物聯(lián)網(wǎng)中多傳感器高通量信息數(shù)據(jù)融合研究

李萍萍 浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字信息學(xué)院

物聯(lián)網(wǎng)中多傳感器高通量信息數(shù)據(jù)融合研究

李萍萍 浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字信息學(xué)院

本論文提出了多傳感器數(shù)據(jù)融合原理、體系架構(gòu)、目標(biāo)和實(shí)施方法，通過實(shí)際案例著力解決了物聯(lián)網(wǎng)中海量傳感器信息計(jì)算延遲問題，較短時(shí)間內(nèi)處理多傳感器網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)，為用戶請(qǐng)求提供完整而不冗余的信息。

體系架構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)融合

為了適合高通量應(yīng)用的需求，滿足請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)的可擴(kuò)展、高效能和高可靠特征，采用了非線性信號(hào)特征分析，提出針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中多傳感器信息數(shù)據(jù)的高通量計(jì)算分析方法，構(gòu)建傳感器信息融合計(jì)算分析平臺(tái)，著力解決物聯(lián)網(wǎng)中海量傳感器信息計(jì)算延遲問題，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供技術(shù)體系支撐。

1 多傳感器數(shù)據(jù)融合原理

1.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合概念

數(shù)據(jù)融合又稱作信息融合或多傳感器數(shù)據(jù)融合。多傳感器數(shù)據(jù)融合比較確切的定義可概括為：充分利用不同時(shí)間與空間的多傳感器數(shù)據(jù)資源，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)間序列獲得的多傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)，在一定準(zhǔn)則下進(jìn)行分析、綜合、支配和使用，獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的一致性解釋與描述，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的決策和估計(jì)，使系統(tǒng)獲得比它的各組成部分更充分的信息。

1.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合原理

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的基本就像人腦綜合處理信息一樣，充分利用多個(gè)傳感器資源，通過對(duì)傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多傳感器在空間或時(shí)間上冗余或互補(bǔ)的信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲得被測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。具體地說，多傳感器數(shù)據(jù)融合原理如下。

第一，N個(gè)不同類型的傳感器（有源或無源的）收集觀測(cè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)。

第二，對(duì)傳感器的輸出數(shù)據(jù)（離散的或連續(xù)的時(shí)間函數(shù)數(shù)據(jù)、輸出矢量、成像數(shù)據(jù)或一個(gè)直接的屬性說明）進(jìn)行特征提取的變換，提取代表觀測(cè)數(shù)據(jù)的特征矢量Yi。

第三，對(duì)特征矢量Yi進(jìn)行模式識(shí)別處理（如聚類算法、自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其他能將特性矢量Yi變換成目標(biāo)屬性判決的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別法等），完成各傳感器關(guān)于目標(biāo)的說明。

第四，將各傳感器關(guān)于目標(biāo)的說明數(shù)據(jù)按同一目標(biāo)分組，即關(guān)聯(lián)。

第五，利用融合算法，將每個(gè)目標(biāo)各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，得到該目標(biāo)的一致性解釋與描述。

1.3 多傳感器數(shù)據(jù)融合方法

利用多個(gè)傳感器所獲取的關(guān)于對(duì)象和環(huán)境的全面、完整的信息，主要體現(xiàn)在融合算法上，對(duì)于多傳感器系統(tǒng)來說，信息具有多樣性和復(fù)雜性，因此，對(duì)信息融合方法的基本要求是具有魯棒性和并行處理能力。此外，還有方法的運(yùn)算速度和精度；與前續(xù)預(yù)處理系統(tǒng)和后續(xù)信息識(shí)別系統(tǒng)的接口性能；與不同技術(shù)和方法的協(xié)調(diào)能力；對(duì)信息樣本的要求等，一般情況下，基于非線性的數(shù)據(jù)方法，如果它具有容錯(cuò)性、自適應(yīng)性、聯(lián)想記憶和并行處理能力，都可以用來作為融合方法。

2 系統(tǒng)的總體目標(biāo)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體目標(biāo)是裁減操作系統(tǒng)的核心代碼量，以彌補(bǔ)由于節(jié)點(diǎn)的小體積所帶來的內(nèi)存空間有限的影響，使其在有限的空間中可以高效地管理硬件；針對(duì)本系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)，選擇與之相匹配的硬件平臺(tái)；由于本應(yīng)用系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多且其分布的環(huán)境不利于隨意地補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)的能量，所以要求節(jié)點(diǎn)具有一定的持續(xù)性和穩(wěn)定性，并且應(yīng)具有低功耗的性能；傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多已經(jīng)運(yùn)行環(huán)境的特殊性，要求運(yùn)行在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上的操作系統(tǒng)具有健壯性；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由于受到周圍環(huán)境或電源耗盡等原因的影響而失效并且維護(hù)困難。這就要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)必須具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性，以保證系統(tǒng)具有高健壯性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠通過自動(dòng)調(diào)整或自動(dòng)重構(gòu)糾正錯(cuò)誤，保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用層次型的體現(xiàn)結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將自己的采集的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)將收集到的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集中后，經(jīng)由網(wǎng)關(guān)送到與Internet直接相連的基站計(jì)算機(jī)上；基站計(jì)算機(jī)將匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)往數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；此時(shí)，遠(yuǎn)程用戶就可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，達(dá)到檢查環(huán)境的目的。由于傳感器節(jié)點(diǎn)具有一定的數(shù)據(jù)計(jì)算和通信能力，因此在將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)前可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的、簡(jiǎn)單的處理，以減輕網(wǎng)絡(luò)的傳送負(fù)擔(dān)，節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

