專利名稱：物聯網環(huán)境下基于傳感方向引導的節(jié)點協(xié)同工作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在物聯網核心技術的傳感器領域中無線多媒體視頻傳感器網絡節(jié)點 傳感方向的引導以及各個傳感器節(jié)點間協(xié)同工作的處理方法，屬于嵌入式開發(fā)與物聯網技 術的交叉領域。
背景技術：
物聯網(The Internet of things)是通過射頻識別(RFID)與紅外感應器、全球 定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯網連接起來，進 行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯網的兩大 核心技術即為射頻識別技術以及傳感器網絡技術。無線傳感器網絡(WSNs)作為計算、通信和傳感器三項技術相結合的產物，是一種 全新的信息獲取和處理技術，同時也是構成物聯網的主要核心技術。它綜合了嵌入式系統(tǒng)、 無線通訊、微電子等前沿技術，不僅在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境等傳統(tǒng)領域有著巨大的運用價 值，在許多新興領域也體現出其優(yōu)越性，如智能樓宇醫(yī)療監(jiān)護家用、醫(yī)療保健、交通等領域。隨著應用的不斷深入，用戶對于無線傳感器網絡感知環(huán)境數據能力的需求也 不斷增大，于是多媒體信息被引入了傳感器網絡，隨之而產生的無線多媒體傳感器網絡 (Wireless Multimedia Sensor Networks簡稱WMSNs)無論在工作方式還是數據處理方法 上都對傳統(tǒng)的無線傳感器網絡產生了很大的沖擊。傳統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點之上加載的各類傳感器屬于全向傳感器，即該類傳感器對 于環(huán)境信息的感知沒有方向性，只需要將節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域內后就可以隨時采樣環(huán)境信 息，常見的有溫度、光度、濕度等傳感器。對于音頻傳感器，在節(jié)點部署完畢后，不需要對節(jié) 點上加載的傳感器的傳感方向進行調整就可以進行周圍環(huán)境的音頻信息的實時采樣，因此 音頻傳感器在工作方式上屬于全向傳感器；與之相反，視頻傳感器本身具有有限的感知區(qū) 域視角，同時通過學習國外諸多文獻中基于視頻傳感器提出的方向感知模型可以知道，視 頻傳感器的有效感知區(qū)域為以傳感器自身為圓心的扇形區(qū)域，其感知方向可以用以圓心為 起點沿著扇形對角線方向向外的射線來表示，并可以繞圓心任意旋轉，因此視頻傳感器在 工作方式上屬于非全向傳感器。在一個實際的應用中，為了滿足高精度環(huán)境監(jiān)測的需求，通過單純的設置視頻傳 感器或只設置音頻傳感器來實現對監(jiān)測物體或區(qū)域的監(jiān)控是達不到所需的最佳效果的，在 該種情況下勢必需要同時獲取監(jiān)測對象或區(qū)域的視頻與音頻信息才能滿足監(jiān)控所需的最 佳效果。在一個網絡中，同時存在全向傳感器與非全向傳感器的情況下，如何有效的利用網 絡資源，并盡可能的減小系統(tǒng)能耗而達到對目標物體或環(huán)境更有效的監(jiān)控的目的成為了現 今研究的熱點，也為混合工作方式的多媒體傳感器網絡提出了新的要求。在現有的諸多研究成果中通常引入虛擬力的概念來實現對視頻傳感器傳感方向 角的定性的調整，也有運用Voronoi圖的方法來實現方向性的定量調整。