專利名稱：基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤方法及裝置，屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線信道技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳感器網(wǎng)絡(luò)由布置于廣闊領(lǐng)域的成百上千的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，以保證隨時(shí)隨地地提供高精度的分布式感知、處理、分發(fā)數(shù)據(jù)的技術(shù)。現(xiàn)有基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的物體跟蹤技術(shù)主要是針對(duì)如何減少網(wǎng)絡(luò)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使
用壽命，采取的相關(guān)技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面基于樹結(jié)構(gòu)的跟蹤、基于分簇結(jié)構(gòu)的跟蹤、基于預(yù)測(cè)的跟蹤、基于時(shí)空特性的多播形式的跟蹤。其中I、基于樹結(jié)構(gòu)的跟蹤當(dāng)探測(cè)到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)間相互交流時(shí)，選擇一個(gè)根節(jié)點(diǎn)通過分布式平衡樹從這些節(jié)點(diǎn)中收集信息，例如基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模追蹤(Scalable Tracking Using NetworkedSensors，簡(jiǎn)稱STUN)。STUN提出了構(gòu)建分層的管道平衡樹(DAB)的構(gòu)建方案，能有效地追蹤目標(biāo)、并支持在基站處的快速查詢。但是，主要存在兩個(gè)缺點(diǎn)一是，DAB樹只是一個(gè)邏輯樹，并不能反映傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)，因此一條邊可能有多跳組成，增加了傳輸?shù)拇鷥r(jià)；二是，該方法沒有將查詢的代價(jià)考慮在內(nèi)，因此，在某些情況下，該方法并不一定有效率。除此以外，當(dāng)根節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離目標(biāo)時(shí)，樹會(huì)被重新配置。盡管平衡樹結(jié)構(gòu)的探測(cè)方式準(zhǔn)確性高，但是會(huì)導(dǎo)致高能耗。2、基于分簇結(jié)構(gòu)的跟蹤分簇是解決傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗管理的重要方式。通過分簇，節(jié)點(diǎn)被分為簇頭和成員。在基于分簇結(jié)構(gòu)的跟蹤算法中，成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)探測(cè)物體并且傳遞信息給簇頭，簇頭從其成員中收集信息。它計(jì)算目標(biāo)的位置，并發(fā)送信息給基站。優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省能耗，進(jìn)而能夠延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。但是，分簇結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和控制都會(huì)增加能耗開支、設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。3、基于預(yù)測(cè)的跟蹤目標(biāo)的下一個(gè)位置是基于目標(biāo)的當(dāng)前的移動(dòng)速度和方向。這些算法巧妙地利用睡眠模式，減少能耗，以減少能耗、提高網(wǎng)絡(luò)使用壽命。4、基于時(shí)空特性的跟蹤提出了基于時(shí)空特性的多播方式。該方式，不僅為移動(dòng)基站提供了可靠的實(shí)時(shí)的信息傳遞，而且提供了針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的本地協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)融合的強(qiáng)大的交流理念。即，當(dāng)目標(biāo)被探測(cè)到后，一個(gè)組即被構(gòu)建起來。組頭會(huì)發(fā)送一個(gè)多播的信息，給相應(yīng)的區(qū)域，而該區(qū)域是基于目標(biāo)的估計(jì)速率而預(yù)測(cè)出來的。以上四類跟蹤算法主要針對(duì)能耗問題，設(shè)計(jì)上總體而言具有以下特點(diǎn)I)按需及時(shí)開啟傳感器節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)。為了保證持續(xù)的覆蓋以實(shí)現(xiàn)無(wú)能量浪費(fèi)，只有一小部分傳感器節(jié)點(diǎn)需要被喚醒。2)在觀察對(duì)象到達(dá)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的觀察區(qū)之前，將觀察對(duì)象的物理信息及時(shí)地告知，為了更好的觀察和行動(dòng)，告知應(yīng)該在喚醒之前的恰當(dāng)時(shí)候。另外，在節(jié)省能耗之余，分簇結(jié)構(gòu)的提出對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的健壯性、規(guī)?；峁┝艘欢ūＷC。但是也存在以下問題I)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于復(fù)雜。一些樹形的、層次化的分簇結(jié)構(gòu)等的提出，明顯提升了設(shè)計(jì)和維護(hù)的復(fù)雜性，在物體跟蹤的同時(shí)，需要消耗大量能耗、以保證及時(shí)調(diào)整維護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，否則算法就會(huì)失效。2)能耗的考慮沒有從節(jié)點(diǎn)本身出發(fā)。雖然絕大部分問題都針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的最大問題能耗，但是僅僅是從不同節(jié)點(diǎn)間的調(diào)度和協(xié)調(diào)的角度進(jìn)行的思考，并沒有挖掘更本源的能耗問題-信號(hào)的發(fā)射問題。3)所有的策略都只是基于全向天線的節(jié)點(diǎn)。全向天線向全方向傳輸信號(hào)，因此，
