종류로 입력 데이터에 대해서 출력 데이터 셋의 클래스에 대한 기댓값을 확률로 나타낸다.Cross entropy according to an embodiment of the present invention is a type of loss function and represents an expected value of a class of an output data set with respect to input data as a probability.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 1 is a diagram showing the configuration of an optimal sensing duty cycle adjusting device based on a recurrent neural network in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

제안하는 무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 장치는 데이터 생성부(110), 듀티 사이클 계산부(120) 및 순환 신경망 학습부(130)를 포함한다. In the proposed wireless sensor network, the optimal sensing duty cycle control device based on the recurrent neural network includes a data generator 110, a duty cycle calculator 120, and a recurrent neural network learning unit 130.

본 발명의 실시예에 따른 데이터 생성부(110)는 객체 감지를 위한 복수의 센서 노드(1, 2, ??, ns)의 위치 및 센서 노드를 통해 감지되는 객체 이동 모델의 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈(111)을 생성하여 순환 신경망 학습을 위한 데이터를 생성한다. The data generation unit 110 according to an embodiment of the present invention uses the information of the object movement model sensed through the positions of a plurality of sensor nodes (1, 2, ??, n s ) for object detection and the sensor nodes, A virtual digital twin 111 is created to generate data for learning the recurrent neural network.

본 발명의 실시예에 따른 데이터 생성부(110)는 센서 노드의 배치, 객체 이동 모델, 센싱 모델을 포함하는 실제 환경 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈(111)을 생성한다. 생성된 디지털 트윈에서 각각의 센서 노드는 객체 감지 여부(

Figure 112021111824981-pat00001
), 센서 노드의 위치(
Figure 112021111824981-pat00002
), 객체 위치(
Figure 112021111824981-pat00003
), 객체가 센서 노드의 센싱 영역에 들어오는 시간(
Figure 112021111824981-pat00004
), 객체가 센서 노드의 센싱 영역에서 나가는 시간(
Figure 112021111824981-pat00005
)의 정보를 저장한다. The data generator 110 according to an embodiment of the present invention creates a virtual digital twin 111 by using real environment information including an arrangement of sensor nodes, an object movement model, and a sensing model. In the created digital twin, each sensor node determines whether an object is detected (
Figure 112021111824981-pat00001
), the position of the sensor node (
Figure 112021111824981-pat00002
), object location (
Figure 112021111824981-pat00003
), the time the object enters the sensing area of the sensor node (
Figure 112021111824981-pat00004
), the time the object leaves the sensing area of the sensor node (
Figure 112021111824981-pat00005
) to store the information.

본 발명의 실시예에 따른 듀티 사이클 계산부(120)는 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 이동 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드(

Figure 112021111824981-pat00006
)를 계산하고, 이때 감지되는 객체의 이동 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 계산에는 객체 감지 요구 조건(
Figure 112021111824981-pat00007
)을 고려한 값을 제공한다. The duty cycle calculation unit 120 according to an embodiment of the present invention is a duty cycle mode according to the moving direction and speed of an object detected through a sensor node (
Figure 112021111824981-pat00006
) is calculated, and the object detection requirement (
Figure 112021111824981-pat00007
) is provided.

본 발명의 실시예에 따른 듀티 사이클 계산부(120)는 객체가 센서 노드의 센싱 영역 내부에 있을 때 객체의 이동 방향 및 속력, 객체가 센서 노드의 센싱 영역을 통과하는데 걸리는 시간의 정보를 이용하여 객체 감지 요구 조건을 충족하는 듀티 사이클을 계산한다. 본 발명의 실시예에 따른 객체 감지 요구 조건을 고려한 듀티 사이클 계산 과정은 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. The duty cycle calculation unit 120 according to an embodiment of the present invention uses information on the moving direction and speed of the object when the object is inside the sensing area of the sensor node and the time required for the object to pass through the sensing area of the sensor node. Calculate the duty cycle that meets the object detection requirements. A duty cycle calculation process in consideration of object detection requirements according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 4 .

본 발명의 실시예에 따른 순환 신경망 학습부(130)는 계산된 듀티 사이클 모드 및 센서 노드를 통한 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치를 이용하여 최적의 듀티 사이클 모드를 예측한다. The recurrent neural network learning unit 130 according to an embodiment of the present invention predicts an optimal duty cycle mode using the calculated duty cycle mode, whether an object is detected through a sensor node, and the location of the sensor node.

본 발명의 실시예에 따른 순환 신경망 학습부(130)는 추출 데이터 재구성부(131), 학습부(132) 및 듀티 사이클 모드 예측부(133)를 포함한다. The recurrent neural network learning unit 130 according to an embodiment of the present invention includes an extraction data reconstruction unit 131, a learning unit 132, and a duty cycle mode prediction unit 133.

본 발명의 실시예에 따른 순환 신경망 학습부(130)는 객체 감지 여부, 센서 노드의 위치를 입력으로 했을 때 최적의 듀티 사이클 모드를 예측하기 위한 순환 신경망 학습을 위해 데이터 생성부에서 저장한 데이터를 목적에 맞게 재구성한다. 재구성된 데이터를 이용하여 순환 신경망을 학습하고 순환 신경망을 통해 최적의 듀티 사이클 모드를 예측할 수 있다. The recurrent neural network learning unit 130 according to an embodiment of the present invention uses the data stored in the data generator for learning the recurrent neural network to predict the optimal duty cycle mode when an object is detected and the location of a sensor node is input. Reorganize for purpose. A recurrent neural network can be learned using the reconstructed data, and an optimal duty cycle mode can be predicted through the recurrent neural network.

본 발명의 실시예에 따른 추출 데이터 재구성부(131)는 데이터 생성부(110)에서 생성된 디지털 트윈 및 상기 듀티 사이클 계산부(120)에서 계산된 듀티 사이클 모드로부터 추출된 정보를 재구성한다. The extraction data reconstruction unit 131 according to an embodiment of the present invention reconstructs information extracted from the digital twin generated by the data generator 110 and the duty cycle mode calculated by the duty cycle calculator 120.

