[發(fā)明專利]基于壓縮感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)被動(dòng)式定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210430755.6
• 申請(qǐng)日: 2012-11-01
• 公開（公告）號(hào): CN102932914A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王舉;陳曉江;房鼎益;邢天璋;劉晨;郭松濤;任麗晴;聶偉科;張遠(yuǎn);尹曉燕;陳峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W64/00
• 分類號(hào): H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 西安恒泰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61216
• 代理人: 林兵

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓縮感知的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)被動(dòng)式定位方法，該方法應(yīng)用于野生動(dòng)物的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)被動(dòng)式定位。

背景技術(shù)

野生動(dòng)物在自然界中具有重要的生態(tài)地位和生態(tài)功能，是整個(gè)生態(tài)鏈中不可或缺的環(huán)節(jié)之一，如何有效對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)與保護(hù)，顯得尤為重要。傳統(tǒng)的野生動(dòng)物保護(hù)采用人工方式手工記錄、統(tǒng)計(jì)，因此，傳統(tǒng)方式存在很多弊端，如：缺乏長(zhǎng)期性、實(shí)時(shí)性，也有一定的困難性和危險(xiǎn)性，另外，時(shí)空割裂，難以對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間、空間、現(xiàn)象的綜合分析。而目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，為解決上述問(wèn)題提供了技術(shù)支撐。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在被監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量分布式傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，它綜合了傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)，通過(guò)各種類型的傳感器對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)、環(huán)境的狀態(tài)以及行為模式等信息進(jìn)行大規(guī)模、長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)的獲取，并通過(guò)802.15.4通信協(xié)議以自組織的方式將感知數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。其中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)為野生動(dòng)物的活動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)提供了有效解決方案。

面向野生動(dòng)物的定位技術(shù)存在以下4方面的挑戰(zhàn)：

1）稀疏部署。野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)的一個(gè)基本要求是監(jiān)測(cè)不要干擾野生動(dòng)物的生活環(huán)境和習(xí)性。因此使用盡可能少的設(shè)備是面向野生動(dòng)物保護(hù)的需求之一，即稀疏部署。

2）設(shè)備無(wú)關(guān)。現(xiàn)有的大多定位方法都要求待定位物體攜帶設(shè)備(如GPS模塊，RFID標(biāo)簽)，然而，為野生動(dòng)物攜帶設(shè)備不容易做到，并且動(dòng)物保護(hù)專家也不建議這樣做。因此需要在目標(biāo)不攜帶設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)定位是面向野生動(dòng)物保護(hù)的需求之一，即設(shè)備無(wú)關(guān)。

3）多目標(biāo)計(jì)數(shù)和定位。與單個(gè)野生動(dòng)物的位置信息相比，動(dòng)物種群數(shù)量和位置信息更吸引動(dòng)物保護(hù)專家，動(dòng)物保護(hù)專家需要從中發(fā)掘種群大小及遷移變化的規(guī)律。因此多目標(biāo)的計(jì)數(shù)和定位是面向野生動(dòng)物保護(hù)的需求之一。

4）擴(kuò)展性。野生動(dòng)物，如金絲猴和斑馬，活動(dòng)范圍大，然而現(xiàn)有的定位方法大都是小規(guī)模室內(nèi)定位方法，因此適用于大規(guī)模區(qū)域、可擴(kuò)展的定位算法是面向野生動(dòng)物保護(hù)的需求之一。

截止目前為止，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)有許多定位技術(shù)，大體分為以下4類：

第一類：主動(dòng)式定位，即物體攜帶設(shè)備。如圖1(a)所示，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻或者隨機(jī)部署在定位區(qū)域中，物體攜帶的設(shè)備發(fā)出的信號(hào)（如電磁波、紅外、超聲波等）會(huì)被無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)到，由于物體在不同位置處設(shè)備發(fā)出的信號(hào)不同，因此這類方法的基本思想是通過(guò)檢測(cè)設(shè)備發(fā)出信號(hào)的變化，建立信號(hào)變化與位置的對(duì)應(yīng)函數(shù)，進(jìn)而對(duì)物體進(jìn)行定位。如Kaltiokallio、劉云浩等人通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中RSSI(Received?Signal?Strength?Indicator)信號(hào)波動(dòng)檢測(cè)目標(biāo)的出現(xiàn)，進(jìn)而進(jìn)行定位。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高（典型的如GPS定位），由于每個(gè)物體攜帶可區(qū)分的設(shè)備，因此多目標(biāo)定位簡(jiǎn)單，易于統(tǒng)計(jì)目標(biāo)數(shù)量。但該方法的缺點(diǎn)是需要目標(biāo)攜帶設(shè)備，不符合面向野生動(dòng)物保護(hù)的設(shè)備無(wú)關(guān)需求。

第二類：以張顛等為代表的被動(dòng)式定位。如圖1(b)所示，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域中，相鄰的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，物體在區(qū)域內(nèi)活動(dòng)會(huì)對(duì)兩個(gè)通信的節(jié)點(diǎn)造成干擾。通過(guò)對(duì)物體在不同位置處受到的無(wú)線電信號(hào)RSSI干擾進(jìn)行量化標(biāo)定，建立位置與RSSI值干擾之間的關(guān)系。當(dāng)被干擾的節(jié)點(diǎn)收到一組變化的RSSI值時(shí)，可以推出物體所在的位置。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備無(wú)關(guān)，不需要物體攜帶設(shè)備也能對(duì)目標(biāo)定位。但該方法的缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)部署密集，成本高，不符合面向野生動(dòng)物保護(hù)的稀疏部署需求。

第三類：以Joseph?Wilson等為代表的被動(dòng)式定位。如圖1(c)所示，傳感器節(jié)點(diǎn)均勻部署在定位區(qū)域兩側(cè)，所有節(jié)點(diǎn)兩兩之間洪范通信。物體在區(qū)域內(nèi)活動(dòng)會(huì)對(duì)兩個(gè)通信的節(jié)點(diǎn)造成干擾。與第二類方法類似，物體在不同位置處對(duì)無(wú)線電信號(hào)RSSI干擾不同，建立位置與RSSI值之間的關(guān)系。當(dāng)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)收到一組變化的RSSI值時(shí)，可以推出物體所在的位置。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)稀疏部署。缺點(diǎn)是需要全網(wǎng)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，若全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為2M，則通信鏈路數(shù)為M(2M-1)，網(wǎng)絡(luò)能耗高，對(duì)于能量有限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)并不適用。