發(fā)明人在研究過程中發(fā)現上述兩種針對無線多媒體傳感器節(jié)點的傳感方向調整方案都存在一定不足前者是完全基于一種不存在的虛擬勢場，并將微觀粒子間的受力引 入到傳感器節(jié)點之間，如此基于虛擬假設前提的復雜受力分析勢必存在很大程度的偏差而 且在實際應用中很難實現；后者利用相鄰兩個節(jié)點中垂線組成的分割路徑作為方向來調整 區(qū)域內各個傳感器節(jié)點的傳感方向，各個節(jié)點的調整方向受到初始位置影響很大，有很大 的隨機性，同樣基于假設的前提可實現性很低。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是針對現有物聯網節(jié)點工作處理機制中存在的不足與缺 陷，提供一種全向傳感器與非全向傳感器混合的物聯網環(huán)境下基于傳感方向引導的節(jié)點協(xié) 同工作方法，該方法分為視頻傳感器節(jié)點的方向引導方法與視頻傳感器和音頻傳感器節(jié)點 間配對協(xié)同工作的方法。該方法能夠有效減小網絡開銷與負載，低成本、易于實現同時盡可 能地節(jié)約網絡中節(jié)點的能耗，使得各個節(jié)點能很好地適應網絡節(jié)點異構性的需求，更為協(xié) 調地完成各自的功能與任務。技術方案由于傳感器網絡節(jié)點自身的特性，各類節(jié)點的處理能力、存儲容量等存 在較大的差異，將多媒體節(jié)點功能細分，以充分適應異構性的需求，應盡可能地將多媒體傳 感器節(jié)點劃分為多類具有不同功能的節(jié)點，以避免單個節(jié)點因工作量過大而導致傳送誤碼 率與單位能耗的增加。從短期利益來看，雖然集成有多種功能的節(jié)點可以同時滿足用戶所 需的多種需求，但從長遠利益來看，投放于監(jiān)測區(qū)域的該類節(jié)點就會因為單體成本高加上 能耗大導致的使用周期短而造成網絡資源與硬件節(jié)點資源的嚴重浪費，加之多媒體信息自 身數據量龐大，在傳輸時同比其他傳感數據占用更多的帶寬，同時又要求盡可能短的時延， 所以在實際中將視頻與音頻功能細分，設計為視頻傳感器節(jié)點與音頻傳感器節(jié)點，分別完 成視頻與音頻數據的采集與傳輸更為合理。在無線多媒體傳感器網絡中各類多媒體傳感器節(jié)點自組織建簇，采用層次型拓撲 結構控制，同時適合小規(guī)模與大規(guī)模的網絡部署。通過一定算法選擇簇頭，由各個簇頭節(jié)點 構成一個互聯的網絡來負責數據的路由轉發(fā)。簇頭節(jié)點對其臨近區(qū)域內的其他工作節(jié)點進 行管轄，并根據剩余能量的多少動態(tài)更換簇頭節(jié)點。本發(fā)明提出一種無線多媒體傳感器網絡中基于傳感方向引導的無線多媒體傳感 節(jié)點協(xié)同工作處理方法，包括以下步驟步驟1)視頻傳感節(jié)點感知半徑使用清晰感知半徑與模糊感知半徑來定性衡量 視頻傳感器的感知范圍，在各自的感知范圍內具有可區(qū)別的感知特性；即在清晰感知半徑 內，視頻傳感節(jié)點可以清晰地識別出進入感知區(qū)域的物體，足夠滿足用戶對于環(huán)境監(jiān)測的 需求，并可以對一般的進入感知范圍內的物體做出反應；在模糊感知半徑內，可以對強光源 等特殊的“視頻事件”做出反應；步驟2)視頻事件感應模型遠處設置一個強光源，該光源所在位置處于視頻傳感 器的模糊感知半徑范圍內；在某一離散時刻，視頻傳感節(jié)點的傳感方向向量與原點到光源 連線的方向向量之間的夾角取值落在[_感知區(qū)域視角/2，感知區(qū)域視角/2]值域范圍內時 滿足上述設置情形；步驟3)視頻事件感應模型的應用進入快照工作模式后，視頻傳感節(jié)點首先采樣單幀環(huán)境視頻數據，并對當前采樣的單幀視頻數據遍歷掃描；在識別出視頻事件以后，計算該視頻事件在當前單幀視頻數據中的矯正平均列值，以供后續(xù)步驟操作使用，而無論視頻事件在視頻傳感節(jié)點的清晰感知半徑范圍內還是模糊感知半徑范圍內，都可以利用感應模 型的原理來實現對采樣的單幀視頻數據遍歷掃描的方式來識別出視頻事件；步驟4)無線多媒體傳感器網絡中的視頻傳感器方向引導方向引導方法的目的 是為了使得視頻傳感節(jié)點的傳感方向朝向被測物體或待測固定區(qū)域；經過方向引導后，使 