본 발명의 실시예에 따른 학습부(132) 는 LSTM(Long short-term memory) 기반의 순환신경망을 이용하여 상기 추출 데이터 재구성부에서 재구성된 데이터에 대한 정답 레이블과 예측 레이블의 차이를 줄이기 위해 크로스 엔트로피 손실 함수를 최소화하도록 가중치를 학습한다. The learning unit 132 according to an embodiment of the present invention uses a long short-term memory (LSTM)-based recurrent neural network to reduce the difference between the correct answer label and the prediction label for the data reconstructed in the extraction data reconstruction unit. We learn the weights to minimize the entropy loss function.

본 발명의 실시예에 따른 듀티 사이클 모드 예측부(133)는 학습부(132)의 학습 결과에 따라 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치에 대한 최적의 듀티 사이클을 예측한다. 본 발명의 실시예에 따른 추출 데이터 재구성 과정은 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.The duty cycle mode predictor 133 according to an embodiment of the present invention predicts whether an object is detected and an optimal duty cycle for the location of a sensor node according to the learning result of the learning unit 132 . An extraction data reconstruction process according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 5 .

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 2 is a flowchart illustrating a method for adjusting an optimal sensing duty cycle based on a recurrent neural network in a wireless sensor network according to an embodiment of the present invention.

제안하는 무선 센서 네트워크에서 순환 신경망 기반의 최적의 센싱 듀티 사이클 조절 방법은 데이터 생성부를 통해 객체 감지를 위한 센서 노드의 위치 및 센서 노드를 통해 감지되는 객체 이동 모델의 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하여 순환 신경망 학습을 위한 데이터를 생성하는 단계(210), 듀티 사이클 계산부가 상기 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 움직이는 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드를 계산하는 단계(220) 및 순환 신경망 학습부가 상기 계산된 듀티 사이클 모드 및 센서 노드를 통한 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치를 이용하여 최적의 듀티 사이클 모드를 예측하는 순환 신경망 학습 단계(230)를 포함한다. In the proposed wireless sensor network, the recurrent neural network-based optimal sensing duty cycle control method creates a virtual digital twin using the location of the sensor node for object detection through the data generator and the information of the object movement model detected through the sensor node. generating data for recurrent neural network learning (210), a duty cycle calculation unit calculating a duty cycle mode according to the moving direction and speed of an object detected through the sensor node (220), and a recurrent neural network learning unit A recurrent neural network learning step 230 of predicting an optimal duty cycle mode using the calculated duty cycle mode, whether an object is detected through a sensor node, and the location of the sensor node is included.

단계(210)에서, 데이터 생성부를 통해 객체 감지를 위한 센서 노드의 위치 및 센서 노드를 통해 감지되는 객체 이동 모델의 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하여 순환 신경망 학습을 위한 데이터를 생성한다. In step 210, a virtual digital twin is created using the information of the location of the sensor node for object detection and the object movement model sensed through the sensor node through the data generator to generate data for learning the recurrent neural network.

본 발명의 실시예에 따른 데이터 생성부는 센서 노드의 배치, 객체 이동 모델, 센싱 모델을 포함하는 실제 환경 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성한다. 생성된 디지털 트윈에서 각각의 센서 노드는 객체 감지 여부, 센서 노드의 위치, 객체 위치, 객체가 센서 노드의 센싱 영역에 들어오는 시간, 객체가 센서 노드의 센싱 영역에서 나가는 시간의 정보를 저장한다. The data generation unit according to an embodiment of the present invention creates a virtual digital twin using real environment information including an arrangement of sensor nodes, an object movement model, and a sensing model. In the created digital twin, each sensor node stores information on whether an object is detected, the location of the sensor node, the location of the object, the time when the object enters the sensing area of the sensor node, and the time when the object leaves the sensing area of the sensor node.

본 발명의 실시예에 따른 듀티 사이클 계산부는 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 이동 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드를 계산하고, 이때 감지되는 객체의 이동 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 계산에는 객체 감지 요구 조건을 고려한 값을 제공한다. The duty cycle calculation unit according to an embodiment of the present invention calculates a duty cycle mode according to the moving direction and speed of the object detected through the sensor node, and the duty cycle calculation according to the moving direction and speed of the object detected requires object detection. Provides a value considering conditions.

단계(220)에서, 듀티 사이클 계산부가 상기 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 움직이는 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드를 계산한다. In step 220, the duty cycle calculation unit calculates a duty cycle mode according to the moving direction and speed of the object sensed through the sensor node.

본 발명의 실시예에 따른 듀티 사이클 계산부는 객체가 센서 노드의 센싱 영역 내부에 있을 때 객체의 이동 방향 및 속력, 객체가 센서 노드의 센싱 영역을 통과하는데 걸리는 시간의 정보를 이용하여 객체 감지 요구 조건을 충족하는 듀티 사이클을 계산한다. The duty cycle calculation unit according to an embodiment of the present invention, when the object is inside the sensing area of the sensor node, uses information on the movement direction and speed of the object and the time it takes for the object to pass through the sensing area of the sensor node to meet the object detection requirements. Calculate the duty cycle that satisfies

단계(230)에서, 순환 신경망 학습부가 상기 계산된 듀티 사이클 모드 및 센서 노드를 통한 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치를 이용하여 최적의 듀티 사이클 모드를 예측한다. In step 230, the recurrent neural network learning unit predicts an optimal duty cycle mode using the calculated duty cycle mode, whether an object is detected through a sensor node, and the location of the sensor node.

본 발명의 실시예에 따른 순환 신경망 학습부는 추출 데이터 재구성부, 학습부 및 듀티 사이클 모드 예측부를 포함한다. The recurrent neural network learning unit according to an embodiment of the present invention includes an extraction data reconstruction unit, a learning unit, and a duty cycle mode prediction unit.

본 발명의 실시예에 따른 순환 신경망 학습부는 객체 감지 여부, 센서 노드의 위치를 입력으로 했을 때 최적의 듀티 사이클 모드를 예측하기 위한 순환 신경망 학습을 위해 데이터 생성부에서 저장한 데이터를 목적에 맞게 재구성한다. 본 발명의 실시예에 따른 추출 데이터 재구성 과정은 도 5를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 재구성된 데이터를 이용하여 순환 신경망을 학습하고 순환 신경망을 통해 최적의 듀티 사이클 모드를 예측할 수 있다. The recurrent neural network learning unit according to an embodiment of the present invention reorganizes the data stored in the data generator to suit the purpose for learning the recurrent neural network to predict the optimal duty cycle mode when an object is detected and the location of the sensor node is input. do. An extraction data reconstruction process according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 5 . A recurrent neural network can be learned using the reconstructed data, and an optimal duty cycle mode can be predicted through the recurrent neural network.

