（电力电子与电力传动专业论文）基于无线传感器网络的目标追踪技术研究.pdf

a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s y ) w h i c hi n v o l v e di ns e n s o rt e c h n o l o g y ， n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y ， e m b e d d e d t e c h n o l o g y ，d i s t r i b u t e d i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ， m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，s o f t w a r ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y ，i sah i g h l y m u l t i - d i s c i p l i n a r yc r o s s ，e m e r g i n g ，c u t t i n g - e d g eh o ta r e ao fr e s e a r c h t a r g e t t r a c k i n ga sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si nt h ef i e l d o fm i l i t a r ya n dc i v i l i a nh a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h em o v i n gt a r g e t p o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n gt e c h n o l o g yb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a s b e c o m eah o ts p o to ft h ep r e s e n ts t u d y i no r d e rt oe f f i c i e n t l yu s en e t w o r k c a p a c i t yt oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft a r g e tt r a c k i n g ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so f t a r g e tt r a c k i n gs h o u l db es t u d i e d i nt h i sp a p e r ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft a r g e tt r a c k i n gb a s e do nw s n w e r er e s e a r c h e do nt h eb a c k g r o u n do fv e h i c l et r a c k i n gi np l a i n s t h ep o i n t s o ft h er e s e a r c hf o c u s e do nt h et a r g e td e t e c t i o np r o b l e mb e f o r et a r g e te m e r g e ， s i n g l e t a r g e tp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ，a sw e l la sn o d e sa w a k e n i n gi nt h ec o u r s e o ft r a c k i n g ，a n dm a t l a b b a s e ds i m u l a t i o ns y s t e mi s c o n s t r u c t e d s p e c i f i c r e s e a r c hw o r k sc a nb ed i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a f t e rt h ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et a r g e tt r a c k i n ga p p l i c a t i o n ，ak i n do fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r ef o rt a r g e tt r a c k i n gi ss e tu p ( 2 ) a f t e rt h er e s e a r c ho ft h