得視頻事件與傳感節(jié)點的連線與傳感節(jié)點的傳感方向向量之間的夾角值域在[-感知區(qū)域 視角/2，感知區(qū)域視角/2]范圍內，并且盡可能地縮小夾角以到達更優(yōu)的監(jiān)控效果；步驟5)視頻與音頻傳感器配對協(xié)同方法由全網中數量較少而且單位時間能耗 較低的音頻傳感節(jié)點來主動發(fā)起配對協(xié)同工作的申請，由一個音頻傳感節(jié)點與一個視頻傳 感節(jié)點配對協(xié)同完成環(huán)境監(jiān)控；步驟6)適應變化的工作模式在不同規(guī)模的應用場景下可以采用不同的工作模 式，即群體與單體兩種針對不同監(jiān)控范圍與監(jiān)控需求的工作模式；群體工作模式類似于步 驟5)描述的方法，由一個音頻傳感節(jié)點驅動一個視頻傳感節(jié)點協(xié)同采樣環(huán)境多媒體信息， 通過一對一的配對來實現區(qū)域監(jiān)控；單體工作模式的特殊之處在于，由單個音頻傳感節(jié)點 驅動建立起工作小區(qū)，在該工作小區(qū)內的其他多個視頻傳感節(jié)點聯動工作采樣環(huán)境多媒體 數據信息，以滿足更為精確的適用于較小范圍內的區(qū)域監(jiān)控或目標物體的多角度高精度的 監(jiān)控需求。有益效果本發(fā)明與現有的一些無線多媒體傳感器網絡內節(jié)點方向引導與節(jié)點間 協(xié)同工作方案相比有如下幾個優(yōu)點(1)易于操控，簡潔高效。從視頻傳感器節(jié)點傳感方向的引導上來看，避免了采用 復雜的算法以及無法實際應用的虛擬原理方法，切合實際地提出了利用視頻事件驅動的方 式來引導多媒體視頻傳感節(jié)點的有效感知區(qū)域方向。方便根據不同的監(jiān)測需求隨時更換與 改變傳感區(qū)域的方向，整個調整過程方便快捷，符合低時延要求，并有實際的實驗及理論基 礎，具備了切實的可行性保障。從多媒體傳感器節(jié)點間協(xié)同工作方案來看，視頻與音頻傳感 節(jié)點的配對工作協(xié)議易于理解方便實施，給實際無線多媒體傳感器網絡的監(jiān)控提出了一種 簡便易行的動態(tài)執(zhí)行方案。根據網絡節(jié)點剩余能耗動態(tài)選擇配對的工作節(jié)點，該過程實現 了對監(jiān)測人員的完全透明化，監(jiān)控終端的執(zhí)行命令通過無線多媒體傳感器網絡即時傳送， 實時接收多媒體傳感節(jié)點的采樣數據信息，不會給監(jiān)控人員帶來任何操作負擔。(2)節(jié)約成本，開銷能耗低。在整個視頻傳感器節(jié)點傳感方向引導過程中，主要的 成本花費為“視頻事件”所引起的開銷，即每調整一次傳感方向就需要在被測物體或固定區(qū) 域的方位投放一次“視頻事件”，同時由監(jiān)控終端發(fā)出的視頻調整指令通過整個無線多媒體 傳感器網絡傳送至需要調整方位的單個或多個視頻傳感節(jié)點，收到指令后的傳感節(jié)點開始 執(zhí)行傳感方位調整算法。在實際應用中“視頻事件”可以為一個簡單的點光源，只需滿足一 定的光源亮度與光源工作時長即可。單個“視頻事件”的成本開銷可以得到有效的控制。視 頻與音頻傳感節(jié)點的配對協(xié)議實現過程也充分考慮到了節(jié)約能耗的需求，同比選擇具有最 小信號衰減值的節(jié)點，即與本地音頻節(jié)點距離最近的視頻節(jié)點作為優(yōu)先配對的對象，能夠 盡可能降低配對協(xié)議傳輸能耗。(3)針對性強，靈活性高。本發(fā)明針對特定的監(jiān)控需求，即對某一特定的被測物體 或固定區(qū)域實行實時視頻與音頻監(jiān)控。對于滿足該種監(jiān)控需求的應用場景，整個傳感方向調整的過程可以靈活地適應多媒體傳感器網絡的動態(tài)路由變化。不需要改變多媒體傳感節(jié) 點的位置設置，而只需要改變視頻事件的位置即可。視頻事件所在方位即為被測物體或固 定區(qū)域的方位，視頻事件的位置可以隨著不同的應用而靈活改變，只需要由監(jiān)控終端發(fā)出 重新調整傳感方位的指令，就可以重新對網絡監(jiān)控目標區(qū)域進行迅速定位調整。音頻傳感 節(jié)點自適應的選擇臨近的視頻節(jié)點配對，在整個動態(tài)調整組網的過程中無需用戶參與，充 分體現了高適應性與高靈活性的特點。
