無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能環(huán)境控制

摘要：傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)中的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界高度重視。在環(huán)境中布置的大量的傳感器，利用數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)融合的工具，可以對(duì)人的動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)境的智能控制。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)融合；智能環(huán)境；動(dòng)作識(shí)別

1.　概述

集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)；它代表了更小、更廉價(jià)的低功耗計(jì)算設(shè)備的“后PC時(shí)代”。普遍的網(wǎng)絡(luò)化帶來(lái)的計(jì)算處理能力更是難估量。隨著無(wú)線傳感器硬件技術(shù)的成熟，其在軍事、工業(yè)、商務(wù)、環(huán)境、空間探索等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在環(huán)境中分布大量具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶動(dòng)作的識(shí)別和環(huán)境的監(jiān)控，并根據(jù)環(huán)境和用戶的上下文信息(contextinformation)自主地完成指定任務(wù)。

　　但是，隨著網(wǎng)絡(luò)中傳感器數(shù)量的增多，傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也隨之驟增，如何更快速有效地處理數(shù)據(jù)，就成為一個(gè)核心問(wèn)題。利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理分析，成為傳感器網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)作的工具。本文使用Berkeley Mica2模擬辦公室環(huán)境，完成對(duì)用戶常見(jiàn)的動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而根據(jù)用戶的活動(dòng)狀態(tài)，智能地調(diào)節(jié)和控制室內(nèi)的燈光系統(tǒng)。

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

　　合理的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、節(jié)點(diǎn)的安裝布置、以及傳感器類型的選擇，對(duì)于系統(tǒng)識(shí)別的準(zhǔn)確率都有很大的影響。不同的應(yīng)用，都會(huì)有不同的設(shè)置需求。在本實(shí)驗(yàn)中，我們把傳感器功能分為四類，即用戶動(dòng)作檢測(cè)、用戶定位、用戶和物體交互和環(huán)境檢測(cè)。

一個(gè)傳感器可以同時(shí)具有多種功能。

　(1)用戶動(dòng)作檢測(cè)功能：傳感器安置于用戶身上或者可能接觸到的物體上，通過(guò)檢測(cè)用戶身體或者物體運(yùn)動(dòng)模式，判斷也用戶的動(dòng)作。

　(2)用戶定位功能E6：多個(gè)安置在環(huán)境中傳感器不斷地發(fā)出定位消息。當(dāng)用戶身上的傳感器接受到這些定位消息后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以估算出用戶所處的區(qū)域位置。

　(3)用戶和物本交互功能：這些安置在物體上的傳感器的工作模式類似于RFIDE7，8]，它們的信號(hào)接收距離很短。只有當(dāng)用戶靠近這些物體時(shí)，才能接受到物體上的傳感器發(fā)出的消息。這些消息中包含了物體的身份信息，據(jù)此可以確定用戶碰到或者靠近了哪些物體。因?yàn)槊總€(gè)動(dòng)作只會(huì)涉及到一些特定的物體(用戶和物體交互)，所以從用戶碰到或者靠近了的物體可以推測(cè)用戶的動(dòng)作。

　(4)環(huán)境檢測(cè)功能：分布在環(huán)境中傳感器檢測(cè)系統(tǒng)所處的環(huán)境參數(shù)，可以提供對(duì)用戶動(dòng)作識(shí)別壞境監(jiān)控的輔助信息。根據(jù)以上四種傳感器功能的劃分，我們把傳感器分為三組。第一組安置在房間四周和桌子四角，發(fā)送定位和檢測(cè)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)。第二組，安置在筆、電話、水杯和椅子上，實(shí)現(xiàn)用戶和物體交互檢測(cè)和用戶動(dòng)作檢測(cè)的功能。筆上的傳感器，檢測(cè)筆動(dòng)作和聲音；電話機(jī)上的傳感器功能和筆的一樣；水杯底部傳感器，檢測(cè)水杯運(yùn)動(dòng)和底部光的變化；椅子上的傳感器，檢測(cè)椅子上的光和溫度的變化。第三組，佩帶于用戶身上，只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)定位和用戶和物體交互消息。

3 遇到的問(wèn)題以及解決方法

3．1 人的動(dòng)作復(fù)雜性及其劃分

　　人的動(dòng)作非常復(fù)雜多樣，甚至某些行為是很難描述的 所以合理的劃分對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)用性非常重要。在辦公室模式下，把動(dòng)作劃分八類，即站立、坐下、交談、打電話、寫字、用計(jì)算機(jī)、做講演和休息。八種動(dòng)作之間有重合、互斥，必要或充分關(guān)系。比如是否坐下，對(duì)其余動(dòng)作的識(shí)別會(huì)有很大景響。如果八類動(dòng)作分別進(jìn)行單獨(dú)判斷，動(dòng)作識(shí)別就變成八個(gè)二值分類問(wèn)題。