當(dāng)只有一些接受者需要該信號(hào)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致大量的其余方向的不必要的能耗損失。而定向天線則是向著目標(biāo)的方向以一個(gè)狹窄的方向角進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射，從而節(jié)省了能耗、提高了重利用率、擴(kuò)大了覆蓋面積。并且，定向天線對(duì)鄰居間的干擾較小，能從整體上極大地減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸因干擾而導(dǎo)致的錯(cuò)誤和由此而引起的重發(fā)，因此能很好地提高系統(tǒng)的吞吐率。4) 一些基于數(shù)據(jù)挖據(jù)的路徑預(yù)測(cè)提及的方法過于復(fù)雜。諸如貝葉斯分析、決策樹算法、馬爾科夫鏈等能在數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性上得到保證。但是，傳感器節(jié)點(diǎn)本身存在計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力的有限性，而且大量的運(yùn)算會(huì)引發(fā)器件本身的大量能耗，會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。然而，就傳感器網(wǎng)絡(luò)本身而言，由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身能量和計(jì)算能力有限，所以過于復(fù)雜的移動(dòng)物體追蹤和路徑預(yù)測(cè)方法是不可行的。能耗的減少和算法的可計(jì)算性將直接影響著基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的物體追蹤的規(guī)模性、持久性、實(shí)時(shí)性等系統(tǒng)關(guān)鍵問題。如前所述，雖然現(xiàn)有方法提出了一些基于能耗的追蹤策略，但是，目前的方法中沒有基于定向天線的利用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移動(dòng)物體跟蹤的方法，也沒有根據(jù)能耗、可計(jì)算性、預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)做進(jìn)一步的優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤方法及裝置，用以降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)追蹤。本發(fā)明一方面提供一種基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤方法，其中包括為觀測(cè)區(qū)域構(gòu)建全覆蓋傳感器網(wǎng)絡(luò)；為所述觀測(cè)區(qū)域中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)確定一跳鄰居集合；根據(jù)所述一跳鄰居集合，合作預(yù)測(cè)并記錄所述觀測(cè)區(qū)域中的移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡；根據(jù)所訴預(yù)測(cè)軌跡利用定向天線向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒消息，啟動(dòng)鄰居節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)模塊。本發(fā)明另一方面提供一種基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤裝置，其中包括網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模塊，用于為觀測(cè)區(qū)域構(gòu)建全覆蓋傳感器網(wǎng)絡(luò)；鄰居確定模塊，用于為所述觀測(cè)區(qū)域中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)確定一跳鄰居集合；
軌跡預(yù)測(cè)模塊，用于根據(jù)所述一跳鄰居集合，合作預(yù)測(cè)并記錄所述觀測(cè)區(qū)域中的移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡；傳感器節(jié)點(diǎn)上的定向發(fā)送模塊，用于定向喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)的發(fā)送；本發(fā)明通過巧妙地利用定向天線，通過數(shù)據(jù)的時(shí)空特性的分析預(yù)測(cè)，同時(shí)滿足能耗和路徑預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性的要求，從而實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)下的移動(dòng)物體快速追蹤。


圖I為本發(fā)明所述基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤方法實(shí)施例的流程圖；圖2為本發(fā)明所述傳感器網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋判定與節(jié)點(diǎn)感知半徑、節(jié)點(diǎn)數(shù)目的關(guān)系舉例示意圖；圖3A-圖3C為本發(fā)明所述傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖；圖4為本發(fā)明所述基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式首先，對(duì)本實(shí)施例所述移動(dòng)物體跟蹤方法的約束性條件進(jìn)行說明傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域S可以用圖G (V，E)來表示，其中V= {Vi}表示各傳感器節(jié)點(diǎn)Vi的集合，E = {ej表示傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信邊ei的集合。邊(Vi, Vj) e E,當(dāng)且僅當(dāng)| Ivi,
Vj I ≤ RT，其中，Rt為節(jié)點(diǎn)的通信傳輸距離，
權(quán)利要求
1.一種基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤方法，其特征在于，包括 為觀測(cè)區(qū)域構(gòu)建全覆蓋傳感器網(wǎng)絡(luò)； 為所述觀測(cè)區(qū)域中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)確定一跳鄰居集合； 根據(jù)所述一跳鄰居集合，合作預(yù)測(cè)并記錄所述觀測(cè)區(qū)域中的移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡； 根據(jù)所述預(yù)測(cè)軌跡利用定向天線向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒消息，啟動(dòng)鄰居節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤目標(biāo)的持續(xù)觀測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述為觀測(cè)區(qū)域構(gòu)建全覆蓋傳感器網(wǎng)絡(luò)，使觀測(cè)區(qū)域面積包含于所有傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍的并集內(nèi)，該特征可以通過覆蓋率的計(jì)算公式1-(1- 、._ )保障其中，S表示所述觀測(cè)區(qū)域的面積，Rs表示每個(gè)所述傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑，η表示所述觀測(cè)區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述為所述觀測(cè)區(qū)域中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)確定一跳鄰居集合，包括 初始化所述觀測(cè)區(qū)域中的全部傳感器節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居信息； 在所述觀測(cè)區(qū)域中定期廣播發(fā)送探測(cè)包； 接收到所述探測(cè)包的一跳鄰居將發(fā)送方添加到一跳鄰居集合表中。