(4)易于后期處理。多媒體傳感節(jié)點將采樣的多媒體視頻與音頻信息傳送回監(jiān)控 中心后，需要對視頻與音頻數據合并后在終端播放，對于同一時間采樣的視頻數據與音頻 數據信息，具備了較高時間同步性的特點，而這為終端的不同信息流的合并提供前提與可 靠保證；本發(fā)明中對不同節(jié)點采樣的多媒體信息在編碼時插入節(jié)點設備識別號的同時插入 采樣的時間信息，而各個節(jié)點在全網絡中的設備識別號又是唯一的，類似于各個傳感節(jié)點 在無線多媒體傳感器網絡中的MAC地址，通過讀取設備識別號與采樣時間信息就可以抽取 出同一時間對相同被測物體或監(jiān)測區(qū)域監(jiān)控的視頻信息與音頻信息。這里需要特別指出的 是配對后協(xié)同工作的多媒體節(jié)點采樣的多媒體數據具備相同的采樣時間信息，而這為上述 方法的可行性提供了基礎。(5)高監(jiān)控性能。通過本發(fā)明提出的方法，既可以減緩單個節(jié)點的工作時的能耗、 延長節(jié)點生命周期，又可以通過監(jiān)控終端軟件將不同節(jié)點采樣的對于同一被測物體或固定 區(qū)域的多媒體視頻與音頻信息合并后一起播放，實現方法也十分簡便易行，從而有效地改 善監(jiān)控效果。


圖1是視頻事件傳感模型實現流程圖；圖2是視頻傳感節(jié)點方向引導工作流程圖；圖3是無線多媒體傳感器網絡單體工作模式示例圖。
具體實施例方式本發(fā)明采用嵌入式軟件與系統(tǒng)軟件相結合的設計方法，基于相關硬件設備的支 持，描述整個無線多媒體傳感器網絡中視頻傳感節(jié)點方向引導與多媒體視頻及音頻傳感節(jié) 點配對協(xié)同工作的原理及處理機制。應當明確，以下內容僅僅用來描述本發(fā)明而不作為本 發(fā)明的限制。無線多媒體傳感器網絡中基于傳感方向引導的無線多媒體傳感節(jié)點協(xié)同工作處 理方法包括以下步驟步驟1)分析研究視頻傳感節(jié)點感知半徑。視頻傳感器屬于方向傳感器的一種，根據視頻傳感節(jié)點實際的特性，將其感知半 徑量化為兩部分，即清晰感知半徑與模糊感知半徑，在各自的感知范圍內其感知能力與強 度也有所差異。本發(fā)明提出的兩種可識別感知半徑的概念，可以分為。a.清晰感知半徑。在此感知半徑內視頻傳感節(jié)點可以清晰地辨認出進入感知區(qū)域 的物體，足夠滿足用戶對于環(huán)境監(jiān)測的需求，并可以對一般的進入感知范圍內的物體做出反應，該半徑值域范圍為
。一般情況下，R的取值需要根據視頻傳感節(jié)點自身裝載的 視頻傳感器的不同性能而定，其值域范圍與視頻傳感器像素值成正比關系。b.模糊感知半徑。在此感知半徑內視頻傳感節(jié)點無法清晰地辨認出進入感知區(qū)域 的物體，無法滿足用戶對于環(huán)境監(jiān)測的需求，但可以對特殊的“視頻事件”做出反應。光照 事件就是此類特殊視頻事件的典型代表，該半徑值域范圍為(R，+⑴)。在值域范圍內，傳感 節(jié)點的感知能力呈指數級下降趨勢，并且對特殊視頻事件的響應不會因此受很大的影響。方向傳感器的有效感知區(qū)域為以節(jié)點為圓心，向外擴展的扇形所覆蓋的區(qū)域，該 區(qū)域可以繞方向傳感節(jié)點所在位置任意旋轉。 是通過節(jié)點所在圓心指向有效傳感扇形區(qū) 域重心位置的單位向量，即代表了方向傳感器有效感知區(qū)域的方向，用傳感方向向量表示。 在隨機布撒的傳感網絡中該方向的初始值往往也是隨機的，即在W，2ji]內服從均勻分 布。通過調整 向量的方向角可以實現改變方向傳感節(jié)點的有效感知區(qū)域。