CN101521872A - 一种基于无线多媒体传感器网络区域目标跟踪方法 - Google Patents

Abstract

基于无线多媒体传感器网络区域目标跟踪方法是一种基于无线多媒体传感器网络定位的应用方案，主要用于解决无线多媒体网络中的节点定位和目标跟踪问题，该方法将目标跟踪的任务分发到不同的节点上，通过网络中不同状态以及不同地位的节点间的相互协作来完成用户定义的目标跟踪任务，并提出了相应的区域目标跟踪检测方法。在简单的统计指标基础之上，可以有效地实时检测到网络中监测的目标的运动轨迹，避免了依靠复杂算法增强网络跟踪精度而导致的对网络和节点资源过多的消耗，保证了对目标跟踪的客观准确性、完备性和及时性，从而满足无线多媒体传感器网络应用的需求，达到进一步保护无线传感器网络安全的目的。

Description

一种基于无线多媒体传感器网络区域目标跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线多媒体传感器网络区域目标跟踪方法，主要用于解决无线多媒体传感器网络中目标定位和跟踪问题，属于无线多媒体传感器网络及节点定位领域。

背景技术

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽、准确的信息，传送到需要这些信息的用户。在传感器网络的诸多应用中，目标跟踪是一项基本功能，由于传感器节点体积小，价格低廉，采用无线通信的方式以及传感器网络部署随机，具有自组织性、鲁棒性和隐蔽性等特点，传感器网络非常适合于移动目标的定位和跟踪。然而随着应用环境的日趋复杂多变，普通无线传感器网络所获取的简单数据(如温度、湿度和光强)愈加不能满足人们的应用需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的应用环境中来，实现细粒度、精准信息的应用。因而，近年来，对基于多媒体传感器网络技术的目标跟踪方法的研究已引起了科研人员的密切关注。

传统的目标跟踪系统，如雷达系统，通常由有限的探测站点(雷达)以及数据处理中心构成，并且探测站点会配置较高处理能力的设备以及相对充足的资源。基于无线多媒体传感器网络的目标跟踪系统是由众多处理能力有限的探测节点组成，需要多媒体传感器网络根据节点的侦测信号判断目标是否出现，如果目标出现，需要在一定时间内判断出目标的运动轨迹。这就不仅要求多媒体传感器节点对侦测数据进行处理，根据不同的任务需求和有限的资源选择合适的算法确定目标状态，而且需要网络中的多个节点协同工作，通过交换侦测信息共同确定目标的运动轨迹，并将跟踪结果发送给网络用户。

基于无线多媒体传感器网络目标跟踪过程主要包括侦测、定位和通告三个阶段，节点在不同阶段采用不同的状态来完成目标跟踪的任务。在侦测阶段，可以选择红外、超声或者震动技术侦测目标的出现；在定位阶段，通过多个传感器节点间的相互协作，确定目标的当前位置，根据节点位置的历史数据来估算目标的运动轨迹。通告阶段是节点交换信息的过程，主要是广播目标的预估轨迹，通知和启动轨迹附近的节点加入目标跟踪的过程。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于无线多媒体传感器网络目标跟踪方法，用于解决当前无线多媒体传感器网络中的定位及其应用的问题，实现无线多媒体传感器网络在环境监测领域中的细粒度、精准信息的应用。

技术方案：本发明的一种基于无线多媒体传感器网络数据目标跟踪方法可以应用于现有的无线多媒体传感器网络，在深入分析无线多媒体传感器网络现有特点的基础上，其目标是通过节点在不同状态下的各自特点完成对整个网络进行实时的区域监测，通过节点间的协作来完成对网络中的目标进行实时跟踪任务，从而达到节省网络整体能量，提高网络生存周期的目的，在尽量少地消耗节点和网络资源的情况下，通过简单的方法来有效的解决目前基于无线多媒体传感器网络的目标跟踪方法精度不高的问题。