em a i na l g o r i t h m s a n dc l a s s i f i c a t i o na b o u t t a r g e tt r a c k i n gb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，a n a l y s i so fi m p r o v e m e n t f o rt a r g e td e t e c t i o na n dt a r g e tl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mh a sd o n e ( 3 ) i no r d e rt oc u td o w nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nu s e di nt h et a s ko ft a r g e t d e t e c t i o n ，t h ep a t r o lm e t h o di sp r o p o s e da sak i n do fd e t e c t i o ns t r a t e g y ；b y i m p r o v i n gt h eo r i g i n a lw e i g h t e dc e n t r o i dp o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ，t h ev i r t u a l c o o r d i n a t e s p o s mo n m ga l g o r i t h mi sg i v e n ，s oa s t o i m p r o v et h et a r g e t t r a c k i n ga c c u r a c y ( 4 ) t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fs i n g l e - o b j e c tt r a c k i n gh a sb e e nc a r r i e d o u t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et a r g e tt r a c k i n ga c c u r a c yh a sb e e nf u r t h e r e n h a n c e dt om e e tt h eb a s i cr e q u i r e m e n t so ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t a r g e tt r a c k i n g ，t a r g e tl o c a t i o n ， w e i g h t e da v e r a g e 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：迅绳缸 日期：沙电 y - ) b 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名： 丛。塑塾 日期： 鲨! z ：里 导师签名： 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 目标追踪问题可以追溯到第二次世界大战之前，即1 9 3 7 年在世界上出现的第一 部追踪雷达站s c r 2 8 。之后，各种红外、雷达、激光和声纳等目标追踪系统相继得 到发展且日益完善，从传统的单传感器单目标追踪系统逐渐发展到单传感器对多目 标追踪，再到现在的多传感器多目标追踪系统。用于目标追踪的关键技术无论是在 军事还是在民用领域都有着重要的应用价值。在军事方面，它可以应用于导弹制导 系统、空防、海防、区域阵地防御和作战监视等；在民用方面，可以用于动物迁徙 的监测研究、生物习性研究、医疗数据监测、智能玩具、汽车防盗系统、城市交通 管理系统等。 无线传感器网络首先出现在上世纪9 0 年代末的美国。这种网络是由大量的具有 传感能力、数据收集、处理和无线通信能力的小体积、低成本的传感器节点构成的 自组织网络，是信息感知和采集的一场新的革命，并且无线传感器网络相继被一些 重要机构预测为将改变世界的重要新技术，如美国的技术评论将无线传感器网 络列为未来新兴十大技术之首，商业周刊也将无线传感器网络列入了未来四大新 技术之一。 无线传感器网络作为一种新的计算模式正在推动科技发展和社会进步，关系到国 家经济和社会安全，已成为国际竞争的制高点，引起了世界各国军事部门、工业界 和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会于2 0 0 3 年制定了无线传感器网络的 研究计划，投资3 4 0 0 万美元支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都 对无线传感器网络给予高度重视，把其作为一个重要研究领域，设立了一系列的军 事研究项目。