在某一時刻，判斷任意一點已經進入方向傳感節(jié)點的有效感知范圍的方法有兩 條一是該點到傳感節(jié)點的距離小于清晰感知半徑R ；二是該點和傳感節(jié)點的連線與傳感 方向向量的夾角小于傳感節(jié)點自身的感知區(qū)域視角的1/2。如果同時滿足上述兩個條件則 可以認為傳感節(jié)點可以辨認出該點位置上的物體。步驟2)建立視頻事件感應模型?；谝曨l傳感節(jié)點的感知半徑理論，現做如下設置在原點位置設置有方向傳感器(以視頻傳感器為例)。遠處存在一個強光源，。該 光源所在位置處于視頻傳感器的模糊感知半徑范圍內，即對于視頻傳感節(jié)點而言，無法清 晰辨認出光源位置處的目標物體，也無法對光源處的環(huán)境進行高清晰度的監(jiān)測，但是可以 辨別出該強光源這一“視頻事件”，并對該視頻事件做出反應。在某一離散時刻，視頻傳感節(jié)點的傳感方向向量與原點到光源連線的方向向量之 間的夾角記為…當^的取值落在[_感知區(qū)域視角/2，感知區(qū)域視角/2]值域范圍內時滿足 上述設置情形。在該種情況下，圖像傳感節(jié)點通過對采樣的圖像數據掃描處理，來判斷出強 光源在當前掃描圖像中的位置。本發(fā)明提出較為簡便易行而且低算法復雜度的基于平均列 值信息的視頻事件搜索算法，將會在步驟3中詳細闡述。當然正常情況下，在清晰感知半徑內視頻傳感節(jié)點同樣可以有效地辨別出“視頻 事件”。這里需要特別說明的是本發(fā)明涉及的距離范圍如“清晰感知半徑范圍內”是指在半 徑為R，視頻傳感節(jié)點的有效感知區(qū)域視角所組成的扇形區(qū)域范圍內。同理也可以類似得出“模糊感知半徑范圍”。步驟3)應用視頻事件感應模型。視頻傳感節(jié)點收到基站節(jié)點發(fā)送來的視頻事件搜索啟動指令后，進入快照工作模 式，首先采樣環(huán)境圖像數據，并對當前采樣的單幅圖像數據遍歷掃描。假設在掃描至X行 的Y列時感知到視頻事件，并記錄下該視頻事件出現的列值Y。一般情況下在某行中出現 的視頻事件會由多個列值記錄，所以將該行中所有出現視頻事件的列記為Yi(C) < i <圖像 寬度像素值)，而視頻事件在當前圖像中所占寬度直接影響到Yi的數值大小。同理，當掃描 X+k (0 < k <圖像高度像素值-X)行時將感知到視頻事件的列值全部記錄，直到圖像掃描完 畢。將各行的Yi取平均值后記錄為藝，再將各行的巧均值處理。最后得到當前圖像數據中視 頻事件的矯正平均列值。
通過上述步驟計算得出的單幅圖像數據的矯正平均列值為傳感方向引導算法提 供了基礎與前提。步驟4)無線多媒體傳感器網絡中的視頻傳感器方向引導。整個方向引導方法的最終目的是為了使得視頻傳感節(jié)點的傳感方向朝向被測物 體或固定區(qū)域，也可以理解為經過調整后，使得視頻事件與傳感節(jié)點的連線與傳感節(jié)點的 傳感方向向量之間的夾角值域在[_感知區(qū)域視角/2，感知區(qū)域視角/2]范圍內，并且 進可 能地縮小夾角使得夾角趨向于零，以此來達到使視頻事件盡可能靠近采樣視頻有效區(qū)域的 中心位置，提高監(jiān)測的可控度。本發(fā)明提出的方法僅僅通過視頻事件來驅動而不用人為地 進行調整。通過基站節(jié)點發(fā)出視頻事件搜索啟動指令，接收到指令的視頻傳感節(jié)點啟動視頻 事件搜索算法，對視頻事件搜索算法的描述如下預定義ε為一個較小的數值，并且設置的數值滿足Y大于零且小于ε，同時定義 M為視頻傳感節(jié)點處于當前快照模式下采樣的圖像數據像素寬度數值的二分之一。傳感節(jié) 點首先進入快照模式，采樣單幅圖像數據，系統(tǒng)在值域[-1，+1]之間隨即產生一個數值，并 將其賦值給RAND變量。利用步驟3)中的方法遍歷采樣的單幅圖像數據，如果無法識別出視 頻事件則判斷RAND的數值，如果RAND大于零則視頻傳感節(jié)點的傳感方向向量順時針旋轉 Y，如果RAND小于零則逆時針旋轉γ角度，旋轉角度結束后重新進入快照工作方式，采樣 單幅圖像數據并重復上述操作。