实现一种基于无线多媒体传感器网络目标跟踪方法，它应具有如下特征：整个网络在其生存周期内存在各个状态的节点，同一节点在特定时刻只能处于一个状态，节点的功能决策依赖于当前自身所处的状态；节点的状态可以随着自身条件的变化而发生改变，从一种状态切换到另一状态；各个状态的节点可以灵活的根据目标跟踪的时效性要求及精度要求做出状态切换策略。

本方案采用层次式的网络拓扑结构，每个簇存在一个簇头节点负责和基站通信，各区域内节点状态的划分依据于当前节点具有的能量，网络中节点存在有以下三种类型的状态：

空闲态：整个网络中节点的初始状态，也是节点的默认状态。

监测态：此种状态的节点负责执行监测网络中移动目标的任务，利用自身的传感器模块实时监测目标的位置，并将监测结果传送至处于计算态的节点。

计算态：处于此种状态的节点负责对监测态节点传送过来的监测数据采用现有的压缩，融合算法进行处理，并负责将处理后的数据传送到簇头节点。因为需要进行大量的运算，因而此类节点需具有较高的剩余能量，节点数目依赖于区域节点总数目以及节点的剩余能量状况而有所不同，一般为区域内节点数目的10％至20％。

一、体系结构

无线多媒体传感器网络从逻辑上可以分为平面式和层簇式两种体系结构。平面式结构中，各传感器节点地位平等，都参与数据采集和路由转发功能。在层簇式结构中，将节点分为普通多媒体传感器节点、簇头节点和基站节点。各簇节点通过本簇簇头节点将采集的数据传送给基站节点，簇头节点相对普通传感器节点功能更强大、资源更丰富；基站是整个网络中功能最强的、资源最丰富的节点，负责整个网络的管理。本发明的方法就建立在无线传感器网络的层簇式体系结构基础上，无需添加新的设备仪器。图1给出层簇式无线多媒体传感器网络目标跟踪体系结构示意图。

处于监测态的多媒体传感器节点将采集的关于移动目标相关的位置信息和收集到的邻居节点的信息发送给计算态节点，计算态节点根据收集到的各节点的信息、尤其是各节点汇报的目标位置信息，并能够根据信息对能目标的现有位置进行判断。计算态节点再将自己判断后的目标位置的信息发送给簇头节点，簇头节点进行进一步的处理以后发送给基站节点，最后由基站通知用户。基站是整个无线无线多媒体传感器网络和外部其它网络及用户的接口。

图2给出了典型的按基于无线多媒体传感器网络目标跟踪方案设计出的目标跟踪处理系统体系结构，该体系结构分为两个部分：终端(PC机)部分和节点端部分。终端部分包括目标跟踪任务解析模块和用户交互接口、目标跟踪任务发布接口。节点端部分包括目标跟踪结果返回接口以及执行态功能模块、计算态功能模块、存储态功能模块，这三个模块由状态控制模块统一控制。

下面给出这几个模块的具体说明：

目标跟踪任务解析模块：对由用户交互接口传入的参数进行解析，将任务需求封装成数据包，通过目标跟踪任务发布接口发布到节点上。

监测态功能模块：对从目标跟踪任务发布接口传送过来的任务进行解析，根据的任务的内容属性进行执行，将执行结果按照需求传送到计算态功能模块或查询结果返回接口。

计算态功能模块：对从监测态功能模块传送的过来的数据进行一系列的压缩、融合处理，将处理后的数据传送到簇头节点。

空闲态功能模块：控制区域节点在完成目标跟踪任务后立即回到初始的空闲状态，从而达到节约能量的目的。

系统控制模块：对监测态功能模块、计算态功能模块、空闲态功能模块这三个模块进行协调，控制节点在这三个状态间转移。

二、方法流程

一种基于无线多媒体传感器网络区域目标跟踪方法所包含的步骤为：

步骤1).将监测区域划分为若干个正方形网格区域，在每个区域中心部署带有GPS的锚节点；

步骤2).部署无线多媒体传感器网络，网络内的所有节点与锚节点进行通信，获取自身唯一的区域信息；

步骤3).对网络进行分簇，每个簇选举出簇头节点负责和基站通信，置其余节点为空闲态；

步骤4).簇头节点记录本簇内节点的节点号和区域信息；

步骤5).分别在各个簇内除簇头节点以外依据剩余能量最多的选择策略选举出计算态节点，计算处理监测到的周围环境中的目标数据，剩余节点作为监测态节点直接执行监测任务采集传感数据；

