專利名稱：一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域目標(biāo)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域目標(biāo)跟蹤方法，主要用于解決無線多 媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)定位和跟蹤問題，屬于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)定位領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、 計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感 器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分 布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種 環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡、準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這 些信息的用戶。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多應(yīng)用中，目標(biāo)跟蹤是一項(xiàng)基本功能，由于傳感器節(jié)點(diǎn) 體積小，價(jià)格低廉，采用無線通信的方式以及傳感器網(wǎng)絡(luò)部署隨機(jī)，具有自組織性、魯棒 性和隱蔽性等特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合于移動(dòng)目標(biāo)的定位和跟蹤。然而隨著應(yīng)用環(huán)境的 日趨復(fù)雜多變，普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲取的簡單數(shù)據(jù)(如溫度、濕度和光強(qiáng))愈加不能 滿足人們的應(yīng)用需求，迫切需要將信息量豐富的圖像、音頻、視頻等媒體引入到以傳感器 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的應(yīng)用環(huán)境中來，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度、精準(zhǔn)信息的應(yīng)用。因而，近年來，對(duì)基于多媒 體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的目標(biāo)跟蹤方法的研究已引起了科研人員的密切關(guān)注。
傳統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，如雷達(dá)系統(tǒng)，通常由有限的探測(cè)站點(diǎn)(雷達(dá))以及數(shù)據(jù)處理中 心構(gòu)成，并且探測(cè)站點(diǎn)會(huì)配置較高處理能力的設(shè)備以及相對(duì)充足的資源?；跓o線多媒體 傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)是由眾多處理能力有限的探測(cè)節(jié)點(diǎn)組成，需要多媒體傳感器網(wǎng) 絡(luò)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的偵測(cè)信號(hào)判斷目標(biāo)是否出現(xiàn)，如果目標(biāo)出現(xiàn)，需要在一定時(shí)間內(nèi)判斷出目標(biāo) 的運(yùn)動(dòng)軌跡。這就不僅要求多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)偵測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)不同的任務(wù)需求 和有限的資源選擇合適的算法確定目標(biāo)狀態(tài)，而且需要網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，通過 交換偵測(cè)信息共同確定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將跟蹤結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)用戶。
基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤過程主要包括偵測(cè)、定位和通告三個(gè)階段，節(jié)點(diǎn) 在不同階段采用不同的狀態(tài)來完成目標(biāo)跟蹤的任務(wù)。在偵測(cè)階段，可以選擇紅外、超聲或 者震動(dòng)技術(shù)偵測(cè)目標(biāo)的出現(xiàn)；在定位階段，通過多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作，確定目標(biāo) 的當(dāng)前位置，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置的歷史數(shù)據(jù)來估算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。通告階段是節(jié)點(diǎn)交換信息 的過程，主要是廣播目標(biāo)的預(yù)估軌跡，通知和啟動(dòng)軌跡附近的節(jié)點(diǎn)加入目標(biāo)跟蹤的過程。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，用于解決當(dāng)前無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位及其應(yīng)用的問題，實(shí)現(xiàn)無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)在 環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的細(xì)粒度、精準(zhǔn)信息的應(yīng)用。
技術(shù)方案本發(fā)明的一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)目標(biāo)跟蹤方法可以應(yīng)用于現(xiàn) 有的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，在深入分析無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，其目 標(biāo)是通過節(jié)點(diǎn)在不同狀態(tài)下的各自特點(diǎn)完成對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)的區(qū)域監(jiān)測(cè)，通過節(jié)點(diǎn)間 的協(xié)作來完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤任務(wù)，從而達(dá)到節(jié)省網(wǎng)絡(luò)整體能量，提高網(wǎng)絡(luò) 生存周期的目的，在盡量少地消耗節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)資源的情況下，通過簡單的方法來有效的解 決目前基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法精度不高的問題。