在遍歷采樣的單幅圖像過程中一旦識別出視頻事件就按照 步驟3)中描述的方法計算當前掃描圖像的矯正平均列值，定義Ad的數值為M與矯正平均 列值相減運算后差值的絕對值。判斷△(!的數值如果大于ε，系統(tǒng)進而判斷RAND的數值， 如果RAND的數值大于零，則視頻傳感節(jié)點的傳感方向向量順時針旋轉γ角度；如果RAND 的數值小于零，則逆時針旋轉Y角度。之后重新進入快照模式采樣單幅圖像數據后重復上 述流程直到判斷出△(!的數值小于ε，結束整個傳感方向引導的調整過程。整個工作流程 圖如圖2所示。整個流程的目的是為了實現當單幅圖像數據中無法識別出視頻事件時，對 視頻傳感節(jié)點的傳感方向做適度調整，并且重復上述步驟直到計算得出視頻事件在當前采 樣單幀視頻數據的較為靠近中間位置為止。步驟5)視頻與音頻傳感器配對協(xié)同方法。在無線多媒體傳感器網絡中，為了實現對被測物體或固定區(qū)域全面地監(jiān)控，除了 有視頻與圖像信息之外還需要有相應的音頻信息來提高監(jiān)控質量，那么如何使無線多媒體 傳感器網絡中的視頻傳感節(jié)點與音頻傳感節(jié)點有效地協(xié)同工作，就成為了影響監(jiān)控質量的 關鍵因素。在初始設置的完成之后，視頻與音頻傳感節(jié)點之間需要完成一次配對過程之后 就可以開始互相協(xié)同工作。在通常的多媒體無線傳感器網絡中，視頻傳感節(jié)點屬于方向傳感節(jié)點而音頻傳感 節(jié)點屬于全向傳感節(jié)點。在監(jiān)控范圍上，由于視頻傳感節(jié)點單位時間的能耗遠遠大于音頻 傳感節(jié)點的單位時間能耗，而且相同面積的有效傳感覆蓋率(對于視頻傳感節(jié)點選擇清晰 感知半徑范圍內)明顯是全向傳感節(jié)點大于方向傳感節(jié)點，即對于覆蓋相同區(qū)域的情況， 全向傳感節(jié)點的實際使用數量小于方向傳感節(jié)點。根據上述情況不難得知在實際工作中為 了滿足相同的覆蓋率，實際投入使用的全向傳感節(jié)點數量應該小于方向傳感節(jié)點的數量。 因此本發(fā)明考慮由數量較少而且單位時間能耗較低的音頻傳感節(jié)點來主動發(fā)起配對協(xié)同工作的申請。在配對開始之前，視頻傳感節(jié)點的方向引導已經完成而且在初始化的過程中已經 由監(jiān)控中心廣播帶有當前啟動時間信息的數據包用于同步網絡中各個多媒體傳感節(jié)點的 當前啟動時間以及信息采樣時間。由監(jiān)控中心發(fā)出的配對啟動指令以廣播的方式傳送給音 頻傳感節(jié)點，視頻傳感節(jié)點雖然也能夠接收該指令信息但不做任何處理直接丟棄。本地音 頻傳感節(jié)點在接收到該指令后發(fā)出配對申請信號，在本地音頻傳感節(jié)點一跳可達距離范圍 內的其他視頻傳感節(jié)點響應該配對請求，各個視頻傳感節(jié)點在本地音頻傳感節(jié)點發(fā)出的請 求信號尾部加入自身的設備識別號同時傳送回音頻傳感節(jié)點。為了避免沖突，附近其他的 非本地音頻傳感節(jié)點在接收到這些視頻傳感節(jié)點的配對反饋報文后，先檢查報文首部的初 始配對申請?zhí)?，該字段由發(fā)起配對申請的本地音頻傳感節(jié)點的設備識別號唯一標識，如果 與自身的申請?zhí)柌幌喾麆t丟棄該報文。本地音頻傳感節(jié)點接收到附近視頻傳感節(jié)點的反饋 報文后將可能出現的設備識別號及其相對應的RSSI值記錄，之后查找擁有最小信號衰減 值的設備識別號，將其加入反饋報文的尾部后再次發(fā)送出去。在本地音頻傳感節(jié)點的信號 一跳可達范圍內的各個視頻傳感節(jié)點都會收到該報文，通過檢驗報文尾部的設備識別號來 判斷本次配對申請成功的對象是否是自身。如果不是則將該報文丟棄不做處理同時繼續(xù)監(jiān) 聽網絡中的由其他音頻傳感節(jié)點發(fā)送來的申請配對報文。