英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或启动相应的行 动计划。随着美国和欧洲一些西方发达国家相继启动针对无线传感器网络的研究计 划，其它国家也纷纷加入了该技术研究的行列。 我国最近几年也开始重视无线传感器网络技术的研究。国家自然科学基金委员会 资助了很多这方面的研究项目，包括重点项目和面上项目。在“中国未来二十年技 术预见研究”报告中，有7 项技术课题直接论述了传感网络。2 0 0 6 年初发布的国 家中长期科学与技术发展规划纲要确定了信启、技术的三个前沿方向，其中有两个 基于无线传感器网络的目标追踪技术研究 与无线传感器网络研究直接相关。 由于无线传感器节点体积小巧，价格低廉，且采用无线通信方式，以及无线传感 器网络部署的随机性，具备自组织性、鲁棒性和隐蔽性等特点，使得无线传感器网 络非常适合用于移动目标的定位和追踪。随着研究的进一步深入，无线传感器网络 在目标追踪应用中的优势愈加明显，归纳起来，主要包括以下几点： ( 1 ) 提高了追踪精度：大量密集部署的无线传感器节点可以对移动目标进行精确 的感知、追踪和控制，从而可以更详细地显示出移动目标的运动情况。 ( 2 ) 追踪实时性增强：多种传感器的同步监测，使得移动目标的发现更加及时、 更加容易。分布式的数据处理、多个传感器节点协同工作，使追踪任务执行速度更 快。 ( 3 ) 追踪可靠性增加：由于无线传感器网络具有自治能力、自组织性和高密度部 署的特点，当个别节点失效或者新的节点加入时，它可以在无需人工干预的情况下 自动配置与纠错，这使得无线传感器网络在追踪目标时具有了较高的可靠性、纠错 能力和鲁棒性。 ( 4 ) 追踪更具隐蔽性：传感器节点体积比较小，利于在执行追踪任务时隐蔽自身， 减少了被敌方摧毁的可能性。 ( 5 ) 耗能减少：无线传感器节点的设计和无线传感器网络的设计都以低耗能为主 要目标，在以电池为节点供电的情况下，网络生存期基本都在半年以上，这使得它 在野外执行追踪任务更加方便实用。 ( 6 ) 成本降低：传感器节点各模块的高度集成可以使节点成本大幅降低，而微电 子集成封装技术的进步使这一目标的实现成为可能。 对基于无线传感器网络的目标追踪进行探讨研究，并将新出现的先进技术运用于 目标追踪领域，可以有效改进传统的目标追踪系统，甚至创造出一种新型的目标追 踪系统。无线传感器网络在应用于目标追踪系统时具有诸多优势，但同时也带来了 一些挑战。比如，传感器节点电源通常为非充电电池，能量有限；在大多数情况下， 因为环境等原因，能量再补充成为一个不可能事件；同时要提高追踪精度就必然会 增加能耗。因此存在目标追踪准确性与网络能量耗费之间的矛盾。无线传感器网络 通常采用协作追踪算法，这一情况在传统目标追踪系统中很少见。为了能平衡系统 追踪的准确性和传感器网络的能耗之间的矛盾，传感器节点需要进行大规模的协作 和其它的管理操作。对基于无线传感器网络的目标追踪进行研究的组织机构还在不 2 第一章绪论 断增加，但是由于无线传感器网络是一项新兴的技术，其自身发展都还不是很完善， 基于无线传感器网络的目标追踪研究也还在探索试验阶段，还有许多诸如上述问题 有待解决和完善，而要达到实际应用的要求还需要更多的努力。 1 2 目标追踪研究现状 目标追踪技术在军事和民用两个领域都有着重要的应用价值。目标追踪依据目 标个数进行分类，可分为单目标追踪和多目标追踪。空间追踪和时间空间追踪 是两种主要的追踪方法。最新的研究结果显示，包括采用人工智能等最新成果来提 高追踪性能和基于多传感器数据融合的目标追踪是主要的研究动向。 当前的目标追踪研究主要集中于在不同环境进行单目标追踪，致力于如何以较 少的能量消耗更高效地融合尽可能多的有效信息，进一步提高测量精度和延长传感 器网络的生存期【2 j 。 二元检测法( b i n a r y d e t e c t i o n ) 是k m e c h i t o v 等人提出的单目标跟踪算法f l l 】。这 一算法通过检测目标是否位于节点的感知范围之内来对目标进行定位，同时节点记 录下目标在其传感范围内停留的时间长度，该值作为权重参与节点对目标位置进行 估计的运算。这种方法需要节点之间做到严格的时间同步，并且要求节点自身的位 置信息是己知的。 信息驱动( i n f o r m a t i o n d r i v e n ) 协作跟踪算法是f z h a o 等人提出的一种目标追踪 思想【1 2 1 ，它利用传感器节点自己侦测到的信息联合接收的其它节点的侦测信息，判 断目标可能的运动方向，有针对性地唤醒其他传感器节点在下一时刻参与到跟踪任 务中。在运用了合适的预测机制前提下，这一方法可有效地减少节点间的通讯通信 量，从而节省了节点有限的能量资源和通讯资源。 传送树跟踪算法( c o n v e yt r e e ) 3 1 由ws z h a n g 等人提出，该算法是一种分布式无 线传感器网络单目标跟踪算法，这不同于前面提到的集中式跟踪算法。在此算法中， 传送树被描述成一种由移动目标附近的节点组成的动态树型结构，它会随着目标的 移动动态地添加或者删除一些节点，在保证对目标进行高效跟踪的同时减少了节点 间的通信开销1 3 j 。 