實(shí)現(xiàn)一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方法，它應(yīng)具有如下特征整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在 其生存周期內(nèi)存在各個(gè)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，同一節(jié)點(diǎn)在特定時(shí)刻只能處于一個(gè)狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)的功能 決策依賴于當(dāng)前自身所處的狀態(tài)；節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可以隨著自身?xiàng)l件的變化而發(fā)生改變，從一 種狀態(tài)切換到另一狀態(tài)；各個(gè)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)可以靈活的根據(jù)目標(biāo)跟蹤的時(shí)效性要求及精度要 求做出狀態(tài)切換策略。
本方案采用層次式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)簇存在一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)和基站通信，各區(qū) 域內(nèi)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的劃分依據(jù)于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)具有的能量，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)存在有以下三種類型的狀態(tài) 空閑態(tài)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)，也是節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)狀態(tài)。
監(jiān)測(cè)態(tài)此種狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)執(zhí)行監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)目標(biāo)的任務(wù)，利用自身的傳感器模 塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位置，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果傳送至處于計(jì)算態(tài)的節(jié)點(diǎn)。
計(jì)算態(tài)處于此種狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)傳送過來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用現(xiàn)有的壓縮， 融合算法進(jìn)行處理，并負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點(diǎn)。因?yàn)樾枰M(jìn)行大量的運(yùn)算， 因而此類節(jié)點(diǎn)需具有較高的剩余能量，節(jié)點(diǎn)數(shù)目依賴于區(qū)域節(jié)點(diǎn)總數(shù)目以及節(jié)點(diǎn)的剩余能 量狀況而有所不同， 一般為區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的10%至20% 。 一、體系結(jié)構(gòu)
無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)從邏輯上可以分為平面式和層簇式兩種體系結(jié)構(gòu)。平面式結(jié)構(gòu) 中，各傳感器節(jié)點(diǎn)地位平等，都參與數(shù)據(jù)采集和路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。在層簇式結(jié)構(gòu)中，將節(jié)點(diǎn) 分為普通多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)。各簇節(jié)點(diǎn)通過本簇簇頭節(jié)點(diǎn)將采集的 數(shù)據(jù)傳送給基站節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)相對(duì)普通傳感器節(jié)點(diǎn)功能更強(qiáng)大、資源更豐富；基站是整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)中功能最強(qiáng)的、資源最豐富的節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理。本發(fā)明的方法就建立在 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的層簇式體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，無需添加新的設(shè)備儀器。圖1給出層簇式無線 多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤體系結(jié)構(gòu)示意圖。
處于監(jiān)測(cè)態(tài)的多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的關(guān)于移動(dòng)目標(biāo)相關(guān)的位置信息和收集到的鄰 居節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送給計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)根據(jù)收集到的各節(jié)點(diǎn)的信息、尤其是各節(jié)點(diǎn) 匯報(bào)的目標(biāo)位置信息，并能夠根據(jù)信息對(duì)能目標(biāo)的現(xiàn)有位置進(jìn)行判斷。計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)再將自 己判斷后的目標(biāo)位置的信息發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的處理以后發(fā)送給基站 節(jié)點(diǎn)，最后由基站通知用戶?；臼钦麄€(gè)無線無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部其它網(wǎng)絡(luò)及用 戶的接口。
