CN102883429B - 基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法及装置。其中方法包括：为观测区域构建全覆盖传感器网络；为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合；根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹；根据所述预测轨迹利用定向天线向邻居节点发送唤醒消息，启动邻居节点的观测模块，实现对跟踪目标的持续观测。本发明通过巧妙地利用定向天线，结合数据的时空相关特性进行分析预测，同时满足能耗最小和路径预测准确性的要求，实现了大规模传感器网络下的移动物体的实时追踪。

Description

基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法及装置，属于传感器网络和无线信道技术领域。

背景技术

传感器网络由布置于广阔领域的成百上千的传感器节点组成，以保证随时随地地提供高精度的分布式感知、处理、分发数据的技术。

现有基于传感器网络的物体跟踪技术主要是针对如何减少网络能耗、延长网络使用寿命，采取的相关技术主要包括以下几个方面：基于树结构的跟踪、基于分簇结构的跟踪、基于预测的跟踪、基于时空特性的多播形式的跟踪。其中：

1、基于树结构的跟踪

当探测到目标的节点间相互交流时，选择一个根节点通过分布式平衡树从这些节点中收集信息，例如基于传感器网络的大规模追踪（ScalableTracking Using Networked Sensors，简称：STUN）。STUN提出了构建分层的管道平衡树（DAB）的构建方案，能有效地追踪目标、并支持在基站处的快速查询。但是，主要存在两个缺点：一是，DAB树只是一个逻辑树，并不能反映传感器网络的物理结构，因此一条边可能有多跳组成，增加了传输的代价；二是，该方法没有将查询的代价考虑在内，因此，在某些情况下，该方法并不一定有效率。除此以外，当根节点远离目标时，树会被重新配置。尽管平衡树结构的探测方式准确性高，但是会导致高能耗。

2、基于分簇结构的跟踪

分簇是解决传感器网络的能耗管理的重要方式。通过分簇，节点被分为簇头和成员。在基于分簇结构的跟踪算法中，成员节点负责探测物体并且传递信息给簇头，簇头从其成员中收集信息。它计算目标的位置，并发送信息给基站。优势在于节省能耗，进而能够延长网络的使用寿命。但是，分簇结构的构造和控制都会增加能耗开支、设计的复杂性。

3、基于预测的跟踪

目标的下一个位置是基于目标的当前的移动速度和方向。这些算法巧妙地利用睡眠模式，减少能耗，以减少能耗、提高网络使用寿命。

4、基于时空特性的跟踪

提出了基于时空特性的多播方式。该方式，不仅为移动基站提供了可靠的实时的信息传递，而且提供了针对传感器网络的本地协调和数据融合的强大的交流理念。即，当目标被探测到后，一个组即被构建起来。组头会发送一个多播的信息，给相应的区域，而该区域是基于目标的估计速率而预测出来的。

以上四类跟踪算法主要针对能耗问题，设计上总体而言具有以下特点：

1）按需及时开启传感器节点的观测。为了保证持续的覆盖以实现无能量浪费，只有一小部分传感器节点需要被唤醒。

2）在观察对象到达相应的节点的观察区之前，将观察对象的物理信息及时地告知，为了更好的观察和行动，告知应该在唤醒之前的恰当时候。另外，在节省能耗之余，分簇结构的提出对于网络的健壮性、规模化提供了一定保证。

但是也存在以下问题：

1）结构设计过于复杂。一些树形的、层次化的分簇结构等的提出，明显提升了设计和维护的复杂性，在物体跟踪的同时，需要消耗大量能耗、以保证及时调整维护拓扑结构，否则算法就会失效。

2）能耗的考虑没有从节点本身出发。虽然绝大部分问题都针对传感器网络中的最大问题能耗，但是仅仅是从不同节点间的调度和协调的角度进行的思考，并没有挖掘更本源的能耗问题-信号的发射问题。

3）所有的策略都只是基于全向天线的节点。全向天线向全方向传输信号，因此，当只有一些接受者需要该信号时，就会导致大量的其余方向的不必要的能耗损失。而定向天线则是向着目标的方向以一个狭窄的方向角进行信号的发射，从而节省了能耗、提高了重利用率、扩大了覆盖面积。并且，定向天线对邻居间的干扰较小，能从整体上极大地减少网络内数据传输因干扰而导致的错误和由此而引起的重发，因此能很好地提高系统的吞吐率。

4）一些基于数据挖据的路径预测提及的方法过于复杂。诸如贝叶斯分析、决策树算法、马尔科夫链等能在数据的准确性上得到保证。但是，传感器节点本身存在计算能力和存储能力的有限性，而且大量的运算会引发器件本身的大量能耗，会降低网络的使用寿命。

