[發(fā)明專利]基于事件驅(qū)動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310513775.4
• 申請日: 2013-10-25
• 公開（公告）號(hào): CN103716867B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇為洲;葉景志;羅振華;羅汶鋒;余輝榮
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W52/02
• 分類號(hào): H04W52/02;H04W64/00;H04W72/12
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司44245
• 代理人: 蔡茂略

1.基于事件驅(qū)動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，包括：分布式測量節(jié)點(diǎn)、基站、無線通信轉(zhuǎn)USB網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)服務(wù)中心和輪式移動(dòng)機(jī)器人；所述分布式測量節(jié)點(diǎn)由12個(gè)兼具測量和無線通信功能的超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布而成，節(jié)點(diǎn)按3×4排列，其被分為6個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)；所述基站是在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)中，負(fù)責(zé)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的資源分配和信息解析；所述無線通信功能轉(zhuǎn)USB網(wǎng)關(guān)是負(fù)責(zé)基站和上位機(jī)之間的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)上下行雙向通信；所述的數(shù)據(jù)服務(wù)中心采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測量原始數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合定位算法得到目標(biāo)的位置信息，繪制目標(biāo)軌跡曲線并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，產(chǎn)生新的工作令牌通過網(wǎng)關(guān)傳遞給基站；所述輪式移動(dòng)機(jī)器人接受基站的數(shù)據(jù)信息和控制指令，可在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)任意移動(dòng)；

所述兼具測量和無線通信功能的超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)包括超聲波測距模塊、傳感器擴(kuò)展接口模塊、數(shù)據(jù)處理單元和電源模塊；

所述超聲波測距模塊采用6個(gè)SRF08超聲波傳感器，每個(gè)SRF08超聲波傳感器均有60度的有效測量角度，超聲波測距模塊可實(shí)現(xiàn)平面范圍360度的全方位測距；傳感器擴(kuò)展接口模塊采用Crossbow公司的MDA100設(shè)備，兼具無線通信功能的數(shù)據(jù)處理單元采用Crossbow公司的MPR2400CA模塊，也稱其為節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)子站；

所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基站包括2個(gè)兼具通信功能數(shù)據(jù)處理單元MRP2400CA，分別與兩個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊相連，其中一個(gè)分管數(shù)據(jù)和信令的上行鏈路，用于接收來自所述分布式測量節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)；另一個(gè)分管數(shù)據(jù)的下行鏈路，用于發(fā)送無線信號(hào)至分布式測量節(jié)點(diǎn)和所述輪式移動(dòng)機(jī)器人；

所述網(wǎng)關(guān)模塊采用Crossbow公司的MIB520網(wǎng)關(guān)設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)ZigBee-USB網(wǎng)關(guān)；

所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心采用搭載Ubuntu10.10版本Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的高性能計(jì)算機(jī)，基于Linux操作系統(tǒng)編寫的上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制軟件運(yùn)行于該計(jì)算機(jī)上；

所述超聲波測距模塊和傳感器擴(kuò)展接口模塊通過基于I2C協(xié)議的雙向串行接口連接，電源模塊可分別提供6V和3.3V電源，其中6V電源與超聲波測距模塊連接，3.3V電源與傳感器擴(kuò)展接口模塊連接；

所述基站與分布式測量節(jié)點(diǎn)之間是通過基于ZigBee協(xié)議的空中接口連接，實(shí)現(xiàn)無線通信；

所述網(wǎng)關(guān)模塊和基站通過51Pin接口連接，網(wǎng)關(guān)模塊與所述數(shù)據(jù)融合中心的計(jì)算機(jī)及所述移動(dòng)機(jī)器人的主控制器通過USB通用接口連接，實(shí)現(xiàn)UART通信；

系統(tǒng)運(yùn)作過程中，任何一項(xiàng)工作都只能在自己的時(shí)隙里完成自身的任務(wù)，在多目標(biāo)跟蹤過程中，基于任務(wù)的自適應(yīng)分簇節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)打開超聲波進(jìn)行測距的；系統(tǒng)正常工作包括如下步驟：

(1)布置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括系統(tǒng)所需的軟硬件，將移動(dòng)機(jī)器人放置于檢測網(wǎng)絡(luò)的有效范圍內(nèi)；