m o t et r a c k 模型1 4 】是k o n r a dl o r i n c z 和m a t tw 色l s h 等人提出的一个具有高适应能 力的、分布式的、基于r f 的定位跟踪模型。它的定位过程分为两个阶段：第一阶段， 构建参考信号数掘库。在楼层内随机布置若干m i c a 2 节点充当信标节点，周期性地 广播信标信息。信标信息包括源信标节点信号能量等级、源信标节点i d 。然后选取 1 基于无线传愍器网络的目标追踪技术研究 若干已知位置的参考点，记录在这些点上收到信标节点的信号能量等级和节点i d ， 以及接收到的无线信号强度r s s i 。每个信标节点存储部分参考信号数据库片段。第 二阶段，在线位置估计。每个需要定位的移动节点监听一段时间来获取它能接收到 的信标节点的i d 和相应的信号能量等级及无线信号强度r s s i ，然后与它临近的信 标节点中存储的参考信号数据库片段进行比较，最终得到该移动节点的位置。作者 文章中所提到的模型能够很好的实现分布式定位，即使没有中心数据库，也能够很 好的工作，信标节点之间依赖性小，易于布置，适应性强，精度比较高，能够适应 一般的应用，但是正如文章中提到的，只有在所有的信标节点都知道自己的坐标之 后，系统才能进行定位，这就使得它的信标要经过事先布置，整个网络才能继续工 作，对于它设计的目的之一：救灾应用，还有一定不足。 文献 5 中提到了三种跟踪模型：一、主动结构模型。移动节点主动广播自己的 信息，已知自己坐标的基础设备发送估算坐标给移动节点，优点是容易跟踪，更加 接近自然跟踪，缺点是随着基础节点密度的增加性能会受干扰，并且需要一个中心 数据库；二、被动结构模型。基础设备有一些活动节点，这些活动节点周期性的广 播信号，移动节点监听到信号，发送估算的距离到活动节点，优缺点与主动结构是 互补的；三、主动结构和被动结构的结合。在被动结构的基础上进行改进，其中又 描述了三种算法：o u t l i e rr e j e c t i o n 、e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r 和l e a s t s q u a r e ss o l v e r ，并 在e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r 的基础上进行了改进。文中非常比较全面的分析了各种跟踪 模型，并进行比较科学的归类。文中的e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r 通过矢量运算计算出移 动目标的坐标和速度并获取下个位置的估计值，根据估计的准确程度决定是否延长 下一次的广播时间间隔，这是值得借鉴的一点。 多目标跟踪的课题在国外比较多，国内则较少。文献 7 】中提到一种将传感器跟 踪问题系统表示为分布式约束条件的满足，研究表明：存在一个可使得在无线传感 器网络中进行多目标跟踪并达到令人满意的效果的感应和通信的关键组合。l i 和 w o n g 等致力于解决多个目标之间的身份辨识问题，并描述和开发了几种目标分类机 制。由以上可以看出，多目标追踪课题在国外已经取得了一定的研究进展，并且已 发表了一定数量的文献，但在国内相关文献与报道都较少。由于这一技术具有广泛 的应用价值和光明前景，开展这方面的研究，就目前国情来看，有着深远意义。 目前的目标追踪算法，在实际应用中存在着许多问题。例如：追踪高速运动目 标时，需要快速的数据计算和通信，而现在的传感器节点计算能力和通信能力十分 4 第一章绪论 有限，目标定位算法复杂导致节点对目标的检测周期过长，目标跟踪精度也随之降 低。在基于分簇结构的节点自组织策略中，首领节点的选举以及移交阶段，需要多 个节点间交换大量消息，所需时间过长，并且在此期间内，节点对目标的追踪必须 暂停，这很容易造成目标丢失、能耗过大等问题，目标追踪精度和能耗之间也存在 难以掌握平衡的问题。 1 3 研究内容、主要结果和文章组织结构 1 3 1 研究内容和主要结果 本文的研究内容针对在平原地带战场上跟踪车辆、坦克等目标展开，包括目标 的发现、定位、追踪。通过飞机、车辆或者炮弹等工具将大量的传感器节点随机地 部署在战场上，让其监视移动目标的行进路线并将目标信息传送给指挥中心。在无 线传感器节点部署完毕之后，即认为它的位置基本不变。传感器网络需要运行相当 长的一段时间，并且要保证当有移动目标移动到监测区域时，能及时把其行进路线 和目标相关信息传送到指挥中心。在执行目标追踪任务期间，传感器节点会不断地 消耗自身能量。然而，为了压缩传感器节点的体积，通常节点上配备的电池能量有 限制，而在此种环境下，通过更换电池的方式来补充传感器节点的能源也是不现实 的。因此，本文的研究目的是要实现当有移动目标在监测区域内穿行的过程中，无 线传感器网络可以将其行进路线以及目标信息传送到指挥中心。另外，无线传感器 网络在目标追踪过程中要消耗一定的能量，为了尽量延长网络的生存期，就必须减 小每次跟踪过程消耗的能量，即要设计的目标追踪协议能使网络在执行目标追踪的 过程中尽可能少消耗能量。 为了实现上面提到研究目的，本文在基本的无线传感器网络的基础上通过改进， 提出了一个简单的面向目标追踪的无线传感器网络结构，介绍了节点的目标侦测策 略，重点讨论了加权质心目标定位算法的改进算法。