此時確認配對成功的報文會由目 標視頻傳感節(jié)點再次發(fā)送回本地音頻傳感節(jié)點，接收確認后由本地音頻傳感節(jié)點發(fā)送出帶 有目標視頻傳感節(jié)點設備識別號與本次配對號的監(jiān)控啟動報文，后音頻傳感節(jié)點自身啟動 音頻監(jiān)測開始采樣環(huán)境音頻信息，在接收到監(jiān)控啟動報文后與本地音頻傳感節(jié)點配對成功 的目標視頻傳感節(jié)點同步開始采樣環(huán)境視頻信息。在音頻與視頻傳感節(jié)點采樣時間到達初 始化時同步指定的信息采樣時間后結束本次環(huán)境信息采樣，并在數據包首部加入本次采樣 開始時間信息與本次配對號信息，再將這些信息以多跳的方式傳送回基站節(jié)點并在監(jiān)控終 端軟件實現將帶有相同采樣開始時間與配對號的視頻與音頻信息的融合播放。步驟6)適應不同應用需求的工作模式。在監(jiān)控區(qū)域設置多媒體傳感節(jié)點后，針對某一被測物體或固定區(qū)域，進行傳感方 向引導，之后的視頻傳感節(jié)點與音頻傳感節(jié)點協(xié)同工作可以根據不同的應用需求在單體與 群體兩種工作模式間切換。在群體工作模式下類似于步驟5)中描述的情形，由一個音頻傳感節(jié)點驅動一個 視頻傳感節(jié)點協(xié)同采樣環(huán)境多媒體信息，通過一對一的配對來實現區(qū)域監(jiān)控。這種工作模 式可以適應較大范圍的區(qū)域監(jiān)控，實現對監(jiān)控目標全景粗略的覆蓋。單體工作模式與群體 工作模式有所不同，初始化同步網絡設備工作時間，在被測物體或監(jiān)控區(qū)域附近投擲視頻 事件，的同時投擲一枚音頻傳感節(jié)點作為驅動節(jié)點以保證監(jiān)控區(qū)域在單個音頻傳感節(jié)點的 有效覆蓋范圍內，并記錄下該音頻傳感節(jié)點的設備識別號。驅動節(jié)點的作用是為了驅使周 圍臨近區(qū)域內多個視頻傳感節(jié)點自組織建立小區(qū)。監(jiān)控終端發(fā)出視頻事件搜索指令，在傳 感方向引導結束后，由監(jiān)控終端通過基站節(jié)點發(fā)送帶有驅動節(jié)點的全網絡唯一設備識別號 的數據包，其他非驅動節(jié)點接收到該數據包后檢查自己的設備識別號是否與該數據包首部 的設備識別號相同，如果不同則不做處理并轉發(fā)該數據包。當驅動節(jié)點收到該數據包后即 刻啟動小區(qū)探尋算法，該方法的詳細流程如下驅動節(jié)點發(fā)出小區(qū)探尋數據包，該數據包包括驅動節(jié)點自身的設備識別號。在驅動節(jié)點的信號有效可達范圍的每個視頻傳感節(jié)點都會響應該包，并且將自己的設備識別號 加入數據包尾部后反饋給驅動節(jié)點，由于該數據包不會被一跳可達范圍內的其他任何多媒 體傳感節(jié)點轉發(fā)，所以在驅動節(jié)點的有效信號覆蓋范圍內的各個視頻傳感節(jié)點就會成為小 區(qū)組建的各個備選子節(jié)點。驅動節(jié)點將各個鄰居視頻傳感節(jié)點即備選子節(jié)點反饋回的數據 包抽樣出各自的設備識別號與信號衰減RSSI數值，挑選出RSSI絕對值小于某一經驗門限 值的全部節(jié)點的設備識別號并將其全部封裝入新的小區(qū)組建申請數據包內，同樣發(fā)送給小 區(qū)內的各個備選子節(jié)點，各個備選子節(jié)點在收到由驅動節(jié)點發(fā)送出的小區(qū)組建申請數據包 后，如果檢驗出自身設備識別號在該數據包中就將自身的設備識別號再次加入數據包尾部 后反饋給驅動節(jié)點。驅動節(jié)點再次將收到的全部反饋信息抽樣出各個備選子節(jié)點的確認后 的設備識別號，將其全部封裝入帶有小區(qū)識別號信息的監(jiān)控啟動指令數據包中并發(fā)送該數 據包，后開始采樣環(huán)境音頻信息。小區(qū)內的各個備選子節(jié)點在收到驅動節(jié)點發(fā)送出的監(jiān)控 啟動指令數據包后立即開始采樣環(huán)境視頻信息。在采樣結束后各個節(jié)點將本次采樣的采樣 開始時間連同小區(qū)識別號一起封裝入自己采樣的環(huán)境多媒體數據包內并將其發(fā)送回基站 節(jié)點并在終端軟件實現多角度視頻的播放與同步的音頻數據的播放。
