果园传感器网络数据滤波算法与研究.pdfVIP

2011 年 CSAE2011 2011 1 果园传感器网络数据滤波算法研究 1 1※ 徐刚 ，陈立平 ，张瑞瑞 国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097 xug@nercita.org.cn 摘 要：在无线传感器网络中，由于传感器节点自身体积和能量上的限制，传感器采集到的数据精度有限。为了获取更 多的有用信息，需要对所采集的数据进行处理，将无效数据和异常数据滤除，减少环境噪声对数据的影响。本研究在借 鉴以往数据处理经验的基础上，提出了详细的处理流程，实现了线性平滑滤波、阈值滤波和卡尔曼滤波这3 种滤波算法，， 并对服务器端数据处理软件进行了系统地设计和实现，为以后数据处理流程的规范化提供了有益的探索 关键词：果园，传感器网络，滤波 器端处理，因此果园传感器网络数据处理系统主要包括 0 引 　 言 两部分功能：1、数据滤波功能，滤除错误数据并减少噪 准确采集果园环境信息是果园精准管理和信息化的 声影响。2 、数据融合功能，在保证数据质量的前提下对 基础。研究、设计并开发设施农业环境监控系统具有重 数据进行融合，减轻数据库检索的负担。 要的理论意义和应用价值。无线传感器网络具有无基础 2 数据滤波算法 设施、能耗低、部署与扩展灵活等优点，适宜果园环境 [1-4] 果园传感器网络获取的错误数据主要由三种原因产 的长期监控。 生：1、传感器硬件故障或设备部署不正确，对于此种错 以往的研究主要在保证传感器网络系统软件和硬件 设计，以保证数据的可靠传输和网络系统的稳定工作， 误数据需要完全滤除并提示管理人员及时处理。2 、通讯 鲜有对传感器数据可靠性的研究。本研究针对传感器网 过程产生的错误数据，为了保证传感器节点和汇聚节点 络的数据特点，设计并实现三套滤波算法，保证了传感 的通讯效率，下位机系统没有包含复杂的校验机制，当 器网络数据的可靠性和可用性。有很好的实用价值，进 无线通讯发生碰撞时产生的一些无效数据会被上传到服 一步研究相关研究开拓了方向。 务器中，对此类错误数据需要完全滤除并另行记录用以 1 传感器网络软硬件结构 评价通讯系统的工作效率。3、由环境因素如温度、湿度、 果园传感器网络包括3 个主要组成部分：1、无线传 工作电压或其它环境噪声引起的传感器数据波动，此类 感器网络传感器节点与汇聚节点；2 、服务器后台数据管 噪声是数据滤波系统要解决的关键问题，本研究采用线 理系统；3 果园数据表示层系统软件。其中，服务器后台 性平滑滤波算法和卡尔曼滤波器对其进行处理，尽可能 数据管理系统又包括实时通讯服务器软件和数据处理服 减少此类噪声对数据的影响。 务器软件两部分，本文主要研究果园传感器网络数据处 2.1 阈值滤波 理系统的滤波算法。 阈值滤波又称阈值带滤波[5] ，用于滤除传感器硬件问 题和通讯错误产生的错误数据。仅允许阈值范围内的数 传感器网络 传感器网络 据通过，公式如下： 实时通信服务器 数据处理服务器 其中x 为输入，y 为输出，A 为阈值范围。 2.2 线性平滑滤波 线性平滑滤波算法的设计思想源自于平滑空间滤 [6]平滑线性空间滤波器是应用于空间域滤波的一 波器。 传感器网络 传感器网络 种常见的线性滤波器，它的输出 响应 是包含在滤波掩 用户 代理服务器 应用程序服务器 数据库服务器 模邻域内元素的简单平均值，所以属于均值滤波器， 主要用于空间域上的模糊处理和减小噪声。模糊处理 经常用于数据的预处理，也就是在正式处理数据之前 用户 移动用户 去除其中的一些不理想的数据。 图 1 传感器网络系统结构 由于传感器网络系统采集密度大，而果园生产环境 由于传感器网络的节点采用轻量化设计，没有复杂 变化较慢，使用线性平滑滤波可以消除大部分偶然因素 的滤波与数据处理模块，采集到的数据统一发送到服务 产生的数据波动。公式如下： 徐刚，主要研究传感器网络、嵌入式系统和农业信息化。 ※陈立平，研究员，博士生导师，主要从事精准农业与智能决策等研究 其中 为第i 个输入值， 为第i 个输出值， 为第i 张瑞瑞，主要研究方向为主要从事无线传感器网络技术及应用。 2 农业工程学会 2011 年 个输入值的权重，n 为滤波掩码的宽度。滤波的结果因 更新阶段： 为引入了前后值对当前值的影响，所以可以在宏观上 达到一种使数据的整体变化趋势变得柔和平滑的效 果，使原本杂乱的数据观察起来具有更明显的统计学 意义。 2.3 卡尔曼滤波 卡尔曼滤波算法是一种自适应滤波算法，功能强大， 可以用来做滤波，也可以用来做预测。它的自适应性就 3 果园传感器网络数据分析 在于它是一种迭代式算法，每次操作都是在上一次过程 为对比滤波效果，分别采用阈值滤波、线性平滑滤 结果的基础上进行