目标侦测策略和定位算法的研 究，主要围绕传感器网络在实现目标追踪功能的同时尽量减少网络对能量的消耗这 一课题展开。具体地说，本文的研究内容和主要结果有如下几个方面： ( 1 ) 讨论了无线传感器网络的环境监测和突发事件两类典型应用和目标追踪应用 的特点，给出了一个简单的面向目标追踪的无线传感器网络体系结构。 ( 2 ) 给出了面向目标追踪的无线传感器网络的先期目标侦测策略，研究此策略的 目的在于减少目标侦测阶段的能量消耗。 ( 3 ) i ：l 较了现有的无线传感器网络的目标定位算法之间的优缺点，借鉴加权质心 5 基于无线传感器网络的目标追踪技术研究 定位算法，在此基础上加以改进，提出了一个更为简单的通过计算虚拟坐标来定位 目标的算法。 ( 4 ) 针对目标追踪过程中的节点唤醒问题，提出了一种利用节点硬件设施来实现 唤醒目标前方节点的方法。这一方法减少了唤醒任务的数据传输量，提高了任务的 簇间转换效率。 ( 5 ) 用m a t l a b 语言编程仿真，运用m a t l a b 建立目标追踪仿真平台模拟实验过程， 并对仿真实验结果进行了统计分析。仿真结果表明本文给出的方法对目标追踪是有 效的，而且在追踪精度方面有一定程度地提高。 1 3 2 论文结构 本文分为六章，各章节安排和简要介绍如下： 第一章，介绍了本文研究的背景和意义、无线传感器网络的发展历程以及本文 研究的主要内容、研究目的、研究方法、主要结果和本文的组织结构。 第二章，简要介绍了无线传感器网络的基本结构，讨论了无线传感器网络的环 境监测和突发事件两类典型应用的特点和针对目标追踪应用方面的特点，给出了一 种面向目标追踪的无线传感器网络体系结构，另外还给出了与本文研究内容相关的 概念和模型。 第三章，介绍了目标追踪过程中的一些关键技术以及目前一些比较常用的目标 追踪算法。讨论了目标追踪过程中关于目标侦测、定位的一些关键技术，综述了目 前比较有影响力的目标追踪算法，对常见的目标追踪算法做出了简要分析。 第四章，集中介绍了本文的研究内容，包括目标侦测策略的提出，目标定位算 法的改进研究，并给出了目标追踪的流程。 第五章，对基于无线传感器网络的目标追踪系统的关键技术进行了仿真。介绍 了仿真环境在m a t l a b 环境中的构建，对定位算法和目标追踪进行了仿真分析。 第六章，全文的总结以及对进一步工作的展望。本章对前面各章所作的研究工 作进行了总结归纳，并探讨了作者对下一步研究工作的一些建议。 1 4 本章小结 本章主要介绍了目标追踪研究工作的概况，讨论了目标追踪研究的背景和基于 无线传感器网络的目标追踪技术研究的意义和研究现状，给出了本文研究的目的， 并介绍了基于无线传感器网络的目标追踪研究所要解决的基本问题和本文研究的内 容及主要研究结果。最后给出了本文的组织结构。 6 第二章面向目标追踪的无线传感器网络 第二章面向目标追踪的无线传感器网络 2 1 无线传感器网络结构 无线传感器网络由部署在监测区域内大量的低价的微型传感器节点组成，采用 多跳的无线通信方式，具有自组织性和鲁棒性。它以多节点协作的方式采集和处理 网络覆盖范围内感知对象的信息，信息直接发送给用户或者存储于数据库供用户随 时调用。无线传感器节点由以下几部分组成： ( 1 ) 由微处理器或微控制器构成的计算子系统，负责控制传感器、执行通信协议 及处理传感数据的算法； ( 2 ) 用于无线通信的短距离无线收发电路，即通信子系统； ( 3 ) 由一组传感器和激励装置构成的传感子系统； ( 4 ) v j 匕量供应子系统，包括电池和交直流转换器。 图2 1 典型无线传感器网络 f i g 2 1t y p i c a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 图2 1 所示为无线传感器网络的典型结构，它通常包括分布于网络传感器节点 ( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 也称网关节点、服务器、互联网和客户端。无线 传感器网络的另一种体系结构称之为异构型的传感器网络体系结构，如图2 2 所示。 此网络结构中有多种类型的传感器模块安装在不同的节点上，传感器类型相同的节 点组成一个子网，各子网通过汇聚节点与服务器连接，终端用户可以通过查看服务 7 基丁无线传感器网络的目标追踪技术研究 器上的数据对各个子网进行监控i 1 。 图2 2 异构型的无线传感器网络结构图 f i g 2 2h e t e r o g e n e o u st y p eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ks t r u c t u r e 传感器节点随机部署在监测区域内，并通过自组织方式构成一个完整的传感器 网络。节点采集的数据经过多个节点以多跳的通信方式传输，在传输过程中数据可 能被多个节点处理，数据传给汇聚节点后再经互联网或者卫星传输到管理者手中。 用户通过终端机对传感器网络进行配置、管理、发布监测任务以及收集监测数据。 一个传感器节点就是一个微型嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能 力一股较弱，通过电池供电，并且在一些应用环境中电池无法更换。