基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床

摘要

一种基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床，能提供高保真度的无线传感器网络环境下的信息融合系统性能测试，其由目标仿真模块、无线传感器网络仿真模块、信息融合模块、性能评估模块、人机接口模块五个模块组成。无线传感器网络仿真模块提供高保真度的无线传感器网络环境，并在传感器节点和汇聚节点挂载信息融合模块，实现信息融合系统的测试。信息融合系统在线运行结束后，性能评估模块根据性能评价体系，定量计算各项评价指标，经人机接口模块显示各项评价指标，如此能够实现对无线传感器网络环境下信息融合算法的性能测试和评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于信息技术领域的信息融合系统的性能测试和评价的测试床，特别涉及一种基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床。

背景技术

多源信息融合是一种多层次、多方面的处理过程，其包括对多源数据进行检测、相关、组合和估计，从而提高状态和身份估计精度。它具有系统覆盖范围大，探测性能高，空间分辨率高，可靠性高，生存能力强的特点。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由一组传感器以Ad hoc方式组成的有线或无线网络，可以协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发给观察者。在战场侦察、环境监测、交通管理、医疗卫生和工业生产等诸多应用领域有着广阔的应用前景。由于无线传感器网络通信资源和能量资源有限，如何在网络过程中节省能量，最大化网络的生命周期，是无线传感器网络面临的挑战。而采用信息融合技术，可对多传感器采集的数据进行融合，可实现对观测对象更好的理解，并能减少网络内的数据传输量，减少网络能源消耗，延长网络生命周期。

无线传感器网络环境下的信息融合是在一个动态、对抗的复杂环境下进行的，现场试验往往耗资甚巨，基于测试床的系统评价目前是最可行的方法，研究测试床的目的是使融合系统在真实环境下得到评估。在无线传感器网络中，信息融合结果精度的提高势必会以增加传感器节点间的通信量为代价，从而消耗传感器能量，缩短网络生命周期。在无线传感器网络环境下，提高融合系统精度和节省能量是相互矛盾的，无线传感器网络必须在两者中间进行折衷，这导致了对在无线传感器网络环境下的信息融合算法做出客观、全面的评价的困难性和复杂性。国内目前对多传感器信息融合系统的测试和评估有一定的研究，但都只是针对融合系统本身而言，其都具有如下特点：

1.融合系统测试只是针对融合系统本身而言，而并没有将融合系统放入具体的网络环境下进行测试，尤其是在无线传感器网络环境下进行测试。

2.信息融合评价体系通常能从信息准确度、实时性能和对参数的敏感性三方面来进行评价，但却不能对由于信息融合系统带来的网络能量开销做出评价，因而不能满足无线传感器网络体系下信息融合系统的全面评价。

当前对信息融合效果的客观测试和评价问题一直未得到很好的解决，经对现有的技术文献的检索发现，文中很少涉及对无线传感器网络体系下信息融合系统进行测试和评价的报道，因此如何解决现有技术存在的缺点实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床，以实现从信息准确度、实时性能、对参数的敏感性及能量耗费等方面对信息融合系统评价。

为了达到上述目的，本发明提供的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床，其包括：用于产生包括目标身份、属性及运动轨迹在内的目标模拟信息源数据的目标仿真模块；用于按照所述目标模拟信息源数据及无线传感器网络的特点仿真无线传感器网络环境的无线传感器网络仿真模块，其包括对无线传感网的传感信道仿真的传感信道单元、对传感器节点仿真的传感器节点单元、对无线信道仿真的无线信道单元、及对汇聚节点仿真的汇聚节点单元；动态地挂载在所述传感器节点单元与汇聚节点单元，用于将所仿真的无线传感器网络中各节点的数据进行信息融合的信息融合模块；用于对融合后的结果采用包括信息准确度、实时性能、对参数的敏感性及能量耗费在内的多个评价指标进行计算，并定量评价融合算法的性能评估模块；用于显示系统工作状态和评估结果的人机接口模块。

综上所述，本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床通过对传感器节点及汇聚节点融合信息的分析，可实现从信息准确度、实时性能、对参数的敏感性及能量耗费等方面对信息融合系统评价。

附图说明

图1为本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床的基本架构示意图。

图2为本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床的目标仿真模块基本架构示意图。

图3为本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床的传感器节点单元基本架构示意图。

图4为本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床的汇聚节点单元基本架构示意图。

图5为本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床的传感器节点信息融合算法测试流程图。

图6为本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床的汇聚节点信息融合算法测试流程图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床按照面向对象的开发思想，并在分析确定输入输出的基础上，基于COM组件的软件架构，采用C++语言实现，提供一个平台独立，可扩展、可重用的测试环境，并按照功能专一的原则划分WSN信息融合系统测试床的各个组件，由此其至少包括：目标仿真模块、目标真实情况数据库、无线传感器网络仿真模块、信息融合模块、融合信息数据、性能评估模块、性能评估数据库、及人机接口模块，通过对各个模块进行独立设计，实现和测试，然后再将各模块组合起来，即构成WSN信息融合系统测试床。由于各模块可通过端口收发数据与其他模块进行通信，当数据到达一模块的端口时，该模块立即在一个独立的运行环境下处理数据，同时，所述WSN测试床提供脚本接口，允许不同的脚本语言(比如Perl，Tcl，Python)集成使用。

