[发明专利]无线传感器网络动态簇机制的目标跟踪和耗能优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络目标跟踪和耗能优化的处理方法，尤其涉及一种无线传感器网络动态簇机制的目标跟踪和耗能优化方法。 

背景技术

现有技术中，WSN目标跟踪包括单目标跟踪和多目标跟踪，在单目标跟踪中，主要包括以下几种经典的单目标跟踪算法。 

1、双元检测协作跟踪 

传感器节点具有体积小和价格低的特点，它的传感器模块功能比较弱。下面介绍最简单的情况，即传感器节点只能进行双元检测（binary-detection）的目标跟踪。 

如图1所示，双元监测的思想是：传感器节点只有两种侦测状态：目标在侦测范围之内：目标不在侦测范围。其中圆心为传感器节点，节点的侦测距离是R，当目标距离传感器节点的距离在(R-e)之内时总会检测到，即处于第一种侦测状态，当目标距离节点距离在(R+e)之外终不会检测到，如果目标处于两个距离之间，则以一定的概率侦测到。通常情况在双元检测下e=0.1R。 

因为双元检测只有两个状态，因此双元检测传感器只能检测到目标是否在侦测范围内。所以双元检测要保证一定的精度，则需要多个节点协调合作才能确定目标的位置与轨迹。WSN网络要求节点密度足够大，任意时刻都有多个节点同时侦测目标的位置区域。这些节点侦测位置的重叠区域就可以认为是目标的位置，通过这样的过程，就能较为准确的确定目标位置与轨迹。 

目标运动是随机的，要跟踪不规则的目标运动轨迹是比较困难的，在不影响跟踪结果的前提下，假设目标在侦测区域内做匀速运动，从而将目标运动轨迹近似为一条折线。然后通过大量节点协调合作进一步提高目标精度。双元检测协作跟踪的流程如下： 

(1)目标进入检测区域，传感器节点唤醒自身的通信模块并向邻居节点广播检测到的目标信息。该信息中包含节点自身ID以及自身的位置信息和目标在节点侦测范围的持续时间。 

(2)侦测到目标的传感器节点接收到两个或两个以上的邻居节点发送的通告信息，则节点计算重叠区域，确定目标位置。并以节点侦测范围的持续时间作为权重。 

(3)当目标离开侦测区域，节点向汇聚节点发送自己的位置信息以及目标在侦测范围内 的持续时间。汇聚节点根据已有的历史数据和当前获得的最新数据进行线性拟合，计算移动目标的运动轨迹。 

双元检测法虽然不能确定节点到目标的准确距离，但能确定目标在检测范围内的持续时间。如下图所示，假设移动目标做匀速运动，持续时间越长，就代表它里传感器节点越近，即d越大，该节点数据权重应该越大，相应的侦测数据会更加精确。 

这种算法需要大量部署传感器节点，双元检测的协作跟踪仅适用于传感器节点为简单低廉的应用中，且双元检测协作跟踪需要节点间时钟同步，并要求知道节点自身的位置。详见附图1。 

2、信息驱动协作跟踪 

协作跟踪的关键是在保证节点能量消耗的基础上，通过节点之间的协作共同确定目标的运动轨迹。参与跟踪节点的选择，节点对于目标数据的准确性和有效性，通过节点能量消耗原则决定参与跟踪节点以及相应的协作方式是协作跟踪的关键问题。信息驱动协作跟踪的核心思想是传感器节点利用自己侦测到的信息以及接收到的其他节点的侦测信息判断可能的运动轨迹，唤醒合适的传感器节点在下一时刻参与跟踪活动。信息驱动协作跟踪可以有效地减少节点间的通信能量消耗，提高网络的寿命。 

信息驱动协作跟踪算法的网络中包含两类传感器节点，分别装有角度传感器和距离传感器。黑色曲线箭头表示传感器网络轨迹，虚线圆表示传感器节点的侦测范围，用户通过汇聚节点查询目标跟踪信息，传感器网络会定时报告目标位置，任意时刻至少会有一个节点处于活动状态，负责存放当前的目标跟踪状态信息，这个节点称为跟踪节点。随着目标的移动，当前跟踪节点唤醒下一个跟踪节点，并将目标跟踪信息传递给新的跟踪节点。目标进入传感器区域时，离目标最近的节点a获得目标位置的初始估计值，并计算下一时刻节点b进行跟踪所能保证的精度，同时使自己到节点b的通信代价在规定的范围内，则将获得的目标位置估算值传给节点b。然后b节点使用相同的标准选择下一个跟踪节点c，此过程不断重复直到目标离开传感器网络侦测区域。传感器节点将目标的位置信息返回给汇聚节点。 

正确选择跟踪下一时刻的传感器节点是信息协作跟踪的关键问题，因为选择不合适的节点必然导致跟踪精度和通信过程中的能量消耗，因此选取时，需要综合考虑节点侦测数据精确度和通信量等因素，以保证网络的有效运行。详见附图2。 

3、传送树跟踪算法