步骤6).簇头节点将本簇内成员节点的区域位置信息发送至基站节点；

步骤7).基站节点保存簇头节点发送的节点区域位置信息，建立整个网络的区域邻居信息表；

步骤9).每个簇内的计算态节点广播消息包，并根据相邻节点的消息包的信号强度建立相邻关系表后进入空闲态；

步骤10).在步骤3)至步骤9)所部署好的网络中，设置网络维护时间间隔；

步骤11).根据步骤10)中设置的时间间隔来对整个网络进行维护，时间到转步骤3)执行，否则继续执行步骤12)；

步骤12).监测态节点监测到网络中的目标信号强度超过预设的门限值，发送数据包通知簇头节点；

步骤13).簇头节点在本簇内广播消息包，唤醒簇内所有计算态成员节点，设置监测时间间隔；

步骤14).监测态节点将监测到的目标信号强度值发送至计算态节点，计算态节点将监测态节点监测到信号强度最大的节点位置和信号强度值封装成数据包发送至簇头节点；

步骤15).监测时间到转步骤16)执行，否则继续执行步骤12)；

步骤16).簇头节点从所有计算态节点发送过来的数据包中选择信号强度数值最大的节点的位置作为目标的位置预估值送至基站，返回给用户；

步骤17).计算态节点进入空闲态，等待再次被唤醒；

步骤18).重复执行步骤12)至步骤17)执行新的目标跟踪任务；

有益效果：本发明方法针对无线多媒体传感器网络的应用提出了一种高效的区域目标跟踪方法，主要用于监测无线多媒体传感器网络周围的环境和及时对入侵目标作出反应，避免产生进一步的危害。通过使用本发明提出的基于无线多媒体传感器网络区域目标跟踪方法，在无需添加任何检测设备和消耗过多资源的条件下保证了对目标跟踪的客观准确性、完备性和及时性，从而满足无线多媒体传感器网络应用的需求，达到进一步保护无线传感器网络安全的目的。下面我们给出具体的说明。

混合性：传统的目标跟踪系统，如雷达系统，通常由有限的探测站点(雷达)以及数据处理中心构成，并且探测站点会配置较高处理能力的设备以及相对充足的资源。为了充分发挥无线多媒体传感器网络的特点，我们在实际设计时将目标跟踪的任务分发到分散到不同的节点上，通过网络中不同状态以及不同地位的节点间的相互协作来完成用户定义的目标跟踪任务。

有效性：本发明方法根据无线多媒体网络的目标跟踪需求，提出了相应的区域目标跟踪检测方法。移动目标的跟踪检测，建立在简单的统计指标基础之上，可以有效地实时检测到网络中监测的目标的运动轨迹。

客观准确性：本发明方法要求各级节点对网络中目标移动的判断建立在一定的经验值之上，即，网络中的节点监测到的目标的信号强度必须大于某一阀值，才可以断定其的相对位置，并通知相关的节点进行同步跟踪。这主要是针对无线传感器网络通信环境恶劣、容易出错，为降低误差而设计的，实现了目标跟踪的客观性和准确性。

附图说明

图1是层簇式无线多媒体传感器网络目标跟踪体系结构示意图。

图2是基于无线多媒体传感器网络目标跟踪方案设计出的目标跟踪处理系统体系结构示意图。

图3是基于无线多媒体传感器网络区域目标跟踪算法流程图。

具体实施方式

步骤1).将监测区域划分为若干个正方形网格区域，在每个区域中心部署带有GPS的锚节点；

步骤2).部署无线多媒体传感器网络，网络内的所有节点与锚节点进行通信，获取自身唯一的区域信息；

步骤3).对网络进行分簇，每个簇选举出簇头节点负责和基站通信，置其余节点为空闲态；

步骤4).簇头节点记录本簇内节点的节点号和区域信息；

步骤5).分别在各个簇内除簇头节点以外依据剩余能量最多的选择策略选举出计算态节点，计算处理监测到的周围环境中的目标数据，剩余节点作为监测态节点直接执行监测任务采集传感数据；

