專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于動態(tài)簇機制的目標(biāo)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤方法，屬于目標(biāo)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是用來對環(huán)境進(jìn)行測控的，其中一個重要應(yīng)用是目標(biāo)跟蹤。由于 傳感器節(jié)點體積小，價格低廉，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)部署隨機，具有自組織性，魯棒性和隱蔽性 等特點，傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合于移動目標(biāo)的定位和跟蹤。另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)又具有 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電池能量和計算能力嚴(yán)格受限，節(jié)點數(shù)量龐大且高密度部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘡?fù) 雜等特征，使相關(guān)的課題研究極具挑戰(zhàn)性。國內(nèi)外許多學(xué)者對無線傳感器單目標(biāo)跟蹤進(jìn)行了深入的研究，提出了很多目標(biāo)跟 蹤算法，主要有雙元檢測算法、信息驅(qū)動協(xié)作跟蹤算法和傳送樹跟蹤算法。以上算法中，基 于傳送樹的跟蹤算法是一種基于動態(tài)簇選取的分布式算法，即在目標(biāo)區(qū)域建立一個動態(tài)樹 型結(jié)構(gòu)，并隨著目標(biāo)的移動動態(tài)地添加或者刪除節(jié)點，以達(dá)到保證目標(biāo)的高效跟蹤和減少 節(jié)點通信開銷，延長網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。分布式算法由于能夠減少能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命， 是現(xiàn)在的主流與熱點研究方向。Chen W P, Hou J C, Sha L研究了聲傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤問題，利用 Voronoi (泰森多邊形)圖實現(xiàn)了一種動態(tài)簇創(chuàng)建方法，缺陷在于簇頭競選，需要事先指定 一些節(jié)點作為候選簇首集合，適用性較窄(無限傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)簇聲目標(biāo)跟蹤研究，IEEE Transactions on Mobile Computing,3(3),2004 :258-271)oZhang W S,Cao G H將DCTC框 架用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織，該方法通過動態(tài)增加和消減節(jié)點，保證生成樹同時具有較 低的能量消耗和較高的信息獲得量，缺陷是計算過于復(fù)雜，難以應(yīng)用(基于能量有效的目 標(biāo)足艮蹤算法，Proc. of the IEEE Military Communications Conference，2003 :597-602)。 萬江文提出時間異步條件下的動態(tài)簇算法，具有較好的跟蹤精度，且平衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，缺陷 在于初始簇頭的選擇為距離目標(biāo)最近節(jié)點，沒有考慮能量因素(時間異步無限傳感器網(wǎng)絡(luò) 分布式目標(biāo)跟蹤·高技術(shù)通訊，2009 =1026-1030)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤技術(shù)存在的不足，提供一種兼顧節(jié)點剩 余能量和與目標(biāo)的距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于動態(tài)簇機制的目標(biāo)跟蹤方法。本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于動態(tài)簇機制的目標(biāo)跟蹤方法，限于以下假設(shè)定義 感知區(qū)域為F，N個傳感器節(jié)點隨機等密度分布，包括普通節(jié)點和匯聚(Sink)節(jié)點，目標(biāo)周 期性的發(fā)送射頻信號，普通節(jié)點僅當(dāng)收到組簇信號以后才轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，其它時間處于休 眠狀態(tài)，并周期性對目標(biāo)信號進(jìn)行檢測；

圖1給出了簡化的傳感器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型1)節(jié)點空 間部署等密度且隨機，坐標(biāo)位置(X，y)可知；2)每個節(jié)點有唯一的ID，具有數(shù)據(jù)融合功能； 3)節(jié)點同構(gòu)對等，無線傳播范圍相同；4)節(jié)點具有組簇能力。具體包括以下步驟