본 발명의 실시예에 따른 단계(230)는 상기 순환 신경망 학습부의 추출 데이터 재구성부를 통해, 상기 데이터 생성부에서 생성된 디지털 트윈 및 상기 듀티 사이클 계산부에서 계산된 듀티 사이클 모드로부터 추출된 정보를 재구성하는 단계, 상기 순환 신경망 학습부의 학습부를 통해, LSTM(Long short-term memory) 기반의 순환신경망을 이용하여 상기 추출 데이터 재구성부에서 재구성된 데이터에 대한 정답 레이블과 예측 레이블의 차이를 줄이기 위해 크로스 엔트로피 손실 함수를 최소화하도록 가중치를 학습하는 단계 및 상기 순환 신경망 학습부의 듀티 사이클 모드 예측부를 통해, 상기 학습부의 학습 결과에 따라 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치에 대한 최적의 듀티 사이클을 예측하는 단계를 포함한다. Step 230 according to an embodiment of the present invention reconstructs information extracted from the digital twin generated by the data generator and the duty cycle mode calculated by the duty cycle calculator through the extraction data reconstruction unit of the recurrent neural network learning unit. Cross entropy to reduce the difference between the correct answer label and the predicted label for the data reconstructed in the extraction data reconstruction unit using a long short-term memory (LSTM) based recurrent neural network through the learning unit of the recurrent neural network learning unit. Learning weights to minimize a loss function and predicting an optimal duty cycle for the location of a sensor node and whether an object is detected according to a learning result of the learning unit through a duty cycle mode prediction unit of the recurrent neural network learning unit. do.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 객체 추적 무선 센서 네트워크 환경에서 미리 정의된 불연속적인 듀티 사이클의 동작 방식, 센서 노드의 세부 영역에 대해 설명하기 위한 도면이다. 3 is a diagram for explaining an operation method of a predefined discontinuous duty cycle and a detailed area of a sensor node in an object tracking wireless sensor network environment according to an embodiment of the present invention.

도3(a)를 참조하면, 듀티 사이클 모드는 사전에 정의된 0~(

Figure 112021111824981-pat00008
)의
Figure 112021111824981-pat00009
개의 불연속적인 모드로 구분한다. 모드가
Figure 112021111824981-pat00010
인 센서 노드의 센싱 주기(
Figure 112021111824981-pat00011
)(311)는 웨이크업 모드 기간(
Figure 112021111824981-pat00012
)(312), 슬립 모드 기간(
Figure 112021111824981-pat00013
)(313)으로 구성된다. 고정된 웨이크업 모드 기간(
Figure 112021111824981-pat00014
)(312)을 사용하고 선택된 모드에 따라 슬립 모드 기간(
Figure 112021111824981-pat00015
)(313)을 조절한다. 따라서 모드가
Figure 112021111824981-pat00016
일 때 듀티 사이클은 수학식 1로 나타낼 수 있다: Referring to Figure 3 (a), the duty cycle mode is predefined 0 ~ (
Figure 112021111824981-pat00008
)of
Figure 112021111824981-pat00009
divided into two discrete modes. mode is
Figure 112021111824981-pat00010
The sensing cycle of the sensor node (
Figure 112021111824981-pat00011
) 311 is the wake-up mode period (
Figure 112021111824981-pat00012
) 312, sleep mode period (
Figure 112021111824981-pat00013
) (313). Fixed wakeup mode duration (
Figure 112021111824981-pat00014
) 312 and depending on the selected mode, the sleep mode period (
Figure 112021111824981-pat00015
) (313). So the mode is
Figure 112021111824981-pat00016
When , the duty cycle can be expressed as Equation 1:

수학식 1Equation 1

Figure 112021111824981-pat00017
Figure 112021111824981-pat00017

수학식 1의

Figure 112021111824981-pat00018
의 선택된 모드
Figure 112021111824981-pat00019
Figure 112021111824981-pat00020
에 가까울수록 슬립 모드 기간(
Figure 112021111824981-pat00021
)(313)의 길이가 길어져 낮은 듀티 사이클이 되고, 0에 가까울수록 슬립 모드 기간(
Figure 112021111824981-pat00022
)(313)의 길이가 짧아져 높은 듀티 사이클이 되며 0인 경우에는 센서 노드를 항상 웨이크업 모드로 유지한다. of Equation 1
Figure 112021111824981-pat00018
selected mode of
Figure 112021111824981-pat00019
go
Figure 112021111824981-pat00020
The closer to , the sleep mode period (
Figure 112021111824981-pat00021
) 313 becomes longer, resulting in a lower duty cycle, and the closer to 0, the sleep mode period (
Figure 112021111824981-pat00022
) 313 is shortened, resulting in a high duty cycle, and when it is 0, the sensor node is always maintained in a wakeup mode.

도 3(b)를 참조하면, 센서 노드 각각의 세부 영역은 센서 노드가 객체를 감지할 수 있는 센싱 영역(321), 객체가 센싱 영역 밖에 있어 감지할 수는 없지만 일정 거리 안에 있는 불확실한 영역(322), 불확실한 영역의 바깥 영역(323)으로 구성된다. Referring to FIG. 3(b), the detailed areas of each sensor node include a sensing area 321 where the sensor node can detect an object, and an uncertain area 322 that cannot be detected because the object is outside the sensing area but is within a certain distance. ), and an area 323 outside the uncertain area.