步骤6).簇头节点将本簇内成员节点的区域位置信息发送至基站节点；

步骤7).基站节点保存簇头节点发送的节点区域位置信息，建立整个网络的区域邻居信息表；

步骤9).每个簇内的计算态节点广播消息包，并根据相邻节点的消息包的信号强度建立相邻关系表后进入空闲态；

步骤10).在步骤3)至步骤9)所部署好的网络中，设置网络维护时间间隔；

步骤11).根据步骤10)中设置的时间间隔来对整个网络进行维护，时间到，转步骤3)执行，否则继续执行步骤12)；

步骤12).监测态节点监测到网络中的目标信号强度超过预设的门限值，发送数据包通知簇头节点；

步骤13).簇头节点在本簇内广播消息包，唤醒簇内所有计算态成员节点，设置监测时间间隔；

步骤14).监测态节点将监测到的目标信号强度值发送至计算态节点，计算态节点将监测态节点监测到信号强度最大的节点位置和信号强度值封装成数据包发送至簇头节点；

步骤15).监测时间到，转步骤16)执行，否则继续执行步骤12)；

步骤16).簇头节点从所有计算态节点发送过来的数据包中选择信号强度数值最大的节点的位置作为目标的位置预估值送至基站，返回给用户；

步骤17).计算态节点进入空闲态，等待再次被唤醒；

步骤18).重复执行步骤12)至步骤17)执行新的目标跟踪任务。

基于无线多媒体传感器网络目标跟踪系统开发过程具体如下：

步骤一：进行需求分析确定区域目标跟踪任务定义和目标跟踪任务的发布接口。首先要根据需要完成任务需求，明确任务发布接口形式及参数。目标跟踪任务的输入接口采用图形化界面提供给用户，确定目标跟踪任务的发布方式，目标跟踪任务通过基于不同的操作系统采用不同的数据包格式下发到目标节点或目标区域执行，如采用TinyOS操作系统部署无线多媒体传感器网络，则采用TinyOS数据包格式对查询的各项参数进行封装，再通过串口传送到基站，继而发布到执行节点；最后，确定查询结果的返回方式，查询结果仍然采用数据包对查询数据进行封装，通过基站返回到终端，终端对数据包进行解析后以图形化界面的形式显示给用户。

步骤二：建立网络拓扑及对各节点状态初始化。网络采用层次式分簇结构，采用现有的分簇算法，如LEACH、GAF算法等将整个网络分成若干簇，每个簇有一个簇头节点负责和基站通信，簇内的节点之间可以相互通信。簇头节点保存自己簇内节点的信息，簇内节点保存各自邻居节点的状态信息。初始时整个网络节点置为初始态。

步骤三：设计节点的状态设置及功能设置。节点所执行的功能依赖于当前其所处的状态，在网络的生存周期内按照时间序列划分成若干个时间片，在第一个时间片内按照一定的策略在每个簇内选举出计算态节点负责融合计算数据，监测态节点负责监测周围环境信息，计算态节点负责执行数据融合和计算，空闲态节点处于低功耗状态，随时听候簇头节点的调度。状态选择策略如下：首先在网络初始化后，在每个分簇内除簇头节点外选举出剩余能量最高的一部分节点置为计算态，处于计算态的节点数量大约占整个簇内节点数量的10％至20％，然后簇头节点在当前状态为空闲态的成员节点中根据节点在本簇中的分布密度选举出服从均匀分布的节点置为监测态，处于监测态的节点数量大约占整个簇内节点数量的50％至60％，最后将剩余的节点全部置为空闲态。完成对节点状态的设置后，按照状态控制算法对节点的状态进行维护，节点根据自身剩余的能量及剩余存储空间在各个状态间转换。算法如下：当轮转时间片到，簇内各状态节点重新选举出剩余能量最高的设为计算态，簇内按照均匀分布的策略从成员节点中选取出50％至60％的节点设为计算态，其余设为空闲态，当节点的能量过低无法工作时，将自动发送数据包通知用户补充能量。节点的功能紧密依赖于当前节点所处的状态，各个状态执行的功能各不相同，通过各个状态节点的协作完成目标跟踪任务。首先设计监测态节点的功能，监测态节点收到目标跟踪任务后，将监测到的目标的信号强度值，直接发往计算态节点。其次设计计算态节点功能，计算节点根据接收到不同邻居节点数据包来提取出来有关目标的位置信息，进行综合的数据融合和信息处理，最后将得到的关于目标的位置信息发送给簇头节点。