从网络功能上 看，传感器节点兼具传统网络节点和路由器的双重功能，除了进行信息收集和数据 处理外，还要对转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协同 工作，以便完成单个节点无法独立完成的任务。 s i n k 节点的处理能力、存储能力和通信能力比普通节点强许多，它负责传感器 网络与互联网等外部网络的连接，并实现两种通信协议之间的转换，同时发布用户 传来的监测任务，并把收集的数据转发至外部网络上。s i n k 节点即可以是一个具有 增强功能的传感器节点，也可以是没有传感器模块仅带有无线通信接口的网关设备。 2 2 节点模型 传感器节点在不同的应用中有不同的设备配置，但总体上的模块组成基本不变， 8 第二章面向目标追踪的无线传感器网络 它一般由处理器模块、传感器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。处理器模 块负责控制整个传感器节点的设备运行、对本身采集的数据以及其它节点发来的数 据进行存储和处理；传感器模块负责监测区域内信息的采集和模拟量向数字量的转 换；无线通信模块负责传感器节点间的无线通信联络，交换控制指令消息和收发采 集数据：能量供应模块提供传感器节点运行所需的能量，通常采用微型电池i l 卅。传 感器节点系统结构如图2 3 所示。 图2 3 传感器节点系统结构 f i g 2 3t h es y s t e ms t r u c t u r eo f s e n s o rn o d e 本文所用的传感器节点具有以下特点： ( 1 ) 传感器节点具有休眠、侦测、跟踪三种运行状态。其在三种运行状态下的特 点如下： 休眠状态：节点的无线通信模块和传感器模块关闭，只保留处理器模块和一 些耗电量极其微小的设备处于等待状态，以便响应其他节点的召唤。 侦测状态：节点的传感器模块打开，并检测节点附近是否有目标出现，通信 模块仍然处于关闭状态。 跟踪状态：节点所有模块均处于打开状态，传感器模块采集目标信息数据， 数据经由处理器处理后储存在本地或者发送到其他节点。 ( 2 ) 在通信模块关闭状态下，天线接收到的无线信号后触发处理器，并由处理器 决定是否打开通信模块。 2 3 传感器模型 传感器将环境的物理信号转化为电信号，信号的质量( 信号的强度、信噪比) 主要 取决于传感器与被测目标之间的距离。例如，声波的强度随着声源距离的增加以二 9 基于无线传感器网络的目标追踪技术研究 次方的速度递减。当声音传感器节点距离发声物体很远时，从传感器的读数将不能 分辨出远处的物体是否发出了声音。 方向性也是影响传感质量的一个方面。在理想状态下，传感器被假想为对各个 方向的敏感度是一样的，但是在实际中，传感器往往对某一方向的敏感度要更好一 些。这可以归结于传感器本身的特性( 如摄像机) 或者是传感器节点部署环境的影响 ( 如节点的声音传感器被其他物体挡住) 。 另外，传感器所处的环境变化也会影响传感质量。比如，温度、湿度的变化会 影响传感器的灵敏度。但是大多数参考文献在研究过程中使用的传感器模型都仅仅 考虑了距离的影响，并且假定全向感知，没有随机变化。 本文为了简单起见，在传感器模型搭建过程中也主要考虑距离对传感器的影响， 同样形态的传感器具有相同的感知范围。在感知范围内的目标都能被可靠地侦测， 在感知范围以外的目标就完全无法感知。 2 4 能量模型 无线传感器网络的节点多数采用电池供电。由于干电池电压在使用过程中成线 性变化，而且电压变化量很小，基本可以认为它输出的电压保持恒定不变，直到能 量用尽。因此，本文在计算无线传感器网络节点的能量时，忽略了电池电压变化所 带来的影响，假定电池电压是恒定值。 传感器节点的传感器模块、处理器模块和无线通信模块都会不同程度的消耗一 定量的电量。研究显示：通信过程中的无线射频所消耗的能量远远大于芯片内处理 器消耗的能量，传感器消耗的能量次之。随着微电子技术的进步，处理器和传感器 模块的功耗变得越来越低，节点能量绝大部分被消耗在通信模块上【9 】。 另外，节点无线通信的能量消耗和通信距离有很大关系，一般情况下，随着通 信距离的增加，通信能耗将以1 3 次方的速率增加。其具体关系可用以下公式描述： e ：蒯玎 ( 2 _ 1 ) 其中，参数n 满足2 n 4 的条件，d 为无线通信距离，k 为调整系数。r l 的取 值与多种因素有关，例如传感器节点部署于贴近地面的位置，造成障碍物多干扰大， 1 3 的取值也就大，天线质量对信号发射质量的影响也很大【6 j 。 基于以上讨论，本文使用的能量模型以下面两条为限定条件： ( 1 ) 传感器节点的无线通信模块打开时，无论传感器节点处于发送，接收还是空 闲状态，单位时间内所消耗的能量统一定为常量c 。 1 0 第二章面向目标追踪的无线传感器网络 ( 2 ) 传感器节点关闭无线通信模块时，即传感器节点处于休眠状态下，节点单位 时间所消耗的能量为常量c ，并且c 远远小于c ( 如c 妃1 0 0 ) 。在绝大多数情况下， c 可以忽略不计。 