도 3(c)를 참조하여 객체의 위치에 따른 센서 노드의 센싱 주기(

Figure 112021111824981-pat00023
)와 듀티 사이클 모드의 관계를 설명한다. 객체의 위치와 객체가 센서 노드의 영역을 지나가는 속도에 따라 각각의 센서 노드의 듀티 사이클 모드를 결정한다. 객체가 센서 노드의 바깥 영역(323)에 있는 경우에는 가장 낮은 듀티 사이클의 주기(
Figure 112021111824981-pat00024
)(333)를 선택한다. 객체가 센서 노드의 불확실한 영역(322)에 있는 경우에는 약간 높은 듀티 사이클이지만 여전히 낮은 듀티 사이클의 주기(
Figure 112021111824981-pat00025
)(332)를 선택한다. 객체가 센서 노드의 센싱 영역 안(321)에 있는 경우에는 객체가 센싱 영역을 통과하는 속도에 따라서
Figure 112021111824981-pat00026
에서
Figure 112021111824981-pat00027
사이의 듀티 사이클 모드(331)를 선택한다. Referring to FIG. 3(c), the sensing period of the sensor node according to the position of the object (
Figure 112021111824981-pat00023
) and the duty cycle mode are explained. The duty cycle mode of each sensor node is determined according to the position of the object and the speed at which the object passes through the area of the sensor node. If the object is in the outer region 323 of the sensor node, the period of the lowest duty cycle (
Figure 112021111824981-pat00024
) (333). If the object is in the uncertain region 322 of the sensor node, a slightly higher duty cycle but still a period of a lower duty cycle (
Figure 112021111824981-pat00025
) (332). If the object is in the sensing area 321 of the sensor node, according to the speed at which the object passes through the sensing area
Figure 112021111824981-pat00026
at
Figure 112021111824981-pat00027
selects the duty cycle mode 331 between

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 객체 추적 무선 센서 네트워크 환경에서 객체의 움직임을 고려하여 객체 감지 요구 조건을 충족하는 듀티 사이클 계산 과정을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram for explaining a duty cycle calculation process for satisfying object detection requirements in consideration of object motion in an object tracking wireless sensor network environment according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 객체가 센싱 영역(413) 내부에 있을 때 객체 이동 방향(411)과 객체 이동 속도(412)를 나타낸 것이다. 객체가 센싱 영역을 통과하는 시간을 수학식 2로 나타낼 수 있다: Referring to FIG. 4 , an object moving direction 411 and an object moving speed 412 when the object is inside the sensing area 413 are shown. The time for an object to pass through the sensing region can be expressed as Equation 2:

수학식 2Equation 2

Figure 112021111824981-pat00028
Figure 112021111824981-pat00028

수학식 2의

Figure 112021111824981-pat00029
은 객체가 센싱 영역을 나오는 시간,
Figure 112021111824981-pat00030
는 객체가 센싱 영역을 들어가는 시간으로 그 차인
Figure 112021111824981-pat00031
는 객체가 센서 노드
Figure 112021111824981-pat00032
의 센싱 영역을 통과하는데 소요되는 시간이다. of Equation 2
Figure 112021111824981-pat00029
is the time the object leaves the sensing area,
Figure 112021111824981-pat00030
is the time the object enters the sensing region, the difference
Figure 112021111824981-pat00031
If the object is a sensor node
Figure 112021111824981-pat00032
is the time required to pass through the sensing region of

본 발명의 실시예에 따르면, 객체가 센싱 영역을 지나가는 시간

Figure 112021111824981-pat00033
Figure 112021111824981-pat00034
보다 같거나 큰 경우(41)에는 수학식 3에 의해 듀티 사이클 모드 주기의 길이가 결정된다: According to an embodiment of the present invention, the time the object passes the sensing area
Figure 112021111824981-pat00033
go
Figure 112021111824981-pat00034
In the case of greater than or equal to (41), the length of the duty cycle mode period is determined by Equation 3:

수학식 3Equation 3

Figure 112021111824981-pat00035
Figure 112021111824981-pat00035

객체가 센싱 영역 안에 있는 동안 센서는 최대

Figure 112021111824981-pat00036
에 한 번은 객체가 감지될 수 있도록 듀티 사이클 모드(431)를 선택한다. 따라서 객체가 센싱 영역에 들어왔을 때 가장 낮은 듀티 사이클 주기인
Figure 112021111824981-pat00037
은 수학식 3에 의해서 결정된다.While an object is within the sensing area, the sensor
Figure 112021111824981-pat00036
Select the duty cycle mode 431 so that an object can be detected once in . Therefore, when an object enters the sensing area, the lowest duty cycle period
Figure 112021111824981-pat00037
Is determined by Equation 3.

본 발명의 실시예에 따르면, 객체가 센싱 영역을 지나가는 시간

Figure 112021111824981-pat00038
Figure 112021111824981-pat00039
보다 같거나 긴 시간 동안 소요되는 경우(422)에는 요구되는 감지 요구 조건
Figure 112021111824981-pat00040
을 만족해야 하며 이를 충족하는 최소 듀티 사이클 모드(432)를 갖게 된다. According to an embodiment of the present invention, the time the object passes the sensing area
Figure 112021111824981-pat00038
go
Figure 112021111824981-pat00039
If it takes the same or longer time (422), the required detection requirement
Figure 112021111824981-pat00040
must be satisfied and will have the minimum duty cycle mode 432 that satisfies this.

본 발명의 실시예에 따르면, 객체가 센서 노드의 센싱 영역을 지나가는 시간

Figure 112021111824981-pat00041
Figure 112021111824981-pat00042
보다 작은 경우(421)에는 최소 감지 요구 조건
Figure 112021111824981-pat00043
을 만족해야 하고 이는 매우 높은 듀티 사이클 모드(431)를 갖게 된다. According to an embodiment of the present invention, the time the object passes the sensing area of the sensor node
Figure 112021111824981-pat00041
go
Figure 112021111824981-pat00042
If less than (421), the minimum detection requirement
Figure 112021111824981-pat00043
must satisfy and this will have a very high duty cycle mode (431).