(2)開啟所有電源，整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，之后所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠待機(jī)狀態(tài)；

(3)開啟數(shù)據(jù)服務(wù)中心的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制軟件，通過點(diǎn)擊操作界面的開始按鈕來啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)服務(wù)中心下達(dá)時(shí)鐘同步指令，通過基站發(fā)送端廣播給節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站和移動(dòng)接收子站，采用單向廣播同步的方式，使基站和所有傳感器節(jié)點(diǎn)達(dá)到時(shí)鐘同步，以避免時(shí)序混亂；

(4)數(shù)據(jù)服務(wù)中心向基站發(fā)出搜索目標(biāo)的初始化工作命令，基站收到命令后，根據(jù)基于任務(wù)的系統(tǒng)資源時(shí)隙分配方法產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)周期命令幀，其包含工作令牌和通信令牌及其相應(yīng)的時(shí)隙分配系列，即根據(jù)預(yù)先設(shè)置的網(wǎng)格號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)，按照先網(wǎng)格后節(jié)點(diǎn)的順序逐個(gè)、輪流觸發(fā)檢測網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)工作，并為其安排了具體的時(shí)隙；

(5)節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站接收到基站廣播的搜索目標(biāo)命令，根據(jù)工作令牌和通信令牌確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否具有工作或通信的權(quán)限；若某節(jié)點(diǎn)具有工作權(quán)限，則通過I2C串行接口觸發(fā)該節(jié)點(diǎn)的超聲波傳感器模塊工作，待測距完成后儲(chǔ)存相應(yīng)數(shù)據(jù)，等待自己通信時(shí)隙到來時(shí)發(fā)送；若某節(jié)點(diǎn)具有通信權(quán)限且在自己通信時(shí)隙內(nèi)，則開啟無線通信模塊，將該節(jié)點(diǎn)在上一工作周期儲(chǔ)存的測距值和其他相關(guān)參數(shù)經(jīng)過編碼后通過ZigBee協(xié)議空中接口發(fā)送至基站，基站解碼后將有效測量數(shù)據(jù)和時(shí)標(biāo)通過網(wǎng)關(guān)傳遞給數(shù)據(jù)融合中心；

(6)數(shù)據(jù)服務(wù)中心的搜索目標(biāo)命令將持續(xù)觸發(fā)并收集12個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)，若對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過3輪搜索工作后，每一輪上傳有效測量數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)都小于3時(shí)，則表示未在檢測網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，所有節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省能耗；若在一輪搜索中上傳有效數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)不小于3，則表示成功發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，進(jìn)入下一步；

(7)數(shù)據(jù)服務(wù)中心對(duì)通過UART串口接收到的多個(gè)節(jié)點(diǎn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算，計(jì)算出當(dāng)前周期在網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)個(gè)數(shù)及其各自坐標(biāo)；具體步驟為：

Ⅰ、當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)階段運(yùn)行周期未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，采用最小二乘法，利用目標(biāo)所在網(wǎng)格內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，確定目標(biāo)位置的初始值；

Ⅱ、當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行周期達(dá)到設(shè)定值后，則采用基于事件驅(qū)動(dòng)的卡爾曼濾波算法進(jìn)行定位，若目標(biāo)在網(wǎng)格邊緣區(qū)域還需綜合兩點(diǎn)畫圓求交點(diǎn)法和網(wǎng)格邊緣監(jiān)測保護(hù)策略進(jìn)行網(wǎng)格切換；

Ⅲ、若由于突發(fā)事件導(dǎo)致目標(biāo)的丟失，則利用最小二乘法配合相鄰網(wǎng)格掃描法尋回目標(biāo)；

(8)數(shù)據(jù)服務(wù)中心將計(jì)算所得移動(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo)信息保存，并自動(dòng)輸出至TXT文本文檔備份，且在上位機(jī)基于Linux操作系統(tǒng)開發(fā)的監(jiān)測與控制操作軟件上以圖形和文本方式實(shí)時(shí)顯示移動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前周期的坐標(biāo)信息和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡；