所述目标仿真模块用于产生包括目标身份、属性及运动轨迹在内的目标模拟信息源数据，请参见图2，其包括：用于提供目标的位置、速度及目标运动模型的目标实体类；用于提供目标的基本功能及周期地产生激励信号的目标运动模型类；以及第一传感器物理层类，用于接收所述目标实体类提供的信息，并根据所述目标运动模型类提供的信息产生目标当前信息，并将所述目标当前信息和所接收的激励信号传送至所述无线传感器网络仿真模块的传感信道类(请容后详述)。

所述目标真实情况数据库与所述目标仿真模块相连接，用于存储和访问目标真实情况的目标真实情况，如此可便于后续的查阅等。

所述无线传感器网络仿真模块用于按照所述目标模拟信息源数据及无线传感器网络的特点仿真无线传感器网络环境，其包括对无线传感网的传感信道仿真的传感信道单元、对传感器节点仿真的传感器节点单元、对无线信道仿真的无线信道单元、及对汇聚节点仿真的汇聚节点单元。

所述传感信道单元还包括：用于提供无线传感网内所有节点的位置信息的传感器节点位置类、用于根据传感器节点位置类提供的节点位置获得在感知范围内的传感器节点，并将所述传感器物理层类传送至的激励信号发送给相应各传感器节点的传感信道类、及用于提供声音速度、无线传感网内的各传感器节点及目标间距离的函数关系的声音信道类。

请参见图3，所述传感器节点单元包括：用于根据接收的所述传感信道类传送至的激励信号、目标当前信息、及所述声音信道类提供的所述函数关系计算接收到的激励信号能量的第二传感器物理层类、用于接收从所述第二传感器物理层类传送的激励信号和目标信息，并从中提取目标的信噪比信息后，再将各信息传输的传感器实体类、接收所述传感器实体类传输的信息并提供至所述信息融合模块以进行测试的传感器应用层类、用于提供网络层及数据链路层(MAC层)功能的第一无线协议栈类、用于实现传感器应用层类和第一无线协议栈类之间的传输层功能的第一无线实体类、用于根据所述第一无线协议栈类将所述传感器应用层类接收的各信息打包以发送给所述无线信道单元的传感器数据包类，通常，MAC层采用IEEE802.11MAC协议，网络层采用WSN网络的基于距离矢量算法的AODV协议。

再请参见图4，所述汇聚节点单元包括：用于融合所述无线信道类传送至各传感器节点的信息的第三传感器物理层类、用于提供网络层及数据链路层功能以将所述第三传感器物理层类获得的信息传输的第二无线协议栈类、用于提供所述信息融合模块的接口以将所述信息融合模块挂载到所述接口进行测试的汇聚应用层类、用于实现所述汇聚应用层和第二无线协议栈之间的传输层功能的第二无线实体类。

所述信息融合模块动态地挂载在所述传感器节点单元与汇聚节点单元，用于将所仿真的无线传感器网络中各节点的数据进行信息融合，其包括用于接收所述传感器应用层类传送的信息并对所述信息进行目标检测的目标检测类、用于对检测出的目标进行识别的目标识别类、用于接收所述汇聚节点应用层类传送至的信息并对所述信息进行多节点目标识别的多节点目标识别融合类、用于将识别出的多节点目标进行目标关联的目标关联类、及用于跟踪经过目标关联的各目标的目标跟踪类。请参见图5，当所述信息融合模块成功挂载在所述传感器节点单元后，其接收由所述传感器应用层类传送来的信息，首先对所述信息进行目标检测以确定所述信息中是否存在目标，若不存在目标则结束，若存在目标则对检测出的目标采用目标识别算法(例如基于功率谱特征的二分类模糊分类器识别，其可根据传感器节点输出确定的目标类型，或者基于小波包特征的二分类模糊分类器识别，其也可根据传感器节点输出确定的目标类型)进行目标识别，最后将识别结果形成报告后发送至无线信道类，同时将所述报告存储至融合信息数据库。在请参见图6，当所述信息融合模块成功挂载在所述汇聚节点单元后，其接收由所述汇聚应用层类传送来的信息，首先对接收的信息采用多节点识别融合算法(例如基于小波包特征的二分类模糊分类器，其可根据传感器节点输出目标属于每种类别的置信度被传输至汇聚节点后，由汇聚节点经D-S证据理论法融合后给出目标类型)进行识别，然后再采用目标关联算法及目标跟踪算法对其进行进一步处理，最后形成报告将报告存储至融合信息数据库。

