一種數(shù)據(jù)壓縮采集、恢復方法及設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡與環(huán)境監(jiān)測領域，具體涉及一種數(shù)據(jù)壓縮采集、恢復方 法及設備。
【背景技術】
[0002] 隨著通信、傳感器制造、嵌入式計算的日益成熟，大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡技術迅速 發(fā)展并被廣泛應用到環(huán)境監(jiān)測、國防、救災搶險等諸多領域。典型的無線傳感器網(wǎng)絡由大量 微型傳感器節(jié)點組成，它們能夠在惡劣及危險環(huán)境中迅速展開，并通過無線自組成網(wǎng)，不受 現(xiàn)有有線網(wǎng)絡基礎設施的限制。感知數(shù)據(jù)通過無線通信W多跳中繼方式匯集到數(shù)據(jù)處理中 也。無線傳感器網(wǎng)絡使人們在任何時間、地點和環(huán)境條件下實時獲取大量詳實而可靠的信 息，體現(xiàn)"感知和計算無處不在"理念。大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡用于環(huán)境監(jiān)測能夠使人們有效地 掌握空氣、水、±壤濕度等環(huán)境因素，有利于相關環(huán)境學科從觀測信息中估計環(huán)境的變化過 程，建立環(huán)境基準，估計其發(fā)展趨勢和累積效應，驗證已有的環(huán)境模型，為相關管理部口決 策方案的制定提供理論依據(jù)，更好地指導人類的行為活動。
[0003] 由于傳感器節(jié)點能量有限，維持網(wǎng)絡高效運行、數(shù)據(jù)的完整獲取是大規(guī)模傳感器 網(wǎng)絡面臨的巨大挑戰(zhàn)。事實上，W后期數(shù)據(jù)分析、建模為目標的大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測應用，完整 有效地獲取場景數(shù)據(jù)是必須滿足的首要任務。同樣，保證網(wǎng)絡的高效運行，減少節(jié)點的工作 頻率、稀疏采樣次數(shù)、最大化網(wǎng)絡的生命周期也是網(wǎng)絡設計的重要目標。傳統(tǒng)方法都是在能 量節(jié)約和完整數(shù)據(jù)獲取兩者之間做折中，不能同時滿足上述目標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種數(shù)據(jù)壓縮采集、恢復方法及設備，能夠降低 數(shù)據(jù)采集的能量損耗和實現(xiàn)完整數(shù)據(jù)恢復。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過W下技術方案予W實現(xiàn)：
[0006] -種數(shù)據(jù)壓縮采集方法，在包含N時隙的時間窗口內(nèi)，原始數(shù)據(jù)為X= (X。X2,. . . ,Xn)，該方法包括：
[0007] 預先設定采樣頻率控制因子a;
[000引在第i(KKN)個時隙生成隨機數(shù)ai;
[0009] 當a, <a時，采集當前時隙數(shù)據(jù)Xi，否則不采集當前時隙數(shù)據(jù)Xi，在包含 N個時隙的時間窗口內(nèi)，實際采集數(shù)據(jù)的時隙個數(shù)為M(M<N)，實際采集的數(shù)據(jù)為Y= (y。72,...，yM)。
[0010]進一步，該方法還包括在第i個時隙采集當前時隙數(shù)據(jù)Xi之后，檢查當前時隙采 集的數(shù)據(jù)Xi與上一個采集時隙采集的數(shù)據(jù)pre_Xi差的絕對值是否大于設定的闊值，若大 于，調(diào)整采樣頻率控制因子a為a=ka，k為頻率擴大因子，k> 1。
[0011] 一種基于所述數(shù)據(jù)壓縮采集方法的數(shù)據(jù)壓縮采集恢復方法，該方法包括：