步骤四：在网络中部署基于无线多媒体网络区域目标跟踪处理系统应用的基础设施。如图2所示，一个典型的该类应用通常需要下面几个部件：

(1)服务器终端：提供图形化的操作界面供用户输入目标跟踪任务的各项参数，封装成数据包并通过串口发往基站节点；对由串口传来的结果数据包进行解析，将用户需求的目标的位置实时的以图形化的形式显示给用户。

(2)带有多媒体传感模块的无线传感器节点：是无线传感器网络的网络站点，具有独立的计算、存储能力，而且可以与周围的其他传感器节点通过无线信道和无线协议进行无线广播通信，并带有多媒体传感器模块可以采集视频、音频信息。

(3)无线多媒体传感器网络管理基站：一个特殊的无线传感器网络节点，具有持续的电力供应，提供了与服务器之间的有线通信软硬件接口。

部署完基础设施之后还需加载无线传感器网络操作系统，如TinyOS、MantisOS等。在部署完硬件基础设施及软件系统后，就可以将按本发明方案所设计的基于无线多媒体传感器网络目标跟踪处理系统部署到服务端及节点上，开始其应用。

Claims (1)

1.一种基于无线多媒体传感器网络区域目标跟踪方法，其特征在于区域目标跟踪方法所包含的步骤为：

步骤1).将监测区域划分为若干个正方形网格区域，在每个区域中心部署带有GPS的锚节点；

步骤2).部署无线多媒体传感器网络，网络内的所有节点与锚节点进行通信，获取自身唯一的区域信息；

步骤3).对网络进行分簇，每个簇选举出簇头节点负责和基站通信，置其余节点为空闲态；

步骤4).簇头节点记录本簇内节点的节点号和区域信息；

步骤5).分别在各个簇内除簇头节点以外依据剩余能量最多的选择策略选举出计算态节点，计算处理监测到的周围环境中的目标数据，剩余节点作为监测态节点直接执行监测任务采集传感数据；

步骤6).簇头节点将本簇内成员节点的区域位置信息发送至基站节点；

步骤7).基站节点保存簇头节点发送的节点区域位置信息，建立整个网络的区域邻居信息表；

步骤9).每个簇内的计算态节点广播消息包，并根据相邻节点的消息包的信号强度建立相邻关系表后进入空闲态；

步骤10).在步骤3)至步骤9)所部署好的网络中，设置网络维护时间间隔；

步骤11).根据步骤10)中设置的时间间隔来对整个网络进行维护，时间到，转步骤3)执行，否则继续执行步骤12)；

步骤12).监测态节点监测到网络中的目标信号强度超过预设的门限值，发送数据包通知簇头节点；

步骤13).簇头节点在本簇内广播消息包，唤醒簇内所有计算态成员节点，设置监测时间间隔；

步骤14).监测态节点将监测到的目标信号强度值发送至计算态节点，计算态节点将监测态节点监测到信号强度最大的节点位置和信号强度值封装成数据包发送至簇头节点；

步骤15).监测时间到，转步骤16)执行，否则继续执行步骤12)；

步骤16).簇头节点从所有计算态节点发送过来的数据包中选择信号强度数值最大的节点的位置作为目标的位置预估值送至基站，返回给用户；

步骤17).计算态节点进入空闲态，等待再次被唤醒；

步骤18).重复执行步骤12)至步骤17)执行新的目标跟踪任务。

Images