(9)數(shù)據(jù)服務(wù)中心根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前周期的位置狀態(tài)信息，采取基于自適應(yīng)分簇的調(diào)度策略：基于目標(biāo)當(dāng)前周期的狀態(tài)信息，綜合運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)目標(biāo)下一周期的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，最終確定目標(biāo)所在網(wǎng)格中最近鄰的2～4個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一周期的任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇；確定下一周期任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇的原則如下：將運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)目標(biāo)預(yù)測得到的下一周期的任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇與當(dāng)前周期實(shí)際工作的任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇進(jìn)行比較：

A、若預(yù)測任務(wù)節(jié)點(diǎn)中與當(dāng)前工作節(jié)點(diǎn)一致的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于或等于預(yù)測任務(wù)節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前工作節(jié)點(diǎn)不一致的個(gè)數(shù)，則下一周期使用預(yù)測任務(wù)節(jié)點(diǎn)，形成工作令牌和通信令牌；

B、若小于，則下一周期繼續(xù)使用當(dāng)前工作節(jié)點(diǎn)，形成工作令牌和通信令牌；最終的工作令牌和通信令牌通過基站發(fā)送端廣播給節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站；

(10)通過點(diǎn)擊操作界面的啟動(dòng)機(jī)器人、同相位協(xié)同控制、反相位協(xié)同控制或停止機(jī)器人控制按鈕，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)中心下達(dá)對(duì)機(jī)器人的控制指令，通過基站發(fā)送端廣播給移動(dòng)接收子站；

(11)基站發(fā)送端將數(shù)據(jù)服務(wù)中心的最新生成的工作令牌、通信令牌相關(guān)數(shù)據(jù)，以及來自對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制指令，廣播至節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站和移動(dòng)接收子站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下行傳輸；

(12)節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站接收到基站廣播的指令，根據(jù)工作令牌和通信令牌確定節(jié)點(diǎn)自身在當(dāng)前工作周期內(nèi)是否具有工作或通信的權(quán)限；若某節(jié)點(diǎn)具有工作權(quán)限，則等待自己的工作時(shí)隙到來時(shí)觸發(fā)該節(jié)點(diǎn)的超聲波傳感器模塊工作，待測距完成后儲(chǔ)存相應(yīng)數(shù)據(jù)；若某節(jié)點(diǎn)具有通信權(quán)限，則等待自己的通信時(shí)隙到來時(shí)開啟無線通信模塊，將該節(jié)點(diǎn)在上一周期儲(chǔ)存的測距值和其他相關(guān)參數(shù)發(fā)送至基站，供數(shù)據(jù)服務(wù)中心融合數(shù)據(jù)給目標(biāo)定位所用；

(13)獲得工作令牌或通信令牌權(quán)限的工作節(jié)點(diǎn)，在測距完成或通信完成后，則查詢自身在本工作周期內(nèi)是否還有待完成的任務(wù)，如果有，則繼續(xù)等待相應(yīng)時(shí)間片的到來；否則休眠等待下一個(gè)工作周期的到來；

(14)基站接收端接收自節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上行傳輸，數(shù)據(jù)接收完畢后，通過UART串口上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，進(jìn)入下一輪的工作周期；

(15)重復(fù)執(zhí)行步驟(9)～(14)，持續(xù)監(jiān)測與控制網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)機(jī)器人，系統(tǒng)形成一個(gè)實(shí)時(shí)跟蹤反饋控制網(wǎng)絡(luò)；

所述步驟(4)中基于任務(wù)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配方法包括下列步驟：

(4.1)根據(jù)分布式測量系統(tǒng)需要周期性進(jìn)行時(shí)間同步的特點(diǎn)，將系統(tǒng)時(shí)間軸分割成N*T_cycle(k),N為自然數(shù)，取決于系統(tǒng)時(shí)間長短，記T_cycle(k)為系統(tǒng)第k個(gè)時(shí)間同步周期，k＝1,2,...,N；

(4.2)在T_cycle(k)開始時(shí)，分配T_sync(k)＝5ms，作為時(shí)鐘同步工作所需時(shí)間，同時(shí)分配TA(k)＝10ms，作為超前檢測工作時(shí)間提前量，剩下時(shí)間記為時(shí)間片輪轉(zhuǎn)總量T_rotate(k),T_cycle(k)＝T_sync(k)+TA(k)+T_rotate(k)；