[0012]原始數(shù)據(jù)X經(jīng)過稀疏矩陣進行稀疏化處理得到稀疏基S，表示為S=DX，D為稀疏 矩陣，則原始數(shù)據(jù)X在稀疏基下表示為X=擴Is;
[001引實際采集的數(shù)據(jù)為Y= (y。72, . . .，yM)，原始數(shù)據(jù)為X= (X。X2, . . .，Xw)，設數(shù)據(jù)采 集矩陣為0,則實際采集的數(shù)據(jù)Y與原始數(shù)據(jù)X的關系為Y=OX，實際采集數(shù)據(jù)Y在稀疏 基下表示為Y= 0擴Is;
[0014] 根據(jù)實際采集的數(shù)據(jù)Y恢復原始數(shù)據(jù)X的方法為：
[00巧]S1.在滿足Y= 〇擴Is的前提下，求解S的最優(yōu)解S*:
[0016] S* 二argminIISI12
[0017] 其中Mslls表示向量的I2范數(shù)；
[001引S2.根據(jù)公式X=D-isV恢復出原始數(shù)據(jù)X。
[0019] 進一步，所述步驟S1的求解包括如下步驟：
[0020] A.初始化k = 0, s° = 0, ;r° = Y-0擴y= Y, A =〇擴1 = [a?！璖j…ajT,
[00川 =沉巧沿rtb") = 0，其中Su卵ort(s°)表示返回s°中非0元素索引集合；
[0022] 輸入實際采集的數(shù)據(jù)Y、數(shù)據(jù)采集矩陣〇、稀疏矩陣D、恢復誤差闊值n;
[002引B.k自增1，尋找滿足最小誤差的行索引j=ar卵in||ajZj-rk-i| 12,其中
[0024] C.更新最優(yōu)原子索引序列Sk=怯k-i，別；
[00巧]D.更新最優(yōu)解
[002引E.更新剩余分量rk=廠0擴y;
[0027] F.若||rk||2> n，則循環(huán)執(zhí)行B-E步，否則退出循環(huán)，輸出k，sk，此時sk即為最 優(yōu)解s'*"。
[002引其中，所述稀疏矩陣D為
[0029]
[0030] -種數(shù)據(jù)壓縮采集設備，該設備包括采樣頻率控制因子設定模塊、隨機數(shù)生成 模塊、判定模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，其中，在一包含N時隙的時間窗口內(nèi)，原始數(shù)據(jù)為X= (X。又2, . . . ,Xn)，
[0031] 采樣頻率控制因子設定模塊，用于預先設定采樣頻率控制因子a，發(fā)送給判定模 塊；
[0032] 隨機數(shù)生成模塊用于在第i(KKN)個時隙生成隨機數(shù)a1，發(fā)送給判定模塊；
[0033] 判定模塊用于判斷隨機數(shù)ai是否小于預先設定的采樣頻率控制因子a，將比較 結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)采集模塊；
[0034]數(shù)據(jù)采集模塊用于當a時，采集當前時隙數(shù)據(jù)Xi，當a時，不采集當 前時隙數(shù)據(jù)Xi，在包含N個時隙的時間窗口內(nèi)，實際采集數(shù)據(jù)的時隙個數(shù)為M(M<N)，實際 采集的數(shù)據(jù)為Y= (y。72, . . .，yM)。
[0035]進一步，所述設備還包括采樣頻率控制模塊，用于當數(shù)據(jù)采集模塊在第i個時隙 采集當前時隙數(shù)據(jù)Xi之后，檢查當前時隙采集的數(shù)據(jù)Xi與上一個采集時隙采集的數(shù)據(jù)pre_Xi差的絕對值是否大于設定的闊值，若大于，調(diào)整采樣頻率控制因子a為a=ka，k為頻 率擴大因子，k> 1，并將a=ka發(fā)送給判定模塊。
[0036] -種基于所述數(shù)據(jù)壓縮采集設備的數(shù)據(jù)壓縮采集恢復設備，該設備包括實際采集 數(shù)據(jù)Y稀疏表示模塊和數(shù)據(jù)恢復模塊，其中，