따라서, 객체가 센서 노드

Figure 112021111824981-pat00044
의 센싱 영역을 통과하는 시간
Figure 112021111824981-pat00045
에 따른 최소 객체 감지 요구 조건은 수학식 4에 의해 결정된다: Therefore, if the object is a sensor node
Figure 112021111824981-pat00044
time to pass through the sensing area of
Figure 112021111824981-pat00045
The minimum object detection requirement according to is determined by Equation 4:

수학식 4Equation 4

Figure 112021111824981-pat00046
Figure 112021111824981-pat00046

수학식 4에서

Figure 112021111824981-pat00047
은 센서 노드
Figure 112021111824981-pat00048
의 최소 객체 감지 요구 조건이다. 객체가 센서 노드
Figure 112021111824981-pat00049
의 센싱 영역을 통과할 때 감지 요구 조건을 만족하는 최대 센싱 주기
Figure 112021111824981-pat00050
는 수학식 5에 의해 결정된다: in Equation 4
Figure 112021111824981-pat00047
silver sensor node
Figure 112021111824981-pat00048
is the minimum object detection requirement of object is a sensor node
Figure 112021111824981-pat00049
The maximum sensing period that satisfies the sensing requirements when passing through the sensing area of
Figure 112021111824981-pat00050
is determined by Equation 5:

수학식 5Equation 5

Figure 112021111824981-pat00051
Figure 112021111824981-pat00051

따라서 최적의 듀티 사이클 모드(

Figure 112021111824981-pat00052
)는 수학식 6에 의해 결정된다: Therefore, the optimal duty cycle mode (
Figure 112021111824981-pat00052
) is determined by Equation 6:

수학식 6Equation 6

Figure 112021111824981-pat00053
Figure 112021111824981-pat00053

최대 센싱 주기

Figure 112021111824981-pat00054
Figure 112021111824981-pat00055
보다 작은 경우에는 모드 0을 선택하여 항상 웨이크업 모드 상태를 유지한다. 최대 센싱 주기
Figure 112021111824981-pat00056
Figure 112021111824981-pat00057
Figure 112021111824981-pat00058
사이인 경우에는 짧은 센싱 주기인 모드
Figure 112021111824981-pat00059
을 선택한다. 수학식 6을 통해 계산된 최적의 듀티 사이클 모드(
Figure 112021111824981-pat00060
)가 객체 감지 요구 조건(
Figure 112021111824981-pat00061
)을 만족하는 것을 수학식 7을 통해 확인할 수 있다: max sensing cycle
Figure 112021111824981-pat00054
go
Figure 112021111824981-pat00055
If it is less than , mode 0 is selected to always maintain the wakeup mode state. max sensing cycle
Figure 112021111824981-pat00056
go
Figure 112021111824981-pat00057
class
Figure 112021111824981-pat00058
, the short sensing cycle mode
Figure 112021111824981-pat00059
Choose The optimal duty cycle mode calculated through Equation 6 (
Figure 112021111824981-pat00060
) is the object detection requirement (
Figure 112021111824981-pat00061
) can be confirmed through Equation 7:

수학식 7Equation 7

Figure 112021111824981-pat00062
Figure 112021111824981-pat00062

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 신경망 학습을 위해 데이터 생성 단계의 디지털 트윈에서 추출한 정보를 재구성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a diagram for explaining a process of reconstructing information extracted from a digital twin in a data generation step for recurrent neural network learning according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 데이터 생성 단계에서 저장한 센서 노드의 위치 (

Figure 112021111824981-pat00063
), 센서 노드의 객체 감지 여부(
Figure 112021111824981-pat00064
)를 순환 신경망의 입력으로 사용한다. 객체 감지 여부(
Figure 112021111824981-pat00065
)는 객체가 감지된 경우에는 1, 감지되지 않은 경우에는 0의 이진 정보로 구성된다. 각각의 타임 스텝
Figure 112021111824981-pat00066
에서 입력 타임 스텝 벡터는
Figure 112021111824981-pat00067
로 구성된다.
Figure 112021111824981-pat00068
은 학습 영역에 있는 센서들의 수를 의미한다. The location of the sensor node stored in the data generation step according to the embodiment of the present invention (
Figure 112021111824981-pat00063
), whether the sensor node detects an object (
Figure 112021111824981-pat00064
) is used as the input of the recurrent neural network. Object detection (
Figure 112021111824981-pat00065
) is composed of binary information of 1 when the object is detected and 0 when the object is not detected. each time step
Figure 112021111824981-pat00066
where the input time step vector is
Figure 112021111824981-pat00067
consists of
Figure 112021111824981-pat00068
denotes the number of sensors in the learning area.

도 5와 수학식 8을 참조하여 순환 신경망 학습에 사용되는 최대 센싱 주기

Figure 112021111824981-pat00069
Figure 112021111824981-pat00070
로 수정하여 사용한다: Referring to FIG. 5 and Equation 8, the maximum sensing period used for learning the recurrent neural network
Figure 112021111824981-pat00069
cast
Figure 112021111824981-pat00070
Modify to use:

수학식 8Equation 8

Figure 112021111824981-pat00071
Figure 112021111824981-pat00071

수학식 8은 순환 신경망의 입력으로 사용되는 센서 노드의 위치(

Figure 112021111824981-pat00072
)와 센서 노드의 객체 감지 여부(
Figure 112021111824981-pat00073
)는 실용적이지만 객체가 센싱 영역을 통과하는 시간을 명확히 추정하기에는 어려울 수 있다는 점을 고려한다. 따라서 수학식 8에서
Figure 112021111824981-pat00074
는 순환 신경망 학습 데이터 생성 시 사용되는 최대 센싱 주기이고
Figure 112021111824981-pat00075
의 범위를 갖는 센싱 주기 마진
Figure 112021111824981-pat00076
을 이용하여 최대 센싱 주기를 보수적으로 설정한다. 수학식 8을 참조하여 순환신경망 학습 단계에 사용되는 최적의 듀티 사이클 모드(
Figure 112021111824981-pat00077
)는 [수학식 9]의
Figure 112021111824981-pat00078
로 수정되어 사용된다: Equation 8 is the position of the sensor node used as an input of the recurrent neural network (
Figure 112021111824981-pat00072
) and whether the sensor node detects an object (
Figure 112021111824981-pat00073
) is practical, but consider that it may be difficult to unequivocally estimate the time an object passes through the sensing region. Therefore, in Equation 8
Figure 112021111824981-pat00074
is the maximum sensing period used when generating recurrent neural network training data, and
Figure 112021111824981-pat00075
Sensing cycle margin with a range of
Figure 112021111824981-pat00076
Set the maximum sensing period conservatively using . Referring to Equation 8, the optimal duty cycle mode used in the recurrent neural network learning step (
Figure 112021111824981-pat00077
) of [Equation 9]
Figure 112021111824981-pat00078
Modified to use:

수학식 9Equation 9

Figure 112021111824981-pat00079
Figure 112021111824981-pat00079

본 발명의 실시예에 따르면, 순환 신경망의 입력 데이터 셋(

Figure 112021111824981-pat00080
)(510)은 입력 타임 스텝 벡터
Figure 112021111824981-pat00081
개를 하나의 데이터(511)로 간주한다. 이에 상응하는 출력 데이터 셋(
Figure 112021111824981-pat00082
)(520)는 수학식 9를 참조하여 타임 스텝
Figure 112021111824981-pat00083
에서 각각의 센서 노드들에 최적의 듀티 사이클 모드(521)로 구성된다. 순환 신경망 데이터 셋은
Figure 112021111824981-pat00084
개(522)의 데이터로 구성된다. According to an embodiment of the present invention, the input data set of the recurrent neural network (
Figure 112021111824981-pat00080
) 510 is the input time step vector
Figure 112021111824981-pat00081
A dog is regarded as one piece of data 511 . The corresponding output data set (
Figure 112021111824981-pat00082
) 520 is the time step with reference to Equation 9
Figure 112021111824981-pat00083
It is composed of an optimal duty cycle mode 521 for each sensor node in . The recurrent neural network data set is
Figure 112021111824981-pat00084
It consists of data of dog 522.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 신경망을 학습하고 순환 신경망을 통해 듀티 사이클 모드를 예측하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.6 is a diagram for explaining a process of learning a recurrent neural network and predicting a duty cycle mode through the recurrent neural network according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따르면, LSTM(Long short-term memory) 기반의 순환신경망(610)은 정답 레이블(611)과 모델을 통한 예측 레이블(612)의 차이를 줄이기 위해 크로스 엔트로피 손실 함수(

Figure 112021111824981-pat00085
)를 최소화하는 방향으로 가중치(
Figure 112021111824981-pat00086
)를 학습한다. According to an embodiment of the present invention, a long short-term memory (LSTM) based recurrent neural network 610 uses a cross entropy loss function (
Figure 112021111824981-pat00085
) in the direction of minimizing the weight (
Figure 112021111824981-pat00086
) to learn.

본 발명은 무선 센서 네트워크 환경에서 순환 신경망을 이용하여 센서 노드들의 최적화된 듀티 사이클 모드를 선택하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 센서 네트워크의 센서가 움직이는 객체에 대해서 최소 감지 요구 조건을 만족할 수 있도록 최적의 듀티 사이클을 조절하고, 디지털 트윈에서 순환 신경망의 학습 데이터를 생성하며, 최적의 듀티 사이클을 예측할 수 있도록 순환 신경망을 학습하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for selecting an optimized duty cycle mode of sensor nodes using a recurrent neural network in a wireless sensor network environment, and more particularly, to a sensor of a wireless sensor network that satisfies a minimum detection requirement for a moving object. It relates to a method for adjusting an optimal duty cycle to be satisfied, generating learning data of a recurrent neural network in a digital twin, and learning a recurrent neural network to predict an optimal duty cycle.

본 발명의 실시예에 따르면, 객체의 위치, 객체의 이동 속도 등을 고려하고 객체 감지 요구 조건을 만족할 수 있는 듀티 사이클 유도 방법을 제공하여 에너지 효율성을 최대화하고 객체 추적의 정확도를 높일 수 있다. 추가적으로 실제 환경을 반영한 가상의 디지털 트윈을 이용하여 학습에 필요한 시간 및 비용을 크게 감소할 수 있고, 순환 신경망을 통해 다중 객체 및 다양한 센서 네트워크 환경에 대해서도 효과적으로 최적의 듀티 사이클을 예측할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to maximize energy efficiency and increase object tracking accuracy by providing a duty cycle derivation method capable of satisfying an object detection requirement by considering the position of an object, the movement speed of the object, and the like. In addition, the time and cost required for learning can be greatly reduced by using a virtual digital twin that reflects the real environment, and the optimal duty cycle can be effectively predicted for multi-object and various sensor network environments through a recurrent neural network.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.  또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.  이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.  예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.  또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The devices described above may be implemented as hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. A processing device may run an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of software. For convenience of understanding, there are cases in which one processing device is used, but those skilled in the art will understand that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it can include. For example, a processing device may include a plurality of processors or a processor and a controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.  소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.  소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, which configures a processing device to operate as desired or processes independently or collectively. The device can be commanded. Software and/or data may be any tangible machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, intended to be interpreted by or provide instructions or data to a processing device. can be embodied in Software may be distributed on networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer readable media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.  상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.  상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.  컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.  프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.  The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. Program commands recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. - includes hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter, as well as machine language codes such as those produced by a compiler.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.  예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.

Claims (8)

