[發(fā)明專利]基于事件驅(qū)動的無線傳感器網(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: 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: H04W52/02
• 分類號: H04W52/02;H04W64/00;H04W72/12
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司44245
• 代理人: 蔡茂略

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)、目標(biāo)定位跟蹤和網(wǎng)絡(luò)化反饋控制技術(shù)，特別涉及一種基于事件驅(qū)動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人，網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人置于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，作為移動目標(biāo)和控制對象。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用基于事件驅(qū)動的擴(kuò)展卡爾曼濾波定位算法和自適應(yīng)分簇的調(diào)度策略，綜合運(yùn)用單向廣播時(shí)鐘同步、分時(shí)傳輸協(xié)議、測距與通信信道分開、網(wǎng)格切換邊緣監(jiān)測保護(hù)等多種機(jī)制，對網(wǎng)絡(luò)中的移動機(jī)器人進(jìn)行基于事件驅(qū)動的實(shí)時(shí)跟蹤定位，形成一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,WSN)是21世紀(jì)的研究熱點(diǎn)。它是計(jì)算機(jī)、通信、控制和傳感器等多學(xué)科技術(shù)交叉結(jié)合的產(chǎn)物，也是集信息獲取、傳輸與處理三個(gè)過程于一體的復(fù)雜測控系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通訊網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況(比如溫度、聲音、振動、壓力、運(yùn)動或污染物)。這些裝置稱為節(jié)點(diǎn)(mote)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等功能，且具有體積小，功耗低等特點(diǎn)，容易快速得大面積部署到需要監(jiān)控的區(qū)域中。傳感器節(jié)點(diǎn)通過傳感器把物理信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，并以單跳或多跳的方式傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)相連來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動監(jiān)測，同時(shí)還能通過Internet 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的監(jiān)控中心來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

目標(biāo)定位和跟蹤是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要應(yīng)用。在定位跟蹤研究方面，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺來進(jìn)行目標(biāo)跟蹤定位的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺是1992年 AT&T實(shí)驗(yàn)室的Cambridge開發(fā)出室內(nèi)定位系統(tǒng)Active Badge系統(tǒng)，目標(biāo)自身需攜帶能夠發(fā)射信號的設(shè)備，服務(wù)器接收到信號后進(jìn)行分析得出目標(biāo)位置。基于 RSSI的定位系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。但這一類定位系統(tǒng)只能對已知目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，而不能跟蹤未知目標(biāo)，比如安防的防入侵系統(tǒng)，導(dǎo)彈的防御體系，對于需要跟蹤的目標(biāo)是不能進(jìn)行通信，這時(shí)候需要定位系統(tǒng)能夠進(jìn)行主動定位。

根據(jù)跟蹤目標(biāo)的數(shù)目可以分為：單目標(biāo)跟蹤和多目標(biāo)跟蹤。單目標(biāo)跟蹤的研究在理論和工程上都已經(jīng)取得了很多的研究成果。新加坡南洋理工大學(xué)開發(fā)了利用超聲波傳感器進(jìn)行主動式測量的定位系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境下能夠?qū)蝹€(gè)移動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，在低速運(yùn)行下跟蹤效果良好。多目標(biāo)跟蹤的研究很多只限于理論層面，建立了很多仿真平臺，如杭州電子科大的多機(jī)動目標(biāo)跟蹤算法與仿真平臺開發(fā)；東南大學(xué)的分布式多傳感器多目標(biāo)數(shù)據(jù)融合算法；國防科技大學(xué)的多雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤仿真系統(tǒng)；王換招等人提出了改進(jìn)的模糊聚類平均算法，將每一批觀測數(shù)據(jù)按照航跡估計(jì)位置的關(guān)聯(lián)門限進(jìn)行劃分，然后分別對航跡和關(guān)聯(lián)門限內(nèi)的采集信息進(jìn)行模糊關(guān)聯(lián),再把獲得的最大關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)分配給各條航跡作為目標(biāo)的實(shí)際位置。陶良鵬等人提出了根據(jù)監(jiān)聽到的節(jié)點(diǎn)信號之間的相關(guān)性來解決目標(biāo)計(jì)數(shù)的問題，利用節(jié)點(diǎn)檢測到的信號強(qiáng)度對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行粗略分簇，使每個(gè)簇對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)相距較近的目標(biāo)，然后在簇內(nèi)計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)采集到的信號的相關(guān)度，將信號相關(guān)度較大的節(jié)點(diǎn)劃分為一組并對應(yīng)一個(gè)目標(biāo),以節(jié)點(diǎn)組的數(shù)目估計(jì)目標(biāo)個(gè)數(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、體積小、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)伴隨而來的是電池能量有限、計(jì)算資源和通信資源受限等缺點(diǎn)。所以在涉及到具有大量節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，怎樣進(jìn)行合理有效的資源調(diào)度和分配，讓節(jié)點(diǎn)在保證精度和實(shí)時(shí)性的同時(shí)，能夠進(jìn)行自組織的快速部署，以最大程度地達(dá)到節(jié)省能量的目的，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的熱點(diǎn)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于事件驅(qū)動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)以最大程度地節(jié)省檢測層節(jié)點(diǎn)的能量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)層收發(fā)無線射頻信號的能量和通信帶寬。基于自適應(yīng)簇的節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略使得傳感器網(wǎng)絡(luò)中任何時(shí)刻工作的節(jié)點(diǎn)都是變化的，檢測工作與通信工作同時(shí)進(jìn)行，且相互獨(dú)立，可以極大地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作效率及其實(shí)時(shí)性。每個(gè)周期更新定位坐標(biāo)時(shí)，采用基于單點(diǎn)觀測值的改進(jìn)型擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，只需用當(dāng)前周期單個(gè)節(jié)點(diǎn)的單個(gè)測距值，即可實(shí)時(shí)更新移動目標(biāo)的坐標(biāo)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明引用了自組織、自適應(yīng)簇的概念，使用基于自適應(yīng)簇的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略，并加入了合理的預(yù)測機(jī)制，通過卡爾曼算法進(jìn)行二次預(yù)測，防止了目標(biāo)丟失等情況的發(fā)生，也降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總體功耗，節(jié)省節(jié)點(diǎn)有限的能量資源和通信資源。