圖2給出了典型的按基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方案設(shè)計(jì)出的目標(biāo)跟蹤處理 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分終端(PC機(jī))部分和節(jié)點(diǎn)端部分。終端部分包括目標(biāo)跟蹤任務(wù)解析模塊和用戶交互接口、目標(biāo)跟蹤任務(wù)發(fā)布接口。節(jié)點(diǎn)端部分包括目標(biāo)跟 蹤結(jié)果返回接口以及執(zhí)行態(tài)功能模塊、計(jì)算態(tài)功能模塊、存儲(chǔ)態(tài)功能模塊，這三個(gè)模塊由 狀態(tài)控制模塊統(tǒng)一控制。
下面給出這幾個(gè)模塊的具體說明
目標(biāo)跟蹤任務(wù)解析模塊對(duì)由用戶交互接口傳入的參數(shù)進(jìn)行解析，將任務(wù)需求封裝成 數(shù)據(jù)包，通過目標(biāo)跟蹤任務(wù)發(fā)布接口發(fā)布到節(jié)點(diǎn)上。
監(jiān)測(cè)態(tài)功能模塊對(duì)從目標(biāo)跟蹤任務(wù)發(fā)布接口傳送過來的任務(wù)進(jìn)行解析，根據(jù)的任務(wù) 的內(nèi)容屬性進(jìn)行執(zhí)行，將執(zhí)行結(jié)果按照需求傳送到計(jì)算態(tài)功能模塊或查詢結(jié)果返回接口 。
計(jì)算態(tài)功能模塊對(duì)從監(jiān)測(cè)態(tài)功能模塊傳送的過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的壓 縮、融合處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點(diǎn)。
空閑態(tài)功能模塊控制區(qū)域節(jié)點(diǎn)在完成目標(biāo)跟蹤任務(wù)后立即回到初始的空閑狀態(tài)，從 而達(dá)到節(jié)約能量的目的。
系統(tǒng)控制模塊對(duì)監(jiān)測(cè)態(tài)功能模塊、計(jì)算態(tài)功能模塊、空閑態(tài)功能模塊這三個(gè)模塊進(jìn) 行協(xié)調(diào)，控制節(jié)點(diǎn)在這三個(gè)狀態(tài)間轉(zhuǎn)移。 二、方法流程
一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域目標(biāo)跟蹤方法所包含的步驟為
步驟1).將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)正方形網(wǎng)格區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中心部署帶有GPS的 錨節(jié)點(diǎn)；
步驟2).部署無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲取 自身唯一的區(qū)域信息；
步驟3).對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，每個(gè)簇選舉出簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)和基站通信，置其余節(jié)點(diǎn)為空 閑態(tài)；
步驟4).簇頭節(jié)點(diǎn)記錄本簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)和區(qū)域信息；
步驟5).分別在各個(gè)簇內(nèi)除簇頭節(jié)點(diǎn)以外依據(jù)剩余能量最多的選擇策略選舉出計(jì)算 態(tài)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算處理監(jiān)測(cè)到的周圍環(huán)境中的目標(biāo)數(shù)據(jù)，剩余節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)直接執(zhí)行監(jiān) 測(cè)任務(wù)采集傳感數(shù)據(jù)；
步驟6).簇頭節(jié)點(diǎn)將本簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的區(qū)域位置信息發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)； 步驟7).基站節(jié)點(diǎn)保存簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)區(qū)域位置信息，建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域鄰居 信息表；
步驟9).每個(gè)簇內(nèi)的計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)廣播消息包，并根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)的消息包的信號(hào)強(qiáng)度建 立相鄰關(guān)系表后進(jìn)入空閑態(tài)；
步驟10).在步驟3)至步驟9)所部署好的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)維護(hù)時(shí)間間隔；
步驟11).根據(jù)步驟10)中設(shè)置的時(shí)間間隔來對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，時(shí)間到轉(zhuǎn)步驟3) 執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟12);
步驟12).監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度超過預(yù)設(shè)的門限值，發(fā)送數(shù)據(jù)包 通知簇頭節(jié)點(diǎn)；
步驟13).簇頭節(jié)點(diǎn)在本簇內(nèi)廣播消息包，喚醒簇內(nèi)所有計(jì)算態(tài)成員節(jié)點(diǎn)，設(shè)置監(jiān)測(cè) 時(shí)間間隔；步驟14).監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度值發(fā)送至計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)將 監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到信號(hào)強(qiáng)度最大的節(jié)點(diǎn)位置和信號(hào)強(qiáng)度值封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送至簇頭節(jié)點(diǎn)；
步驟15).監(jiān)測(cè)時(shí)間到轉(zhuǎn)步驟16)執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟12);