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述的一跳鄰居集合合作預(yù)測(cè)并記錄所述觀測(cè)區(qū)域中的移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡，包括 將所有傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)到與否標(biāo)記初始化為“否”；作為整個(gè)探測(cè)過程的啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)一即初始時(shí)刻能探測(cè)到移動(dòng)物體的傳感器節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入探測(cè)階段首先，將該傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)到與否的標(biāo)記更新為“是”;然后，每隔一個(gè)探測(cè)間隔進(jìn)行一次探測(cè)并更新包含了移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡信息的事件記錄，直到探測(cè)不到移動(dòng)物體時(shí)停止探測(cè)；待探測(cè)階段結(jié)束后，預(yù)測(cè)判定移動(dòng)目標(biāo)的移動(dòng)方向，利用定向天線廣播一個(gè)用于通知開啟探測(cè)的數(shù)據(jù)包給處于該方向上的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)； 作為用于通知開啟探測(cè)的數(shù)據(jù)包的接收方，即傳感器節(jié)點(diǎn)接收到所述數(shù)據(jù)包時(shí)，如果該傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)到與否標(biāo)記為“是”，則將所述數(shù)據(jù)包的發(fā)送方標(biāo)識(shí)記錄到該節(jié)點(diǎn)的發(fā)送方集合中，用于標(biāo)記對(duì)移動(dòng)物體觀測(cè)過程中的前置觀測(cè)節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，繼續(xù)其探測(cè)過程，如后所述；如果為“否”，則進(jìn)行下一步判斷，即如果移動(dòng)物體在其監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，則將所述數(shù)據(jù)包的發(fā)送方標(biāo)識(shí)記錄到該節(jié)點(diǎn)的發(fā)送方集合中，將該傳感器節(jié)點(diǎn)的探測(cè)到與否的標(biāo)記更新為“是”，并且進(jìn)入探測(cè)階段；探測(cè)過程；啟動(dòng)探測(cè)的節(jié)點(diǎn)每隔一個(gè)探測(cè)間隔進(jìn)行一次探測(cè)并更新包含了移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡信息的事件記錄，直到探測(cè)不到移動(dòng)物體時(shí)停止探測(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，待探測(cè)階段結(jié)束后，還包括 1)傳感器節(jié)點(diǎn)將所述探測(cè)到與否標(biāo)記更新為“否”； 2)計(jì)算自己的發(fā)送方集合中的所有元素和本節(jié)點(diǎn)依次構(gòu)成的矢量的角平均線矢量； 3)采用定向天線發(fā)射探測(cè)開啟通知包，定向天線的角度為與角平均線矢量所構(gòu)成的一個(gè)預(yù)定角度，以通知相應(yīng)方向上的傳感器節(jié)點(diǎn)開啟檢測(cè)； 4)最后，刪除該傳感器的發(fā)送方集合中的記錄。
6.一種基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤裝置，其特征在于，包括網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模塊，用于為觀測(cè)區(qū)域構(gòu)建全覆蓋傳感器網(wǎng)絡(luò)； 鄰居確定模塊，用于為所述 觀測(cè)區(qū)域中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)確定一跳鄰居集合； 軌跡預(yù)測(cè)模塊，用于根據(jù)所述一跳鄰居集合，合作預(yù)測(cè)并記錄所述觀測(cè)區(qū)域中的移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡； 定向天線發(fā)射角度計(jì)算模塊，用于根據(jù)前述預(yù)測(cè)軌跡的結(jié)果計(jì)算定向天線的發(fā)射角度，以喚醒下一跳節(jié)點(diǎn)的持續(xù)觀測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于定向天線的傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)物體跟蹤方法及裝置。其中方法包括為觀測(cè)區(qū)域構(gòu)建全覆蓋傳感器網(wǎng)絡(luò)；為所述觀測(cè)區(qū)域中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)確定一跳鄰居集合；根據(jù)所述一跳鄰居集合，合作預(yù)測(cè)并記錄所述觀測(cè)區(qū)域中的移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軌跡；根據(jù)所述預(yù)測(cè)軌跡利用定向天線向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒消息，啟動(dòng)鄰居節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤目標(biāo)的持續(xù)觀測(cè)。本發(fā)明通過巧妙地利用定向天線，結(jié)合數(shù)據(jù)的時(shí)空相關(guān)特性進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，同時(shí)滿足能耗最小和路徑預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的要求，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)下的移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)追蹤。
文檔編號(hào)H04W64/00GK102883429SQ20121031640
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者李歡, 孫哲豐 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)