3．2 丟包率問(wèn)題

　　當(dāng)傳感器數(shù)量增多，受網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，丟包率就變得非常嚴(yán)重。所以我們?cè)趥鞲衅靼l(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，采用事件觸發(fā)機(jī)制：來(lái)決定是否發(fā)送 數(shù)據(jù)變化不明顯就不需要發(fā)送數(shù)據(jù)包了；只有當(dāng)數(shù)據(jù)和上一次有明顯變化，才發(fā)送數(shù)據(jù)包 這樣就可以極：走地減少數(shù)據(jù)的發(fā)送量，緩解網(wǎng)絡(luò)阻塞問(wèn)題。另外在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)態(tài)地降低采樣率，也可以減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量。

3.　3 所用算法

　　由于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的需要，以及考慮到將業(yè)算法移植到傳感器中實(shí)現(xiàn)時(shí)硬件條件的限制，所以我們采用相對(duì)簡(jiǎn)單的決策樹(shù)算法。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

　　如何要從每秒幾百個(gè)不同類型的傳感器數(shù)據(jù)中，控掘出所要識(shí)別的動(dòng)作，就要對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行一次次的數(shù)據(jù)融合和控掘。程序分為初始化、接收和解析消息、數(shù)據(jù)緩存區(qū)、數(shù)據(jù)：頃處理、產(chǎn)生線索、線索融合、產(chǎn)生識(shí)別結(jié)果共7個(gè)主要步驟?？紤]到傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)跨平臺(tái)以及整個(gè)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性的要求，使用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

4．1 初始化

　　其功能有兩個(gè)。第一，初化化系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)，讀取兩個(gè)：史件，一個(gè)properties配置文件，存放運(yùn)行時(shí)不變的常量。一個(gè)XMI 文件，保存可以動(dòng)態(tài)調(diào)整的參數(shù)，這些參數(shù)可以通過(guò)用戶自主調(diào)節(jié)，也可以在識(shí)別過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整 第二，連接和控制其他模塊之間的數(shù)據(jù)流。

4．2 消息接收和解析

　　首先，建立一個(gè)連接Server的客戶端，發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)的Server端；registerI istener；客戶端注冊(cè)接口；消息包的接受和解析類；this：用來(lái)接收消息的對(duì)象。然后，把消息轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的PacketData。這樣盡管消息千變?nèi)f化，但是，對(duì)外有統(tǒng)一的接口形式。

4．3 消息的存貯和顯示

       接受到信息后，首先需要存人數(shù)據(jù)庫(kù)，供離線的訓(xùn)練和仿真用。接著需要存人數(shù)據(jù)緩存區(qū)，供下一級(jí)模塊的在線識(shí)別使用 然后繪圖工具的顯示，可以讓用戶直觀地看到傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況。

4．4 數(shù)據(jù)預(yù)處理、線索產(chǎn)生

　　線索，是指對(duì)于動(dòng)作識(shí)別有決定作用的最小信息單元，包括傳感數(shù)據(jù)的分類結(jié)果，用戶和物體交互信息、定位信息和識(shí)別也的動(dòng)作結(jié)果。并且用置信度標(biāo)示此線索發(fā)生可能性的大小。

4．5 線索融合

為了提高系統(tǒng)的魯棒性、抗干擾性，就需要進(jìn)行線索融合。首先是線索和本身歷史結(jié)果的融合，這樣可以消除噪聲和奇異點(diǎn)的干擾。比如，聲音線索，就需要好幾秒時(shí)間內(nèi)識(shí)別結(jié)果綜合判斷的。然后是線索間的融合，以得到最終的動(dòng)作識(shí)別結(jié)果。線索間的融合，可以用簡(jiǎn)單的邏輯判斷，也可以使用貝葉斯分類器。

4．6 用戶操作界面

主要完成的功能包括：
　(1)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)視，包括采樣率、丟包率及數(shù)據(jù)流向的顯示。
　(2)中間地程中每一層數(shù)據(jù)的查詢，以及最終識(shí)別結(jié)果的顯示。
　(3)用戶修改設(shè)定參數(shù)及對(duì)識(shí)別結(jié)果給出反饋

5.　 結(jié)論

　　項(xiàng)目在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可能會(huì)遇到很多硬件方面的問(wèn)題，如傳感器死鎖，電池電力不足，硬件的通訊瓶頸等等。我們采用降低采樣率，事件觸發(fā)等方法來(lái)緩解，隨著硬件技術(shù)的成熟，這些問(wèn)題會(huì)得到解決。本系統(tǒng)現(xiàn)在運(yùn)行良好，對(duì)于我們從事傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能環(huán)境控制有很大的幫助。

（轉(zhuǎn)載）