2 5 面向目标追踪的无线传感器网络结构 本节建立了种面向目标跟踪的无线传感器网络结构，该结构包含了环境监测 和突发事件处理两种典型的无线传感器网络应用场景，可在此结构基础上对基于无 线传感器网络的目标跟踪相关问题进行深入的研究，为进一步研究和应用打下基础， 本文后续的研究以此结构为研究基础。 舀 d d 图2 4 面向目标追踪的无线传感器网络体系结构 f i g 2 4s t r u c t u r eo f 7 s no b j e c tt ot a r g e tt r a c k i n g 面向目标追踪的无线传感器网络体系结构中包含了传感器节点、s i n k 节点或基 站、中心服务器和终端机四个层次。 ( 1 ) 传感器节点：负责测量目标状态信息并把相关数据发送至s i n k 节点。 ( 2 ) 基站和s i n k 节点：具有较大的能量储备，拥有优于普通节点的计算能力、存 储空间和通信能力，负责将传感器节点发送过来的数据进行预处理或存储或转发至 中心服务器。在没有中心服务器的情况下，可以充当临时服务器。个别s i n k 节点具 有g p s 等定位装置，能提供准确的位置信息。网络内可以存在多个s i n k 节点。 ( 3 ) 中心服务器：电力供应充足，具有很强的计算能力、大量的存储空间和通信 带宽，负责通信控制，接收从基站传来的数据，并进行存储、处理、统计、分析、 显示，形成数据库供查询等【s 1 们。 基于无线传感器网络的目标追踪技术研究 ( 4 ) 终端：终端可以为桌面型计算机或便携式计算机，与中心服务器联接后可以 共享、查询数据库，并以文本、图表、曲线等方式把数据处理结果呈现给用户。 图2 3 所示的网络体系结构在构建的过程中参考了图2 1 与图2 2 所示的网络结 构，整合了前面两图的部分功能，从结构上使其更适合执行目标追踪的任务。在软 件方面，面向目标跟踪的网络体系结构，将环境监测和突发事件应用结合起来：当 目标没有出现在监测区域时，无线传感器网络的节点轮流执行侦测任务，对环境数 据进行周期性地监测，这时，无线传感器网络相当于应用在环境监测中；当目标出 现在网络中时，侦测到目标的节点立刻唤醒周围节点对移动目标进行跟踪监控，这 相当于无线传感器网络应用于突发事件中。因此，本体系结构是对无线传感器网络 应用于环境监测和突发事件中体系结构的结合。 2 6 本章小结 本章首先介绍了无线传感器网络典型结构和异构体系结构，然后以讨论的方式 给出了本文用到的节点模型、传感模型、能量模型，最后针对目标跟踪的特点，给 出了一种兼具无线传感器网络环境监测应用和突发事件应用两种典型应用的面向目 标跟踪的无线传感器网络结构。 1 2 第三章基了二无线传感器网络的目标追踪技术 第三章基于无线传感器网络的目标追踪技术 3 1 目标追踪的关键技术 在无线传感器网络的基础上进行目标追踪涉及到无线传感器网络的多项技术， 从基本的网络通信技术，到节点定位算法、节点间时间同步以及分布式数据融合等。 其中存在许多关键技术距离成熟阶段还很遥远，对这些关键技术进行整体全面的研 究对无线传感器网络的理论和应用发展具有重要意义。下面小节主要讨论在无线传 感器网络应用层面上用于目标追踪的关键技术，而假设在无线传感器网络的物理层、 协议层、传输层等的关键技术已经处于可应用状态【2 6 , 3 2 】。 3 1 1 节点的自组织 无线传感器网络不同于传统的计算机网络，由于自身的分布式特点，传感器网 络自身一般缺少严格的控制中心，所有节点在地位上是平等的，大量节点组成的是 一个对等式网络。基于无线传感器网络的目标追踪应用还要受节点资源的限制，如 节点计算能力有限、通信带宽和通信速率较低、电池提供的能量有限等。在这种情 况下，单个节点是无法有效地完成目标追踪任务的。因此，无线传感器网络采用多 个节点进行协同感知，再对所获得的数据进行融合处理、提取信息的方式执行目标 追踪任务。这样就涉及到了目标追踪过程中局部节点自组织的问题。 在节点的自组织方面主要有以下几种方式1 3 】： l 、集中式 集中式的无线传感器网络设置有中心服务器。所有跟踪节点采集到的运动目标 状态以数据的形式通过多跳无线网络传送至中心服务器，再由中心服务器对运动目 标的位置和轨迹进行估计运算。这种方法采集到的目标信息比较全面，跟踪精度很 高，但节点的能耗过多，延时也较大，所以这种方式在无线传感器网络中一般不适 用于实时性较强的应用。 2 、静态局部集中式。 静态局部集中式就是把一定数量具有较强处理能力的节点静态部署在网络中作 为簇头。簇头负责簇内节点拓扑结构的维护，接受并处理簇内节点传输过来的运动 目标的状态侦测信息。这是一种层次式的结构，虽然这种方法比较好，但是对随机 分布形成的无线传感器网络，簇头的位置难以控制。另外簇头节点的死亡会导致整 基于无线传感器网络的目标追踪技术硼 究 个簇的失效，在网络拓扑不可人为控时，这种方法就失去了有效性。 3 、动态局部集中式 动态局部集中式的特点是簇头通过一定的算法动态产生，并且簇头在跟踪过程 中动态移交，这是目前比较常见的方法。这种方法克服了静态局部集中式的缺点， 但是这种方法随着目标出现的频率增加，容易引起网络局部区域内的节点能量过早 的消耗殆尽，同时还需要考虑如何选择节点参与跟踪以减少通信量f 1 4 】。 4 、单点式 单点式组织方式就是在移动目标附近选取一个动态头节点，并且头节点随着目 标的移动不断的更换。