然而，就传感器网络本身而言，由于传感器节点本身能量和计算能力有限，所以过于复杂的移动物体追踪和路径预测方法是不可行的。能耗的减少和算法的可计算性将直接影响着基于传感器网络的物体追踪的规模性、持久性、实时性等系统关键问题。如前所述，虽然现有方法提出了一些基于能耗的追踪策略，但是，目前的方法中没有基于定向天线的利用传感器网络进行移动物体跟踪的方法，也没有根据能耗、可计算性、预测的准确性和实时性对传感器网络系统做进一步的优化。

发明内容

本发明提供一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法及装置，用以降低设计的复杂性，实现对移动物体的实时追踪。

本发明一方面提供一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法，其中包括：

为观测区域构建全覆盖传感器网络；

为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合；

根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹；

根据所诉预测轨迹利用定向天线向邻居节点发送唤醒消息，启动邻居节点的观测模块。

本发明另一方面提供一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪装置，其中包括：

网络构建模块，用于为观测区域构建全覆盖传感器网络；

邻居确定模块，用于为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合；

轨迹预测模块，用于根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹；

传感器节点上的定向发送模块，用于定向唤醒邻居节点和数据的发送；

本发明通过巧妙地利用定向天线，通过数据的时空特性的分析预测，同时满足能耗和路径预测的准确性的要求，从而实现了大规模传感器网络下的移动物体快速追踪。

附图说明

图1为本发明所述基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法实施例的流程图；

图2为本发明所述传感器网络的全覆盖判定与节点感知半径、节点数目的关系举例示意图；

图3A-图3C为本发明所述传感器节点的状态转换示意图；

图4为本发明所述基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪装置实施例的结构示意图。

具体实施方式

首先，对本实施例所述移动物体跟踪方法的约束性条件进行说明：

传感器网络区域S可以用图G(V,E)来表示，其中V={v_i}表示各传感器节点v_i的集合，E＝{e_i}表示传感器节点间的通信边e_i的集合。边(v_i,v_j)∈E，当且仅当||v_i，v_j||≤R_T，其中，R_T为节点的通信传输距离，为两点之间的几何距离。

每个传感器节点v_i均具有感知移动物体和传输信号的功能，感知距离为R_S，其中能够通过定位技术（如GPS）知晓自己的位置。当且仅当||Q，v_i||≤R_S时，移动物体Q才能够被v_i感知到，其中为两点间的几何距离。

图1为本发明所述基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法的方法实施例的流程图，如图所示，包括如下步骤：

步骤100，为观测区域构建全覆盖传感器网络。

具体地，为了保证移动物体在观测区域内每时每刻均可被观测到，所以需要传感器网络进行全覆盖式的安置与拓扑构建。在理论上，在区域S内移动物体有的概率被一个传感器节点检测到，即出现在传感器节点的感知范围内，相应地，物体有的概率不被一个节点检测到；对于n个节点而言，就有的概率检测不到该物体。因而，对于n个节点而言，区域覆盖率为其中，S表示所述观测区域的面积，R_S表示每个所述传感器节点的感知半径，n表示所述观测区域中的传感器节点的数量。当给定R_S和S时，通过算出满足区域覆盖率趋近于1时n所需要达到的值，进行相应数目节点的部署，即可满足全覆盖。

所述全覆盖网络的构建方式可以为随机部署或网格式部署。经过多次实验可以发现，随机部署虽然在覆盖率上能够得到保证，但是重复率平均约等于网格式部署的3倍；而网格式部署在覆盖率和重复率上得到优化，但是其部署时存在一定的难度，因此从简易的角度来说，随机部署和网格式部署都是可以的，但是需要保证其全覆盖。

对于随机部署的情况，可以参考诸如图2所示的实例进行选择。图2中每种曲线对应一个感知半径，X轴表示节点的数目，Y轴表示覆盖率。设定感知半径、变换节点的数目，可以获得不同的覆盖率数值。最后，选取符合全覆盖要求的感知半径和节点数目的组合即可。

步骤200，为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合。

其中，所有传感器节点V={v_i}的一跳邻居集合表示为neighborset(v_i)={v_k|v_i,v_k≤R_T}。

具体的确定过程为：初始化所述观测区域中的全部传感器节点的一跳邻居；在所述观测区域中广播发送探测包，例如Hello包；接收到所述探测包的节点将发送方添加到一跳邻居集合表neighborset(v_i)中。

为了使所述一跳邻居都能收到所述探测包，可以每隔一个随机间隔，就广播发送一次所述探测包，例如共发送3次。最终得到的一跳邻居集合neighborset(v_i)。

步骤300，根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹。

由于传感器网络所获得的观测数据都是对物理世界运动规律的反应，因此，数据本身具有时间或空间上的相关性。例如，如果一个运动车辆在时间t时被观测到，则其在时间[t-△t,t+△t]内被观测到的概率非常大，而且，基于时间序列的观测结果通常也具有某些空间相关性。因此，利用对数据的时间或空间相关性规律来预测事件发生的概率是可行的。