(4.3)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的任務(wù)負(fù)荷動(dòng)態(tài)切割T_rotate(k)，任務(wù)負(fù)荷量是由自適應(yīng)分簇節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略決定的，記當(dāng)前T_cycle(k)內(nèi)分簇?cái)?shù)量為N_cluster(k),每個(gè)分簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為N_node(k),則T_rotate(k)＝N_node(k)*N_cluster(k)*(T_comm+T_idle)+Δ(0)，其中，Δ(0)冗余時(shí)間量，T_comm為單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸一幀數(shù)據(jù)所需的額定通信時(shí)間，T_idle信道隔離量，但是由于分簇調(diào)度是動(dòng)態(tài)的，每一步執(zhí)行的分簇結(jié)果有可能是不一樣的，因此上式可寫成threshold為T_cycle(k)內(nèi)進(jìn)行分簇調(diào)度的總步數(shù)；

(4.4)為了提高系統(tǒng)資源使用效率，不同分簇間且不在干擾域的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)工作，同時(shí)所有節(jié)點(diǎn)的檢測任務(wù)和通信任務(wù)是獨(dú)立的，基于這個(gè)特點(diǎn)系統(tǒng)采用雙通道并行工作方式，分別為檢測通道和通信通道；系統(tǒng)進(jìn)行第s步分簇后，系統(tǒng)需要完成N_node(s)*N_cluster(s)個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測任務(wù)和通信任務(wù)，因?yàn)椴煌执亻g的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)工作，可將以上節(jié)點(diǎn)分為N_node(s)組，每一組包含N_cluster(s)個(gè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)是按組完成檢測工作的；

(4.5)在第s步分簇后至第s+1步分簇前的檢測通道時(shí)間軸上，記為t(s,s+1)可切割成N_node(s)個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片長度為T_sonarwork，T_sonarwork＝T_tof+T_write+T_idle，其中T_tof為超聲回波所耗時(shí)間，T_write為節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)時(shí)間；

(4.6)在第s步分簇后至第s+1步分簇前的通信通道時(shí)間軸上，記為t(s,s+1)可切割成N_node(s)*N_cluster(s)個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片長度為T_comm+T_idle；

(4.7)至此時(shí)間分割已完成，切割完后的每一個(gè)時(shí)間片，其所承擔(dān)的任務(wù)也就確定了；

所述步驟(7)中基于事件驅(qū)動(dòng)的卡爾曼濾波定位算法包括下列步驟：

(7.1)根據(jù)目標(biāo)所在區(qū)域的環(huán)境和運(yùn)動(dòng)特性綜合考慮選擇卡爾曼濾波的觀測方程，根據(jù)不同的觀測量和觀測矩陣執(zhí)行下列卡爾曼濾波迭代算法；

(7.2)預(yù)測現(xiàn)在系統(tǒng)狀態(tài)：

X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)+Bu(k)，

(7.3)預(yù)測現(xiàn)在系統(tǒng)協(xié)方差：

P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)A'+Q，

(7.4)更新卡爾曼增益：

Kg(k)=P(k|k-1)H′HP(k|k-1)H′+R,]]>

(7.5)最優(yōu)化當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)：

X(k|k)＝X(k|k-1)+Kg(k)[Z(k)-HX(k|k-1)]，

(7.6)最優(yōu)化當(dāng)前系統(tǒng)協(xié)方差：

P(k|k)＝[1-Kg(k)H]P(k|k-1)，

(7.7)將以上步驟得到的目標(biāo)位置狀態(tài)與收斂速度更快的最小二乘法得到的目標(biāo)狀態(tài)相比較e(k)＝X_kalman(k)-X_ols(k)，若均方差大于一個(gè)閾值T時(shí)，說明目標(biāo)已嚴(yán)重偏移了原來的預(yù)測軌跡，則令X_kalman(k)＝(1-α)X_kalman(k-1)+αX_ols(k),0.5≤α≤1，以此來糾正卡爾曼濾波定位跟蹤精度。