头节点收集并处理目标周围的跟踪节点的测量信息，并计算 出目标的估计位置，头节点从其邻居节点中选取信息量最大的节点作为下个头节点。 这种方法有效地减少了通信能耗，但是当头节点损坏或数据丢失时，跟踪就无法持 续，降低了跟踪系统的稳定性和可靠性。 5 、序贯式 移动目标的测量值由“代理”以“走一遭”的方式来收集称为序贯式。代理获 取测量值与数据融合是同时进行的。这种方法的跟踪精度和能耗是自适应的，只要 获得满足条件的数据后面的跟踪就可持续下去。另外，用户可以根据具体应用制定 相应的精度限制，以平衡网络的能量消耗，但是在传输过程中要考虑传输的通信能 耗。 3 1 2 簇的生成和维护 目前对目标追踪的研究多是采用基于分簇的节点自组织方式。一个目标的出现 会被多个节点侦测到，这样就出现了如何确定一个中心节点来负责簇内节点的组织 和数据的融合处理等的问题。初始区域或初始簇头的选举应该遵循这样一个原则： 簇头的选取应该以信息贡献大小作为依据，而尽量减少信息贡献小或信息有冗余的 节点参与跟踪，以减少整个网络节点之间的通信量和能耗，同时还要保证跟踪任务 的精度需求，以及在目标的运动过程中对簇头和跟踪成员进行动态管理，并保障算 法的鲁棒性和实时性等要求f 1 5 1 田。 3 1 3 目标侦测 传感器网络判断目标出现与否的根据是节点的侦测信号，侦测信号的获取方式 根据目标合作与否，可以分为主动侦测和被动侦测。主动侦测是指目标和节点之间 为非敌对关系，节点已知目标所发出的信号( 如射频标签) 并针对这一信号进行侦测。 1 4 第二章基于无线传感器网络的目标追踪技术 被动侦测是在节点不知道目标的具体特征情况下，通过声波、磁场等一些普通特征 来侦测目标。很显然，主动侦测发现目标的几率远远大于被动侦测，虚警率也较小， 然而在实际应用中，这种情况又很少，众多文献中最常提到的是物流管理方面的应 用。因此对被动侦测的研究是主要方向。 判断目标是否出现在监测区域可以由单个节点来确定，实现起来也相对容易， 但是这样会造成虚警率的上升。另一个方法是多个节点在互通信息后联合判决，目 前有一些先进性数据融合再判决的机制，例如：基于声音能量的判决机制、简单投 票融合判决机制、最近邻居决策融合机制、最大后验决策融合机制等。但是联合判 决机制需要多个节点间的信息互换，增加了通信方面的开销。通常的做法是将这两 种方法结合起来应用，先单个节点侦测可能的目标出现，然后再通过判决融合机制 减小虚警率【1 6 - 18 1 。 目标侦测阶段，所有节点都处在侦测状态可以有效捕捉到闯进监测区域的目标， 但这样做无疑会浪费一部分能源，所以侦测任务执行过程中有必要加入对侦测节点 的统一管理，从而使侦测范围达到监测的要求又可休h 民尽可能多的节点来节省能源 开销的目的。 3 1 4 目标的定位 无线传感器网络的目标追踪有两个很重要的步骤：定位和跟踪。目标定位依据 节点测量值，通过定位算法估算出一个目标位置的估计值。目前常见的一些定位方 法可大概分为以下三种f 1 8 棚】： 1 、基于距离和角度的定位【2 3 2 6 】 在基于距离的定位方法中，测量目标相对节点的距离或方位时采用的方法主要 包括：t o a ( t i m eo f a r r i v a l ) 、t d o a ( t i m ed e l a yo f a r r i v a l ) 、a o a ( a n g l eo f a r r i v a l ) 、 d o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) 、r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ) ，比较常用的是 r s s i 定位法。基于距离的定位方法能够达到很好的精度要求，但其共同缺点是需要 节点间具有严格的时间同步，且能耗较大。 2 、与距离无关的定位 与距离无关的定位算法包括以下几种【2 1 之3 】：质心算法、a p i t ( a p p r o x i m a t e p o i n t i n t r i a n g u l a t i o nt e s t ) 算法、d v - h o p ( d i s t a n c ev e c t o r h o p ) 算法等，另外一种方 法是先估计出节点到目标间的距离，然后通过极大似然估计法或三边测量定位法进 行定位。还有一种方法是选取处于跟踪状态下的节点所覆盖的区域中心或离目标最 基于无线传感器网络的目标追踪技术珂f 究 近的节点位置作为目标估计值，很显然，这种方法误差较大且具有不确定性，。 3 、基于信号衰减模型的定位 2 5 , 2 7 1 信号衰减模型地定位方法需要根据经验测量数据建立比较接近实际的模型。首 先测量大量的信号数据和距离数据，并通过数学建模的方式建立起相关数学模型， 而后传感器节点依据此模型计算自身与目标之间的距离。由于建模方法各异，因此 定位误差的差距较大，很难说其先进与否。 3 1 5 目标轨迹的估计与预测 1 、数据表达方式 目标位置主要有三种数据表示方法：精确的坐标值表示、位置范围表示、概率 分布。精确的坐标值表示在实现时带来的误差具有随机性，在追踪算法处置不当是 可能出现误差累加，导致误差会随着跟踪过程的进行而扩