步驟16).簇頭節(jié)點(diǎn)從所有計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包中選擇信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值最大 的節(jié)點(diǎn)的位置作為目標(biāo)的位置預(yù)估值送至基站，返回給用戶；
步驟17).計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑態(tài)，等待再次被喚醒；
步驟18).重復(fù)執(zhí)行步驟12)至步驟17)執(zhí)行新的目標(biāo)跟蹤任務(wù)；
有益效果本發(fā)明方法針對(duì)無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提出了一種高效的區(qū)域目標(biāo) 跟蹤方法，主要用于監(jiān)測(cè)無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)周圍的環(huán)境和及時(shí)對(duì)入侵目標(biāo)作出反應(yīng)， 避免產(chǎn)生進(jìn)一步的危害。通過使用本發(fā)明提出的基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域目標(biāo)跟蹤 方法，在無需添加任何檢測(cè)設(shè)備和消耗過多資源的條件下保證了對(duì)目標(biāo)跟蹤的客觀準(zhǔn)確性、 完備性和及時(shí)性，從而滿足無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，達(dá)到進(jìn)一步保護(hù)無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)安全的目的。下面我們給出具體的說明。
混合性傳統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)，如雷達(dá)系統(tǒng)，通常由有限的探測(cè)站點(diǎn)(雷達(dá))以及數(shù) 據(jù)處理中心構(gòu)成，并且探測(cè)站點(diǎn)會(huì)配置較高處理能力的設(shè)備以及相對(duì)充足的資源。為了充 分發(fā)揮無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)時(shí)將目標(biāo)跟蹤的任務(wù)分發(fā)到分散到 不同的節(jié)點(diǎn)上，通過網(wǎng)絡(luò)中不同狀態(tài)以及不同地位的節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作來完成用戶定義的 目標(biāo)跟蹤任務(wù)。
有效性本發(fā)明方法根據(jù)無線多媒體網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤需求，提出了相應(yīng)的 區(qū)域目標(biāo)跟蹤檢測(cè)方法。移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤檢測(cè)，建立在簡單的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)基礎(chǔ)之上，可以有 效地實(shí)時(shí)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測(cè)的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
客觀準(zhǔn)確性本發(fā)明方法要求各級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)移動(dòng)的判斷建立在一定的經(jīng)驗(yàn)值 之上，S卩，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度必須大于某一閥值，才可以斷定其的相 對(duì)位置，并通知相關(guān)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步跟蹤。這主要是針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境惡劣、 容易出錯(cuò)，為降低誤差而設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤的客觀性和準(zhǔn)確性。


圖1是層簇式無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤體系結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤方案設(shè)計(jì)出的目標(biāo)跟蹤處理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 示意圖。
圖3是基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域目標(biāo)跟蹤算法流程圖。
具體實(shí)施例方式
步驟1).將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)正方形網(wǎng)格區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中心部署帶有GPS的 錨節(jié)點(diǎn)；
步驟2).部署無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲取自 身唯一的區(qū)域信息；
步驟3).對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，每個(gè)簇選舉出簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)和基站通信，置其余節(jié)點(diǎn)為空 閑態(tài)；步驟4).簇頭節(jié)點(diǎn)記錄本簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)和區(qū)域信息；
步驟5).分別在各個(gè)簇內(nèi)除簇頭節(jié)點(diǎn)以外依據(jù)剩余能量最多的選擇策略選舉出計(jì)算態(tài) 節(jié)點(diǎn)，計(jì)算處理監(jiān)測(cè)到的周圍環(huán)境中的目標(biāo)數(shù)據(jù)，剩余節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)直接執(zhí)行監(jiān)測(cè) 任務(wù)采集傳感數(shù)據(jù)；
步驟6).簇頭節(jié)點(diǎn)將本簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的區(qū)域位置信息發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)； 步驟7).基站節(jié)點(diǎn)保存簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)區(qū)域位置信息，建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域鄰居 信息表；