(1)目標(biāo)跟蹤過程傳感器節(jié)點集合為A = (A1,…AJ，傳感器的通信半徑為Rn，目標(biāo)信號的有效傳輸 半徑為民(或稱節(jié)點的偵測距離)，兩者滿足民^ &/2，這樣就能保證所有能探測到目標(biāo)的 傳感器節(jié)點，都在彼此的通信范圍內(nèi)，并且只會形成一個簇，如圖2所示。傳感器節(jié)點接收 的目標(biāo)信號強度RSSI值為Pi (Cli)，其中Cli為節(jié)點i與跟蹤目標(biāo)的距離，節(jié)點i的剩余電量 為ei ；節(jié)點電量的初始值為1 (即100% )。動態(tài)簇跟蹤算法的流程如圖3所示，目標(biāo)跟蹤過 程包括初始簇的創(chuàng)建和簇結(jié)構(gòu)動態(tài)調(diào)整①初始簇的創(chuàng)建初始簇的創(chuàng)建流程圖如圖4所示。由于傳感器資源有限，為了提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的 壽命，采用動態(tài)簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式跟蹤，在沒有偵測任務(wù)的時候，所有傳感器處于休眠狀 態(tài)，并不形成簇結(jié)構(gòu)，以節(jié)省能量；當(dāng)目標(biāo)第一次進(jìn)入傳感器網(wǎng)絡(luò)的偵測區(qū)域時，節(jié)點感應(yīng) 到目標(biāo)的RSSI強度大于Ptl時，即傳感器節(jié)點與目標(biāo)的距離小于閾值Rtl時，這些節(jié)點構(gòu)成 集合S =風(fēng)…&}，它們共同參與到簇頭的競選過程中；節(jié)點接收到的RSSI強度小于Ptl或 是沒有偵測到目標(biāo)信號，將繼續(xù)保持休眠狀態(tài)；設(shè)節(jié)點的偵測距離為Rs，當(dāng)目標(biāo)距節(jié)點距離 在RtlS (Rs-e)時總會被檢測到；通常情況下e = 0. 1RS，使用改進(jìn)型無線電自由空間傳播模 型
權(quán)利要求
1. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于動態(tài)簇機制的目標(biāo)跟蹤方法，限于以下假設(shè)定義感知區(qū) 域為F，N個傳感器節(jié)點隨機等密度分布，包括普通節(jié)點和匯聚節(jié)點，目標(biāo)周期性的發(fā)送射 頻信號，普通節(jié)點僅當(dāng)收到組簇信號以后才轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，其它時間處于休眠狀態(tài)，并周期 性對目標(biāo)信號進(jìn)行檢測；其特征在于，具體包括以下步驟(1)目標(biāo)跟蹤過程傳感器節(jié)點集合為A= (A1,…AJ，傳感器的通信半徑為&，目標(biāo)信號的有效傳輸半徑 為Rs，兩者滿足民<&/2，這樣就能保證所有能探測到目標(biāo)的傳感器節(jié)點，都在彼此的通信 范圍內(nèi)，并且只會形成一個簇，傳感器節(jié)點接收的目標(biāo)信號強度RSSI值為Pi (φ)，其中Cli為 節(jié)點i與跟蹤目標(biāo)的距離，節(jié)點i的剩余電量為ei ；節(jié)點電量的初始值為1 ；目標(biāo)跟蹤過程 包括初始簇的創(chuàng)建和簇結(jié)構(gòu)動態(tài)調(diào)整①初始簇的創(chuàng)建由于傳感器資源有限，為了提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，采用動態(tài)簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式跟蹤， 在沒有偵測任務(wù)的時候，所有傳感器處于休眠狀態(tài)，并不形成簇結(jié)構(gòu)，以節(jié)省能量；當(dāng)目標(biāo) 第一次進(jìn)入傳感器網(wǎng)絡(luò)的偵測區(qū)域時，節(jié)點感應(yīng)到目標(biāo)的RSSI強度大于Ptl時，即傳感器節(jié) 點與目標(biāo)的距離小于閾值Rtl時，這些節(jié)點構(gòu)成集合Β = ·^?！ぁ?amp;}，它們共同參與到簇頭的競 選過程中；節(jié)點接收到的RSSI強度小于Ptl或是沒有偵測到目標(biāo)信號，將繼續(xù)保持休眠狀 態(tài)；設(shè)節(jié)點的偵測距離為Rs，當(dāng)目標(biāo)距節(jié)點距離在Rtl彡(Rs-e)時總會被檢測到，e = 0. IRs, 使用改進(jìn)型無線電自由空間傳播模型
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于動態(tài)簇機制的目標(biāo)跟蹤方法，該方法中初始簇頭的形成采用區(qū)域內(nèi)廣播節(jié)點END值方法，兼顧節(jié)點剩余能量和與目標(biāo)的距離，在參與目標(biāo)跟蹤節(jié)點的選取上，不僅考慮節(jié)點的剩余能量狀況，而且只選取接收目標(biāo)的RSSI信號強度大于一定閾值的節(jié)點參與跟蹤，動態(tài)簇的調(diào)整引入臨時簇頭的概念，確保在下個簇建立的過程中，目標(biāo)不丟失，目標(biāo)跟蹤采用最小二乘法對目標(biāo)軌跡進(jìn)行曲線擬合。本發(fā)明基于RSSI強度的簇頭選擇機制，分簇算法兼顧節(jié)點剩余能量和與目標(biāo)的RSSI信號強度等因素，在保證跟蹤精度的同時，減少能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
文檔編號H04W40/12GK102123473SQ201110001610
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者王晶, 陳曙 申請人:山東大學(xué)