微控制器模塊：采用的節(jié)點(diǎn)微控制器是Atmel公司的ATmega128L單片機(jī)，主要特點(diǎn)具有先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)，具有較好非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；帶有符合IEEE std．1149．1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，便于節(jié)點(diǎn)調(diào)試；擁有2個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)算器、2個(gè)擴(kuò)充的16位定時(shí)器/計(jì)算器；具有多種內(nèi)外中斷模式，可極大地減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的查詢需要，方便地設(shè)計(jì)出上電復(fù)位和可編程的低電壓檢測(cè)；擁有53個(gè)可編程的I/O端口64個(gè)引腳的TQFP和MLF封裝。

通信模塊：通信模塊使用Chipcon公司推出的符合2．4GHz IEEE 802．15．4 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器——CC2420。工作頻率范圍為2．400～2．4835GHz；所采用的直接序列擴(kuò)頻方式符合IEEE 802．15．4規(guī)范要求；數(shù)據(jù)速率可達(dá)259Kbps，碼片速率可達(dá)2Mchip/s；調(diào)制方式為O-QPSK；超低電流消耗和高接收靈敏度；抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)；內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電，可編程控制輸出功率；符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的MAC層硬件可自動(dòng)生成幀格式、同步插入與電源檢測(cè)；提供完全自動(dòng)的MAC層安全保護(hù)；易配置與控制微處理器的接口；采用QLP-48封裝。

傳感器模塊：該光熱傳感器可與本設(shè)計(jì)所用節(jié)點(diǎn)相配合，適用于良好環(huán)境下的溫度及光強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所選用的傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊這四個(gè)部分組成。傳感器模塊的主要責(zé)任是采集被監(jiān)測(cè)區(qū)域的光強(qiáng)信息并進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理；處理器模塊主要負(fù)責(zé)處理傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息。對(duì)自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理；無線通信模塊負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線通信工作；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供保證正常運(yùn)行所需的能量。

3.2 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)開始工作后，首先調(diào)用函數(shù)，完成硬件引腳初始化和節(jié)點(diǎn)硬件初始電壓的設(shè)置、相關(guān)組件的初始化工作。初始化工作結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)就開始采集數(shù)據(jù)的工作了；環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集成功后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收工作；在確定數(shù)據(jù)全部接收完畢后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)打開定時(shí)器、中斷，在定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到了之后，節(jié)點(diǎn)的這一輪工作告一段落，開始進(jìn)入下一輪新的工作。

4 基于TinyOS的調(diào)度機(jī)制

TinyOS采用“任務(wù)+事件”的二級(jí)調(diào)度機(jī)制，機(jī)制實(shí)現(xiàn)TinyOS將全部要執(zhí)行的任務(wù)放在一個(gè)任務(wù)隊(duì)列中，在該任務(wù)隊(duì)列中任務(wù)依照FIFS(First In First Service)的原則，按照進(jìn)入任務(wù)隊(duì)列的先后次序依次執(zhí)行。在程序執(zhí)行的過程中，任務(wù)被依次執(zhí)行，而不允許相互搶占其他任務(wù)的執(zhí)行，但是在遇到硬件中斷事件的時(shí)候，能夠被打斷。在進(jìn)行事件處理的時(shí)候，程序可通過使用關(guān)鍵字post聲明該程序即將把一個(gè)需要執(zhí)行的任務(wù)通過調(diào)用任務(wù)聲明函數(shù)TOS_post添加到任務(wù)隊(duì)列當(dāng)中。當(dāng)任務(wù)執(zhí)行完成后，需要從任務(wù)隊(duì)列中撤出時(shí)，可以調(diào)用函數(shù)TOSH_run_task將該任務(wù)從隊(duì)列中撤出。當(dāng)隊(duì)列中沒有任務(wù)時(shí)，處理器將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到有其他事件進(jìn)入隊(duì)列時(shí)才被再次激活，并重新開始執(zhí)行新的工作。

4.1 節(jié)點(diǎn)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成的主要任務(wù)包括：采集被檢查范圍內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理后發(fā)往匯聚節(jié)點(diǎn)。在對(duì)節(jié)點(diǎn)程序編寫代碼的過程，選用了nesC語言，其代碼包括模塊部分和配件部分，其中，配件部分的代碼如下：

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分在為物聯(lián)網(wǎng)提供感知數(shù)據(jù)，傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)有其自身的特征，如海量性、異構(gòu)性、分布式等。本文從應(yīng)用的角度針對(duì)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合的體系架構(gòu)、原理和方法，研究了傳感網(wǎng)采集數(shù)據(jù)及集成、融合數(shù)據(jù)的過程，能夠在較短時(shí)間內(nèi)處理多數(shù)據(jù)源海量數(shù)據(jù)，為用戶請(qǐng)求提供完整信息同時(shí)滿足了速度快效率高的要求，取得較好的實(shí)現(xiàn)效果。．

李萍萍（1981-），女，漢族，浙江省溫嶺人，本科，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向: 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合。

2016年浙江省教育廳規(guī)劃項(xiàng)目《農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中多傳感器高通量信息處理關(guān)鍵技術(shù)研究》（編號(hào)Y201635793）。