步驟9).每個(gè)簇內(nèi)的計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)廣播消息包，并根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)的消息包的信號(hào)強(qiáng)度建 立相鄰關(guān)系表后進(jìn)入空閑態(tài)；
步驟10).在步驟3)至步驟9)所部署好的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)維護(hù)時(shí)間間隔；
步驟11).根據(jù)步驟IO)中設(shè)置的時(shí)間間隔來對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，時(shí)間到，轉(zhuǎn)步驟3) 執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟12);
步驟12).監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度超過預(yù)設(shè)的門限值，發(fā)送數(shù)據(jù)包 通知簇頭節(jié)點(diǎn)；
步驟13).簇頭節(jié)點(diǎn)在本簇內(nèi)廣播消息包，喚醒簇內(nèi)所有計(jì)算態(tài)成員節(jié)點(diǎn)，設(shè)置監(jiān)測(cè) 時(shí)間間隔；
步驟14).監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度值發(fā)送至計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)將 監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到信號(hào)強(qiáng)度最大的節(jié)點(diǎn)位置和信號(hào)強(qiáng)度值封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送至簇頭節(jié)點(diǎn)；
步驟15).監(jiān)測(cè)時(shí)間到，轉(zhuǎn)步驟16)執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟12);
步驟16).簇頭節(jié)點(diǎn)從所有計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包中選擇信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值最大的 節(jié)點(diǎn)的位置作為目標(biāo)的位置預(yù)估值送至基站，返回給用戶；
步驟17).計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑態(tài)，等待再次被喚醒；
步驟18).重復(fù)執(zhí)行步驟12)至步驟17)執(zhí)行新的目標(biāo)跟蹤任務(wù)。
基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)開發(fā)過程具體如下-
步驟一進(jìn)行需求分析確定區(qū)域目標(biāo)跟蹤任務(wù)定義和目標(biāo)跟蹤任務(wù)的發(fā)布接口。首先 要根據(jù)需要完成任務(wù)需求，明確任務(wù)發(fā)布接口形式及參數(shù)。目標(biāo)跟蹤任務(wù)的輸入接口采用 圖形化界面提供給用戶，確定目標(biāo)跟蹤任務(wù)的發(fā)布方式，目標(biāo)跟蹤任務(wù)通過基于不同的操 作系統(tǒng)采用不同的數(shù)據(jù)包格式下發(fā)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行，如采用TinyOS操作系統(tǒng)部 署無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，則采用TinyOS數(shù)據(jù)包格式對(duì)査詢的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行封裝，再通過 串口傳送到基站，繼而發(fā)布到執(zhí)行節(jié)點(diǎn)；最后，確定査詢結(jié)果的返回方式，査詢結(jié)果仍然 采用數(shù)據(jù)包對(duì)査詢數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，通過基站返回到終端，終端對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析后以圖形 化界面的形式顯示給用戶。
步驟二建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皩?duì)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)初始化。網(wǎng)絡(luò)采用層次式分簇結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)有 的分簇算法，如LEACH、 GAF算法等將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成若干簇，每個(gè)簇有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)和 基站通信，簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信。簇頭節(jié)點(diǎn)保存自己簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn) 保存各自鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。初始時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)置為初始態(tài)。
步驟三設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)設(shè)置及功能設(shè)置。節(jié)點(diǎn)所執(zhí)行的功能依賴于當(dāng)前其所處的狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)的生存周期內(nèi)按照時(shí)間序列劃分成若干個(gè)時(shí)間片，在第一個(gè)時(shí)間片內(nèi)按照一定 的策略在每個(gè)簇內(nèi)選舉出計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)融合計(jì)算數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境信 息，計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)融合和計(jì)算，空閑態(tài)節(jié)點(diǎn)處于低功耗狀態(tài)，隨時(shí)聽候簇頭節(jié) 點(diǎn)的調(diào)度。