객체 감지를 위한 센서 노드의 위치 및 센서 노드를 통해 감지되는 객체 이동 모델의 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하여 순환 신경망 학습을 위한 데이터를 생성하는 데이터 생성부;
상기 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 이동 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드를 계산하는 듀티 사이클 계산부; 및
상기 계산된 듀티 사이클 모드 및 센서 노드를 통한 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치를 이용하여 최적의 듀티 사이클 모드를 예측하는 순환 신경망 학습부
를 포함하고,
상기 듀티 사이클 계산부는,
객체가 센서 노드의 센싱 영역 내부에 있을 때 객체의 이동 방향 및 속력, 객체가 센서 노드의 센싱 영역을 통과하는데 걸리는 시간의 정보를 이용하여 객체 감지 요구 조건을 충족하는 듀티 사이클을 계산하고,
상기 객체 감지 요구 조건은,
객체가 센서 노드의 센싱 영역 외부에 있을 경우, 센서 노드의 불확실한 영역, 및 센싱 영역 내부에 있을 경우에 따라 듀티 사이클 모드 주기의 길이를 결정하며,
객체가 센서 노드의 센싱 영역 내부에 있을 경우에는 객체의 이동 방향 및 속력에 따른 객체가 센싱 영역을 통과하는데 걸리는 시간을 이용하여 상기 객체가 센싱 영역을 통과하는 동안 적어도 한번 이상 센싱되도록 하는 듀티 사이클 모드 주기의 길이를 결정하여 객체에 대한 최대 센싱 주기를 결정하고, 상기 객체에 대한 최대 센싱 주기가 센서 노드의 센싱 주기보다 작은 경우 상기 센서를 항상 웨이크업 모드 상태를 유지하도록 하는
순환 신경망 기반의 센싱 듀티 사이클 조절 장치.
a data generator for generating data for learning a recurrent neural network by creating a virtual digital twin using information on a location of a sensor node for object detection and an object movement model sensed through the sensor node;
a duty cycle calculation unit calculating a duty cycle mode according to the moving direction and speed of the object sensed through the sensor node; and
Recurrent neural network learning unit predicting an optimal duty cycle mode using the calculated duty cycle mode, whether an object is detected through a sensor node, and the location of a sensor node
including,
The duty cycle calculator,
When the object is inside the sensing area of the sensor node, a duty cycle that satisfies the object detection requirement is calculated using information on the moving direction and speed of the object and the time required for the object to pass through the sensing area of the sensor node,
The object detection requirements are,
Determine the length of the duty cycle mode period according to the case where the object is outside the sensing area of the sensor node, the uncertain area of the sensor node, and the case inside the sensing area,
In case the object is inside the sensing area of the sensor node, a duty cycle mode in which the object is sensed at least once while passing through the sensing area by using the time required for the object to pass through the sensing area according to the moving direction and speed of the object. Determining the length of the period to determine the maximum sensing period for the object, and if the maximum sensing period for the object is smaller than the sensing period of the sensor node to always keep the sensor in a wake-up mode state
A sensing duty cycle control device based on a recurrent neural network.
제1항에 있어서,
상기 데이터 생성부는,
센서 노드의 배치, 객체 이동 모델, 센싱 모델을 포함하는 실제 환경 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하고,
상기 디지털 트윈에서 각각의 센서 노드는 객체 감지 여부, 센서 노드의 위치, 객체 위치, 객체가 센서 노드의 센싱 영역에 들어오는 시간, 객체가 센서 노드의 센싱 영역에서 나가는 시간의 정보를 저장하는
순환 신경망 기반의 센싱 듀티 사이클 조절 장치.
According to claim 1,
The data generator,
Create a virtual digital twin using real environment information including sensor node arrangement, object movement model, and sensing model,
In the digital twin, each sensor node stores information on whether an object is detected, the location of the sensor node, the location of the object, the time when the object enters the sensing area of the sensor node, and the time when the object leaves the sensing area of the sensor node.
A sensing duty cycle control device based on a recurrent neural network.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 순환 신경망 학습부는,
상기 데이터 생성부에서 생성된 디지털 트윈 및 상기 듀티 사이클 계산부에서 계산된 듀티 사이클 모드로부터 추출된 정보를 재구성하는 추출 데이터 재구성부;
LSTM(Long short-term memory) 기반의 순환신경망을 이용하여 상기 추출 데이터 재구성부에서 재구성된 데이터에 대한 정답 레이블과 예측 레이블의 차이를 줄이기 위해 크로스 엔트로피 손실 함수를 최소화하도록 가중치를 학습하는 학습부; 및
상기 학습부의 학습 결과에 따라 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치에 대한 최적의 듀티 사이클을 예측하는 듀티 사이클 모드 예측부
를 포함하는 순환 신경망 기반의 센싱 듀티 사이클 조절 장치.
According to claim 1,
The recurrent neural network learning unit,
an extraction data reconstruction unit for reconstructing information extracted from the digital twin generated by the data generator and the duty cycle mode calculated by the duty cycle calculator;
a learning unit learning weights to minimize a cross entropy loss function in order to reduce a difference between an answer label and a prediction label for the data reconstructed in the extraction data reconstruction unit using a long short-term memory (LSTM)-based recurrent neural network; and
A duty cycle mode predictor for predicting an optimal duty cycle for object detection and sensor node location according to the learning result of the learning unit.
Recurrent neural network-based sensing duty cycle control device comprising a.
데이터 생성부를 통해 객체 감지를 위한 센서 노드의 위치 및 센서 노드를 통해 감지되는 객체 이동 모델의 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하여 순환 신경망 학습을 위한 데이터를 생성하는 단계;
듀티 사이클 계산부가 상기 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 움직이는 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드를 계산하는 단계; 및
순환 신경망 학습부가 상기 계산된 듀티 사이클 모드 및 센서 노드를 통한 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치를 이용하여 최적의 듀티 사이클 모드를 예측하는 순환 신경망 학습 단계
를 포함하고,
상기 듀티 사이클 계산부가 상기 센서 노드를 통해 감지되는 객체의 움직이는 방향 및 속력에 따른 듀티 사이클 모드를 계산하는 단계는,
객체가 센서 노드의 센싱 영역 내부에 있을 때 객체의 이동 방향 및 속력, 객체가 센서 노드의 센싱 영역을 통과하는데 걸리는 시간의 정보를 이용하여 객체 감지 요구 조건을 충족하는 듀티 사이클을 계산하고,
상기 객체 감지 요구 조건은,
객체가 센서 노드의 센싱 영역 외부에 있을 경우, 센서 노드의 불확실한 영역, 및 센싱 영역 내부에 있을 경우에 따라 듀티 사이클 모드 주기의 길이를 결정하며,
객체가 센서 노드의 센싱 영역 내부에 있을 경우에는 객체의 이동 방향 및 속력에 따른 객체가 센싱 영역을 통과하는데 걸리는 시간을 이용하여 상기 객체가 센싱 영역을 통과하는 동안 적어도 한번 이상 센싱되도록 하는 듀티 사이클 모드 주기의 길이를 결정하여 객체에 대한 최대 센싱 주기를 결정하고, 상기 객체에 대한 최대 센싱 주기가 센서 노드의 센싱 주기보다 작은 경우 상기 센서를 항상 웨이크업 모드 상태를 유지하도록 하는
순환 신경망 기반의 센싱 듀티 사이클 조절 방법.
Generating data for recurrent neural network learning by creating a virtual digital twin using information of a location of a sensor node for object detection and an object movement model sensed through a sensor node through a data generator;