權利要求
一種物聯網環(huán)境下基于傳感方向引導的節(jié)點協(xié)同工作方法，其特征在于該方法包括的步驟如下步驟1)視頻傳感節(jié)點感知半徑使用清晰感知半徑與模糊感知半徑來定性衡量視頻傳感器的感知范圍，在各自的感知范圍內具有可區(qū)別的感知特性；即在清晰感知半徑內，視頻傳感節(jié)點可以清晰地識別出進入感知區(qū)域的物體，足夠滿足用戶對于環(huán)境監(jiān)測的需求，并可以對一般的進入感知范圍內的物體做出反應；在模糊感知半徑內，可以對強光源等特殊的“視頻事件”做出反應；步驟2)視頻事件感應模型遠處設置一個強光源，該光源所在位置處于視頻傳感器的模糊感知半徑范圍內；在某一離散時刻，視頻傳感節(jié)點的傳感方向向量與原點到光源連線的方向向量之間的夾角取值落在[-感知區(qū)域視角/2，感知區(qū)域視角/2]值域范圍內時滿足上述設置情形；步驟3)視頻事件感應模型的應用進入快照工作模式后，視頻傳感節(jié)點首先采樣單幀環(huán)境視頻數據，并對當前采樣的單幀視頻數據遍歷掃描；在識別出視頻事件以后，計算該視頻事件在當前單幀視頻數據中的矯正平均列值，以供后續(xù)步驟操作使用，而無論視頻事件在視頻傳感節(jié)點的清晰感知半徑范圍內還是模糊感知半徑范圍內，都可以利用感應模型的原理來實現對采樣的單幀視頻數據遍歷掃描的方式來識別出視頻事件；步驟4)無線多媒體傳感器網絡中的視頻傳感器方向引導方向引導方法的目的是為了使得視頻傳感節(jié)點的傳感方向朝向被測物體或待測固定區(qū)域；經過方向引導后，使得視頻事件與傳感節(jié)點的連線與傳感節(jié)點的傳感方向向量之間的夾角值域在[-感知區(qū)域視角/2，感知區(qū)域視角/2]范圍內，并且盡可能地縮小夾角以到達更優(yōu)的監(jiān)控效果；步驟5)視頻與音頻傳感器配對協(xié)同方法由全網中數量較少而且單位時間能耗較低的音頻傳感節(jié)點來主動發(fā)起配對協(xié)同工作的申請，由一個音頻傳感節(jié)點與一個視頻傳感節(jié)點配對協(xié)同完成環(huán)境監(jiān)控；步驟6)適應變化的工作模式在不同規(guī)模的應用場景下可以采用不同的工作模式，即群體與單體兩種針對不同監(jiān)控范圍與監(jiān)控需求的工作模式；群體工作模式類似于步驟5)描述的方法，由一個音頻傳感節(jié)點驅動一個視頻傳感節(jié)點協(xié)同采樣環(huán)境多媒體信息，通過一對一的配對來實現區(qū)域監(jiān)控；單體工作模式的特殊之處在于，由單個音頻傳感節(jié)點驅動建立起工作小區(qū)，在該工作小區(qū)內的其他多個視頻傳感節(jié)點聯動工作采樣環(huán)境多媒體數據信息，以滿足更為精確的適用于較小范圍內的區(qū)域監(jiān)控或目標物體的多角度高精度的監(jiān)控需求。
全文摘要
基于傳感方向引導的無線多媒體傳感節(jié)點協(xié)同工作處理方法，主要涉及了多媒體傳感器網絡中一種目標監(jiān)控的有效實現方法，該方法基于本發(fā)明提出的傳感節(jié)點感知半徑理論與視頻傳感模型，與實際應用相結合，并根據不同的應用場景提出了群體與單體兩種工作模式來滿足實際不同的監(jiān)控需求。從理論與實際兩個角度來闡述了無線多媒體傳感器網絡中方向引導方法，結合自身的易于操控、簡潔高效、節(jié)約成本、低開銷能耗以及高靈活性等特點，為無線多媒體傳感器網絡在監(jiān)控領域的應用提出了建設性意見。
文檔編號H04N5/335GK101841930SQ201010155799
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2010年4月23日
發(fā)明者凡高娟, 葉寧, 孫力娟, 沙超, 王汝傳, 肖甫, 魏燁嘉, 黃小桑, 黃海平 申請人:南京郵電大學