狀態(tài)選擇策略如下首先在網(wǎng)絡(luò)初始化后，在每個(gè)分簇內(nèi)除簇頭節(jié)點(diǎn)外選舉出 剩余能量最高的一部分節(jié)點(diǎn)置為計(jì)算態(tài)，處于計(jì)算態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大約占整個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量 的10%至20% ,然后簇頭節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前狀態(tài)為空閑態(tài)的成員節(jié)點(diǎn)中根據(jù)節(jié)點(diǎn)在本簇中的分布 密度選舉出服從均勻分布的節(jié)點(diǎn)置為監(jiān)測(cè)態(tài)，處于監(jiān)測(cè)態(tài)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大約占整個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn) 數(shù)量的50O/o至6(P/0，最后將剩余的節(jié)點(diǎn)全部置為空閑態(tài)。完成對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的設(shè)置后，按 照狀態(tài)控制算法對(duì)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身剩余的能量及剩余存儲(chǔ)空間在各個(gè) 狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。算法如下當(dāng)輪轉(zhuǎn)時(shí)間片到，簇內(nèi)各狀態(tài)節(jié)點(diǎn)重新選舉出剩余能量最高的設(shè)
為計(jì)算態(tài)，簇內(nèi)按照均勻分布的策略從成員節(jié)點(diǎn)中選取出50o/o至60。/o的節(jié)點(diǎn)設(shè)為計(jì)算
態(tài)，其余設(shè)為空閑態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量過低無法工作時(shí)，將自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包通知用戶補(bǔ)充能 量。節(jié)點(diǎn)的功能緊密依賴于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所處的狀態(tài)，各個(gè)狀態(tài)執(zhí)行的功能各不相同，通過各 個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的協(xié)作完成目標(biāo)跟蹤任務(wù)。首先設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)的功能，監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)收到目標(biāo) 跟蹤任務(wù)后，將監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)的信號(hào)強(qiáng)度值，直接發(fā)往計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)。其次設(shè)計(jì)計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn) 功能，計(jì)算節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到不同鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包來提取出來有關(guān)目標(biāo)的位置信息，進(jìn)行綜 合的數(shù)據(jù)融合和信息處理，最后將得到的關(guān)于目標(biāo)的位置信息發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)。
步驟四在網(wǎng)絡(luò)中部署基于無線多媒體網(wǎng)絡(luò)區(qū)域目標(biāo)跟蹤處理系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施。 如圖2所示， 一個(gè)典型的該類應(yīng)用通常需要下面幾個(gè)部件
(1) 服務(wù)器終端提供圖形化的操作界面供用戶輸入目標(biāo)跟蹤任務(wù)的各項(xiàng)參數(shù)，封裝
成數(shù)據(jù)包并通過串口發(fā)往基站節(jié)點(diǎn)；對(duì)由串口傳來的結(jié)果數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，將用戶需求的
目標(biāo)的位置實(shí)時(shí)的以圖形化的形式顯示給用戶。
(2) 帶有多媒體傳感模塊的無線傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)，具有獨(dú)
立的計(jì)算、存儲(chǔ)能力，而且可以與周圍的其他傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線信道和無線協(xié)議進(jìn)行無 線廣播通信，并帶有多媒體傳感器模塊可以采集視頻、音頻信息。
(3) 無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)管理基站 一個(gè)特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有持續(xù)的 電力供應(yīng)，提供了與服務(wù)器之間的有線通信軟硬件接口。
部署完基礎(chǔ)設(shè)施之后還需加載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，如Tiny0S、 Mantis0S等。在 部署完硬件基礎(chǔ)設(shè)施及軟件系統(tǒng)后，就可以將按本發(fā)明方案所設(shè)計(jì)的基于無線多媒體傳感 器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤處理系統(tǒng)部署到服務(wù)端及節(jié)點(diǎn)上，開始其應(yīng)用。
權(quán)利要求