calculating, by a duty cycle calculation unit, a duty cycle mode according to a moving direction and speed of an object sensed through the sensor node; and
A recursive neural network learning step in which the recursive neural network learning unit predicts an optimal duty cycle mode using the calculated duty cycle mode, whether an object is detected through a sensor node, and the location of the sensor node.
including,
The step of calculating the duty cycle mode according to the moving direction and speed of the object sensed through the sensor node by the duty cycle calculator,
When the object is inside the sensing area of the sensor node, a duty cycle that satisfies the object detection requirement is calculated using information on the moving direction and speed of the object and the time required for the object to pass through the sensing area of the sensor node,
The object detection requirements are,
Determine the length of the duty cycle mode period according to the case where the object is outside the sensing area of the sensor node, the uncertain area of the sensor node, and the case inside the sensing area,
In case the object is inside the sensing area of the sensor node, a duty cycle mode in which the object is sensed at least once while passing through the sensing area by using the time required for the object to pass through the sensing area according to the moving direction and speed of the object. Determining the length of the period to determine the maximum sensing period for the object, and if the maximum sensing period for the object is smaller than the sensing period of the sensor node to always keep the sensor in a wake-up mode state
A sensing duty cycle control method based on a recurrent neural network.
제5항에 있어서,
상기 데이터 생성부를 통해 객체 감지를 위한 센서 노드의 위치 및 센서 노드를 통해 감지되는 객체 이동 모델의 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하여 순환 신경망 학습을 위한 데이터를 생성하는 단계는,
센서 노드의 배치, 객체 이동 모델, 센싱 모델을 포함하는 실제 환경 정보를 이용하여 가상의 디지털 트윈을 생성하고,
상기 디지털 트윈에서 각각의 센서 노드는 객체 감지 여부, 센서 노드의 위치, 객체 위치, 객체가 센서 노드의 센싱 영역에 들어오는 시간, 객체가 센서 노드의 센싱 영역에서 나가는 시간의 정보를 저장하는
순환 신경망 기반의 센싱 듀티 사이클 조절 방법.
According to claim 5,
The step of generating data for learning the recurrent neural network by creating a virtual digital twin using the information of the location of the sensor node for object detection and the object movement model sensed through the sensor node through the data generator,
Create a virtual digital twin using real environment information including sensor node arrangement, object movement model, and sensing model,
In the digital twin, each sensor node stores information on whether an object is detected, the location of the sensor node, the location of the object, the time when the object enters the sensing area of the sensor node, and the time when the object leaves the sensing area of the sensor node.
A sensing duty cycle control method based on a recurrent neural network.
삭제delete 제5항에 있어서,
상기 순환 신경망 학습부가 상기 계산된 듀티 사이클 모드 및 센서 노드를 통한 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치를 이용하여 최적의 듀티 사이클 모드를 예측하는 순환 신경망 학습 단계는,
상기 순환 신경망 학습부의 추출 데이터 재구성부를 통해, 상기 데이터 생성부에서 생성된 디지털 트윈 및 상기 듀티 사이클 계산부에서 계산된 듀티 사이클 모드로부터 추출된 정보를 재구성하는 단계;
상기 순환 신경망 학습부의 학습부를 통해, LSTM(Long short-term memory) 기반의 순환신경망을 이용하여 상기 추출 데이터 재구성부에서 재구성된 데이터에 대한 정답 레이블과 예측 레이블의 차이를 줄이기 위해 크로스 엔트로피 손실 함수를 최소화하도록 가중치를 학습하는 단계; 및
상기 순환 신경망 학습부의 듀티 사이클 모드 예측부를 통해, 상기 학습부의 학습 결과에 따라 객체 감지 여부 및 센서 노드의 위치에 대한 최적의 듀티 사이클을 예측하는 단계
를 포함하는 순환 신경망 기반의 센싱 듀티 사이클 조절 방법.
According to claim 5,
The recursive neural network learning step in which the recursive neural network learning unit predicts an optimal duty cycle mode using the calculated duty cycle mode and whether an object is detected through a sensor node and a location of a sensor node,
reconstructing information extracted from the digital twin generated by the data generator and the duty cycle mode calculated by the duty cycle calculator through an extraction data reconstruction unit of the recurrent neural network learning unit;
Through the learning unit of the recurrent neural network learning unit, a cross entropy loss function is used to reduce the difference between the correct answer label and the prediction label for the data reconstructed in the extraction data reconstruction unit using a long short-term memory (LSTM) based recurrent neural network. learning weights to minimize; and
Predicting, through a duty cycle mode prediction unit of the recurrent neural network learning unit, an optimal duty cycle for whether an object is detected and a location of a sensor node according to a learning result of the learning unit
Recurrent neural network-based sensing duty cycle control method comprising a.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010503874A (en) * 2007-11-12 2010-02-04 ビ−エイイ− システムズ パブリック リミテッド カンパニ− Sensor control
KR20120006794A (en) * 2010-07-13 2012-01-19 강릉원주대학교산학협력단 Method for increasing energy efficiency in wireless sensor network
KR102018117B1 (en) 2017-02-21 2019-09-04 한남대학교 산학협력단 Apparatus and method for controlling duty cycle for censor network
KR20200144998A (en) * 2019-06-20 2020-12-30 주식회사 한국디지털트윈연구소 Computing system for virtual sensor implementation using digital twin and method for realtime data collection thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010503874A (en) * 2007-11-12 2010-02-04 ビ−エイイ− システムズ パブリック リミテッド カンパニ− Sensor control
KR20120006794A (en) * 2010-07-13 2012-01-19 강릉원주대학교산학협력단 Method for increasing energy efficiency in wireless sensor network
KR102018117B1 (en) 2017-02-21 2019-09-04 한남대학교 산학협력단 Apparatus and method for controlling duty cycle for censor network
KR20200144998A (en) * 2019-06-20 2020-12-30 주식회사 한국디지털트윈연구소 Computing system for virtual sensor implementation using digital twin and method for realtime data collection thereof

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