所述融合信息数据与所述信息融合模块相连接，用于储存融合后的信息，即将信息融合模块形成的各报告予以存储。

所述性能评估模块用于对融合后的结果采用包括信息准确度、实时性能、对参数的敏感性及能量耗费在内的多个评价指标进行计算，并定量评价融合算法，由于信息准确度、实时性能和对参数的敏感性三个评价指标的评估已为本领域技术人员所熟悉，故在此不再详述。由于在无线传感器网络中每一传感器节点都具有数据采集、数据处理、数据通信及能量供应功能，其中，相对数据采集和数据处理而言，数据通信消耗能量最多，有研究表明，发送1比特数据到100米远的距离所消耗能量可以进行3000次运算，所以，在测试融合系统算法消耗能量中，采用作为主要能量消耗的数据通信能量消耗作为能量评价指标，其定量定义如下：

第i个单传感器节点发送一比特消耗的能量为：

E_ti＝α₁₁+α₂dⁿ    (1)

其中，α₁₁是发送电路消耗的能量，α₂为发送损耗消耗能量，d为两节点之间的距离，n为衰减系数。

第i个单传感器节点接收一比特消耗能量为：

E_ri＝α₁₂    (2)

其中，α₁₂是接收电路消耗的能量。

假设第i个单传感器节点发送r₁位数据，接收r₂位数据，故单传感器节点通信能量消耗为：

E_i＝(α₁₁+α₂dⁿ)×r₁+α₁₂×r₂    (3)

假设系统共有m个节点，则节点通信总能量消耗为：

$>E=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{E}_i---\left(4\right)$>

根据上述说明所述性能评估模块即可有效估算出系统的能量消耗。

所述人机接口模块与所述性能评价模块相连接，用于显示系统工作状态和评估结果。

所述性能评估数据库与所述性能评估模块相连接，用于储存性能评估后的结果。

当所述基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床被启动后，首先由目标仿真模块产生目标真实数据并存入到目标真实情况数据库，目标真实情况数据经传感信道单元将数据发送到传感器节点单元，传感器节点单元接收到数据后，经传感器应用层类挂载的信息融合模块进行检测、识别、能量计算等信息处理后，将融合数据存入到融合信息数据库，并通过无线信道类将数据发送到汇聚节点单元，汇聚节点单元对传感器节点单元发出的本地融合信息进行多个传感器节点识别结果的融合以及目标跟踪，由汇聚节点单元输出的融合结果存入到融合信息数据库，仿真运行结束后，目性能评估模块依据性能评价指标，对融合信息数据库和目标真实数据库中的数据进行计算，给出评价结果，并经人机接口模块进行显示，实现WSN体系下信息融合系统的测试。

当采用本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床对无线传感器网络体系下的三种目标分类算法进行测试，其中，三种目标分类算法分别为：(1)分类算法1：基于功率谱特征的二分类模糊分类器，传感器节点输出确定的目标类型；(2)分类算法2：基于小波包特征的二分类模糊分类器，传感器节点输出确定的目标类型；(3)分类算法3：基于小波包特征的二分类模糊分类器，传感器节点输出目标属于每种类别的置信度，传输至汇聚节点，由汇聚节点经D-S证据理论法融合后给出目标类型。

当采用的测试条件为：传感器采用震动传感器，共布设有10个传感器节点，1个汇聚节点，传感器节点沿两平行线依次布设，横向间距10m，纵向间距5m，汇聚节点位于中心位置，目标采用重型轮式车模型，在两行传感器间行进。对上述三种分类方法在不同噪声方差环境下进行测试，测试结果如表1所示。其中t_recognize为从目标被检测到到识别的时间。

所述基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床的测试结果如下表1：

表1目标分类算法测试结果

信息融合分类算法                                  评价指标对参数的敏感性              信息准确度  实时性  能量耗费噪声方差识别正确率识别错误率识别模糊率t_recognize消耗能量分类算法1    σ＝5    98％    1％    1％  1000ms  7.25mJ    σ＝15    90％    4％    6％  1000ms  7.25mJ    σ＝30    82.3％    8.5％    9.2％  1000ms  7.25mJ分类算法2    σ＝5    98％    1％    1％  1000ms  7.25mJ    σ＝15    92％    2.8％    5.2％  1000ms  7.25mJ    σ＝30    86.5％    4.5％    9％  1000ms  7.25mJ分类算法3    σ＝5    99％    0％    1％  1200ms  13.06mJ    σ＝15    95.2％    2％    2.8％  1200ms  13.06mJ    σ＝30    89.4％    3.6％    7％  1200ms  13.06mJ

由表1可知，基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床为WSN环境下的信息融合算法提供高保真度的测试环境，并从信息准确度、能量耗费、实时性，以及对参数的敏感性全面、客观地进行了评价，并以定量的方式进行反映。

综上所述，本发明的基于无线传感器网络体系下的信息融合系统性能测试床基于COM组件的软件架构，采用C++语言实现，其能够更加全面、客观地进行无线传感器网络体系下信息融合系统测试和评价，将评价结果纳入融合规则的选取和参数的选取，实现对现有融合算法的改进和新的融合算法的研究论证，从而丰富和完善无线传感器网络体系下信息融合系统框架。