1. 一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域目標(biāo)跟蹤方法，其特征在于區(qū)域目標(biāo)跟蹤方法所包含的步驟為步驟1). 將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)正方形網(wǎng)格區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中心部署帶有GPS的錨節(jié)點(diǎn)；步驟2). 部署無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲取自身唯一的區(qū)域信息；步驟3). 對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，每個(gè)簇選舉出簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)和基站通信，置其余節(jié)點(diǎn)為空閑態(tài)；步驟4). 簇頭節(jié)點(diǎn)記錄本簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)和區(qū)域信息；步驟5). 分別在各個(gè)簇內(nèi)除簇頭節(jié)點(diǎn)以外依據(jù)剩余能量最多的選擇策略選舉出計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算處理監(jiān)測(cè)到的周圍環(huán)境中的目標(biāo)數(shù)據(jù)，剩余節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)直接執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)采集傳感數(shù)據(jù)；步驟6). 簇頭節(jié)點(diǎn)將本簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的區(qū)域位置信息發(fā)送至基站節(jié)點(diǎn)；步驟7). 基站節(jié)點(diǎn)保存簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)區(qū)域位置信息，建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域鄰居信息表；步驟9). 每個(gè)簇內(nèi)的計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)廣播消息包，并根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)的消息包的信號(hào)強(qiáng)度建立相鄰關(guān)系表后進(jìn)入空閑態(tài)；步驟10). 在步驟3)至步驟9)所部署好的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)維護(hù)時(shí)間間隔；步驟11). 根據(jù)步驟10)中設(shè)置的時(shí)間間隔來對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，時(shí)間到，轉(zhuǎn)步驟3)執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟12)；步驟12). 監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度超過預(yù)設(shè)的門限值，發(fā)送數(shù)據(jù)包通知簇頭節(jié)點(diǎn)；步驟13). 簇頭節(jié)點(diǎn)在本簇內(nèi)廣播消息包，喚醒簇內(nèi)所有計(jì)算態(tài)成員節(jié)點(diǎn)，設(shè)置監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔；步驟14). 監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度值發(fā)送至計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)態(tài)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到信號(hào)強(qiáng)度最大的節(jié)點(diǎn)位置和信號(hào)強(qiáng)度值封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送至簇頭節(jié)點(diǎn)；步驟15). 監(jiān)測(cè)時(shí)間到，轉(zhuǎn)步驟16)執(zhí)行，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟12)；步驟16). 簇頭節(jié)點(diǎn)從所有計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包中選擇信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值最大的節(jié)點(diǎn)的位置作為目標(biāo)的位置預(yù)估值送至基站，返回給用戶；步驟17). 計(jì)算態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑態(tài)，等待再次被喚醒；步驟18). 重復(fù)執(zhí)行步驟12)至步驟17)執(zhí)行新的目標(biāo)跟蹤任務(wù)。
全文摘要
基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域目標(biāo)跟蹤方法是一種基于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的應(yīng)用方案，主要用于解決無線多媒體網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)定位和目標(biāo)跟蹤問題，該方法將目標(biāo)跟蹤的任務(wù)分發(fā)到不同的節(jié)點(diǎn)上，通過網(wǎng)絡(luò)中不同狀態(tài)以及不同地位的節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作來完成用戶定義的目標(biāo)跟蹤任務(wù)，并提出了相應(yīng)的區(qū)域目標(biāo)跟蹤檢測(cè)方法。在簡單的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)基礎(chǔ)之上，可以有效地實(shí)時(shí)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測(cè)的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，避免了依靠復(fù)雜算法增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)跟蹤精度而導(dǎo)致的對(duì)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)資源過多的消耗，保證了對(duì)目標(biāo)跟蹤的客觀準(zhǔn)確性、完備性和及時(shí)性，從而滿足無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，達(dá)到進(jìn)一步保護(hù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的目的。
文檔編號(hào)H04W8/02GK101521872SQ200910024658
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者凡高娟, 寧 葉, 孫力娟, 李文鋒, 超 沙, 王汝傳, 王海元, 王玉斐, 志 陳, 黃海平 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)