[0037] 實際采集數(shù)據(jù)Y稀疏表示模塊，用于將實際采集數(shù)據(jù)Y進行稀疏表示，原始數(shù)據(jù) X經(jīng)過稀疏矩陣進行稀疏化處理得到稀疏基S，表示為S=DX，D為稀疏矩陣，則原始數(shù) 據(jù)X在稀疏基下表示為X=擴Is;實際采集的數(shù)據(jù)為Y= (y。72,...，九)，原始數(shù)據(jù)為X= (X。X,，. . .，xw)，設數(shù)據(jù)采集矩陣為〇，則實際采集的數(shù)據(jù)Y與原始數(shù)據(jù)X的關系為Y= OX，實際采集數(shù)據(jù)Y在稀疏基下表示為Y=OD-is，將Y= 〇擴Is發(fā)送給數(shù)據(jù)恢復模塊； [003引數(shù)據(jù)恢復模塊，用于利用實際采集數(shù)據(jù)Y的稀疏表示Y=0擴Is恢復出原始數(shù)據(jù) X，其包括最優(yōu)解S*求解子單元和原始數(shù)據(jù)恢復子單元，其中，最優(yōu)解求解子單元用于在 滿足Y= 0擴Is的前提下，求解S的最優(yōu)解S* :
[0039] S* =argminIISI12
[0040] 其中IISII2表示向量的I2范數(shù)；
[0041] 原始數(shù)據(jù)恢復子單元用于根據(jù)公式X=擴isV恢復出原始數(shù)據(jù)X。
[0042] 進一步，所述最優(yōu)解求解子單元用于執(zhí)行下列步驟：
[0043] A.初始化k= 0,s° = 0, ;r° =Y-〇D-is° =Y,A=OD-1 = [a。…Sj…ajT,
[0044]rS。=沉腳於〇5°) = 0，其中Support(s°)表示返回s°中非0元素索引集合；
[0045] 輸入實際采集的數(shù)據(jù)Y、數(shù)據(jù)采集矩陣〇、稀疏矩陣D、恢復誤差闊值n;
[0046] B.k自增1，尋找滿足最小誤差的行索引
其中
[0047]C.更新最優(yōu)原子索引序列Sk=怯k-i，別；
[0048] D.更新最優(yōu)解
[0049] E.更新剩余分量fk=廠〇擴皆；
[0050] F.若||rk| |2>n，則循環(huán)執(zhí)行B-E步，否則退出循環(huán)，輸出k，sk，此時sk即為最 優(yōu)解S*。
[0051] 其中，所述稀疏矩陣D為
[0052]
[0053] 本發(fā)明至少具有如下的有益效果：
[0054] 1、本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)壓縮采集方法及設備，在包含N時隙的時間窗口內(nèi)，實際采 集數(shù)據(jù)的時隙個數(shù)為M(M<N)，在其他時隙，設備處于休眠狀態(tài)，因而大大降低了數(shù)據(jù)采集的 能量消耗。
[0055]2、本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)壓縮采集方法及設備，在第i個時隙采集完當前時隙數(shù)據(jù)Xi 之后，為了動態(tài)捕捉采集數(shù)據(jù)的變化，保證恢復數(shù)據(jù)的完整性，會檢查當前時隙采集的數(shù)據(jù)Xi與上一個采集時隙采集的數(shù)據(jù)pre_Xi差的絕對值是否大于設定的闊值，若大于，調(diào)整采 樣頻率控制因子a為a=ka，k為頻率擴大因子，k> 1。
[0056] 3、本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)壓縮采集恢復方法及設備，利用稀疏矩陣將實際采集的數(shù)據(jù) 進行稀疏化表示，通過步驟A-F迭代求最優(yōu)解的方法根據(jù)實際采集數(shù)據(jù)恢復出原始數(shù)據(jù)。
[0057] 4、本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)壓縮采集、恢復方法及設備能夠同時達到能量節(jié)約和完整數(shù) 據(jù)恢復的目的。
[0058] 當然，實施本發(fā)明的任一方