具体地，给定第一部分所部署的满足全覆盖的传感器网络G(V,E)、所有传感器节点V={v_i}的一跳邻居集合neighborset(v_i)={v_k|v_i,v_k≤R_T}、角度△=90°、在开始时刻t₀的探测到移动物体的传感器节点A、A中的移动物体运动轨迹信息EventRecord0（包含物体ID和探测到的时间）、t_e为追踪的结束时刻，参照前述约束性条件说明，定义每个传感器节点v _i记录的移动物体的运动轨迹信息为EventRecordi（包含物体ID和探测到的时间）。下面给出{t_i|t_i>＝t₀&&t_i<＝t_e}时刻移动物体的运动轨迹的预测与采集轨迹信息的具体实施步骤。

1）将所有传感器节点的探测到与否标记初始化为“否”，用符号可以表示为startsensed←false；

2）作为整个探测过程的启动节点：即初始时刻能探测到移动物体的传感器节点。从初始时刻起，进行如下步骤：

(1)将该传感器节点的探测到与否的标记更新为“是”，用符号表示为startsensed←true；

(2)每隔一个探测间隔进行一次探测并更新包含了移动物体的运动轨迹信息的事件记录EventRecordO，直到探测不到移动物体时停止探测；

3）作为数据包（用于通知开启探测）的接收方：即传感器节点v_i接收到数据包packetS（物体ID）时。进行如下步骤：

(1)如果该传感器节点的探测到与否标记为“是”，即startsensed＝＝true，则将所述的数据包（用于通知开启探测）的发送方标识ID记录到该节点的发送方集合SendersSeti中，用于标记对移动物体观测过程中的前置观测节点。同时，继续其探测过程，如后所述。如果为“否”，则进行如下步骤；

(2)如果移动物体在其监测区域内，则进行如下步骤：

a)将所述的数据包packetS（物体ID）的发送方标识记录到该节点的发送方集合SendersSeti中；

b)该传感器节点的探测到与否的标记更新为“是”,用符号表示为startsensed←true

c)进入探测阶段：启动探测的节点每隔一个探测间隔进行一次探测并更新包含了移动物体的运动轨迹信息的事件记录，直到探测不到移动物体时停止探测

步骤400，根据所述预测轨迹利用定向天线向邻居节点发送唤醒消息，启动邻居节点的观测。

待探测阶段结束后，将进行如下操作：

1）传感器节点v_i将所述探测到与否标记更新为“否”，用符号表示为startsensed←false；

2）如果属于启动节点，并且需进行首次发包，则360°广播一个用于通知开启探测的数据包packetS（物体ID）给其一跳邻居节点；如果不属于启动节点，或者属于启动节点的非首次发包，则进行如下步骤；

3）计算自己的发送方集合中的所有元素senderi和本节点v_i依次构成的矢量vector(senderi,v_i)的角平均线矢量l₁，即 $l_1\&LeftArrow;\frac{1}{\mathrm{sizeofSenderSet}}\left(\underset{\mathrm{sendi}\&Element;\mathrm{SenderSet}}{\mathrm{\&Sigma;}}\mathrm{vector}(\mathrm{senderi},\mathrm{thisnode})\right);$

4）采用定向天线发射探测开启通知包packetS（物体ID），定向天线的角度为与角平均线矢量l₁所构成的±△的一个预定角度，以通知相应方向上的传感器节点开启检测；

5）最后，删除该传感器的发送方集合中的记录。

上述过程中的传感器节点的状态转换过程如图3A-图3C所示；本实施例所述方法达到如下的技术效果：

1)从硬件的角度，提出了启用定向天线的全新的设计理念。一改以往移动物体跟踪算法设计中的全向天线的绝对垄断地位，弥补了在传感器网络内移动物体跟踪方法中定向天线的应用空白，从大量的小节点出发实现了节能。

2)从软件的角度，采用一种简单但实用的预测算法，在降低了节点上计算、存储的能耗的同时，保证了预测的精度。由于本方法是基于传感器网络，结合计算能力的有限性和省能的目标，以及移动目标无固定轨道的限制等考虑，需要选择线性预测，而且为保证预测的准确性，选择了按角度发送数据包，因此会有多个接收节点，而不是传统意义上的单一接收节点的选择。

3)从整体效果的角度，提出了准确性、规模化、容错与全覆盖并举的概念。在节能、精度保证的同时，通过全程的分布式计算在规模化上有所突破。

图4为本发明所述基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪装置实施例的结构示意图，用以实现上述方法，如图所示，该装置10包括：网络构建模块11、邻居确定模块12、轨迹预测模块13、定向唤醒模块14，其工作原理如下：

网络构建模块11为观测区域构建全覆盖传感器网络；邻居确定模块12为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合；轨迹预测模块13根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹；定向唤醒模块14根据所述预测轨迹利用定向天线向邻居节点发送唤醒消息，启动邻居节点的观测模块。

本实施例所述装置通过巧妙地利用定向天线，通过数据的时空特性的分析预测，平衡能耗和数据精确度的要求，从而实现了大规模传感器网络下的移动物体快速追踪。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于传感器节点中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、NOR Flash等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换并不脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法，其特征在于，包括：

为观测区域构建全覆盖传感器网络；

为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合；

根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体的运动轨迹；

根据所述预测轨迹利用定向天线向邻居节点发送唤醒消息，启动邻居节点的观测模块，实现对跟踪目标的持续观测；

所述根据所述的一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹，包括：

将所有传感器节点的探测到与否标记初始化为“否”；作为整个探测过程的启动节点---即初始时刻能探测到移动物体的传感器节点，进入探测阶段：首先，将该传感器节点的探测到与否的标记更新为“是”；然后，每隔一个探测间隔进行一次探测并更新包含了移动物体的运动轨迹信息的事件记录，直到探测不到移动物体时停止探测；待探测阶段结束后，预测判定移动目标的移动方向，利用定向天线广播一个用于通知开启探测的数据包给处于该方向上的一跳邻居节点；

作为用于通知开启探测的数据包的接收方，即传感器节点接收到所述数据包时，如果该传感器节点的探测到与否标记为“是”，则将所述数据包的发送方标识记录到该节点的发送方集合中，用于标记对移动物体观测过程中的前置观测节点；同时，继续其探测过程，如后所述；如果为“否”，则进行下一步判断，即：如果移动物体在其监测区域内，则将所述数据包的发送方标识记录到该节点的发送方集合中，将该传感器节点的探测到与否的标记更新为“是”，并且进入探测阶段；探测过程；启动探测的节点每隔一个探测间隔进行一次探测并更新包含了移动物体的运动轨迹信息的事件记录，直到探测不到移动物体时停止探测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为观测区域构建全覆盖传感器网络，使观测区域面积包含于所有传感器节点的感知范围的并集内，该特征可以通过覆盖率的计算公式保障其中，S表示所述观测区域的面积，R_S表示每个所述传感器节点的感知半径，n表示所述观测区域中的传感器节点的数量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合,包括：

初始化所述观测区域中的全部传感器节点的一跳邻居信息；

在所述观测区域中定期广播发送探测包；

接收到所述探测包的一跳邻居将发送方添加到一跳邻居集合表中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待探测阶段结束后，还包括：

1)传感器节点将所述探测到与否标记更新为“否”；

2)计算自己的发送方集合中的所有元素和本节点依次构成的矢量的角平均线矢量；

3)采用定向天线发射探测开启通知包，定向天线的角度为与角平均线矢量所构成的一个预定角度，以通知相应方向上的传感器节点开启检测；

4)最后，删除该传感器的发送方集合中的记录。

5.一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪装置，其特征在于，包括：

网络构建模块，用于为观测区域构建全覆盖传感器网络；

邻居确定模块，用于为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合；

轨迹预测模块，用于根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹；

定向天线发射角度计算模块，用于根据前述预测轨迹的结果计算定向天线的发射角度，以唤醒下一跳节点的持续观测；

所述轨迹预测模块，具体用于将所有传感器节点的探测到与否标记初始化为“否”；作为整个探测过程的启动节点---即初始时刻能探测到移动物体的传感器节点，进入探测阶段：首先，将该传感器节点的探测到与否的标记更新为“是”；然后，每隔一个探测间隔进行一次探测并更新包含了移动物体的运动轨迹信息的事件记录，直到探测不到移动物体时停止探测；待探测阶段结束后，预测判定移动目标的移动方向，利用定向天线广播一个用于通知开启探测的数据包给处于该方向上的一跳邻居节点；

作为用于通知开启探测的数据包的接收方，即传感器节点接收到所述数据包时，如果该传感器节点的探测到与否标记为“是”，则将所述数据包的发送方标识记录到该节点的发送方集合中，用于标记对移动物体观测过程中的前置观测节点；同时，继续其探测过程，如后所述；如果为“否”，则进行下一步判断，即：如果移动物体在其监测区域内，则将所述数据包的发送方标识记录到该节点的发送方集合中，将该传感器节点的探测到与否的标记更新为“是”，并且进入探测阶段；探测过程；启动探测的节点每隔一个探测间隔进行一次探测并更新包含了移动物体的运动轨迹信息的事件记录，直到探测不到移动物体时停止探测。