一种无线传感器网络中的移动目标跟踪方法

摘要

本发明公开了一种无线传感器网络中的移动目标跟踪方法，本发明对监测区域实行分区管理，每个区域的跟踪任务由一个管理节点负责，不需要基站采集所有节点的位置信息；管理节点根据前一个采样时间段主跟踪节点的位置确定下一个采样时间段需要唤醒的节点。在每个采样时间段内，只有小部分节点处于监测或活动状态，大部分节点保持休眠；监测到目标的普通节点只需向管理节点发送信息，无需互换信息；当目标跟丢时，首先在一个区域内进行搜索，搜索失败时再进行全网搜索；这些措施减少了节点的能量消耗和节点间的通信次数，延长了网络的生命周期，节省了通信资源。

主权项

一种无线传感器网络中的移动目标跟踪方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)监测区域由管理节点和普通节点组成；将监测区域划分为若干正方形网格区域，每个正方形网格区域的中心放置一个管理节点；正方形网格区域内还设有若干普通节点，每个普通节点有若干邻居普通节点，邻居普通节点通过如下方法确定：处于普通节点的一跳通信范围内的其余普通节点定义为该普通节点的邻居普通节点；正方形网格的边长定义为：$d=\sqrt{2}{R}_d$其中d为网格边长，R_d为管理节点的感知距离，R_d为正方形网格区域的对角线长度的1/2；普通节点用于监测目标、获取目标信息、传输数据；管理节点用于定位自身位置、调度普通节点跟踪在其管辖区域内的目标、计算目标位置，管理节点与基站互相通信，管理节点还与其管辖区域内的普通节点互相通信；(2)各个管理节点获取自身位置坐标，并将自己的位置坐标和ID发送给基站，基站向各管理节点发送它们的邻居管理节点的坐标信息，管理节点接收并储存；管理节点在其感知范围内广播自身位置信息和ID，普通节点根据接收到的信息计算自己的位置，并将自己的位置和ID发送给管理节点，然后所有各普通节点进入休眠状态；管理节点确定自己的管辖区域，管辖区域四个顶点的坐标值分别为：$\begin{array}{c}((x_0-\frac{\sqrt{2}}{2}{R}_d),(y_0-\frac{\sqrt{2}}{2}{R}_d)),((x_0-\frac{\sqrt{2}}{2}{R}_d),(y_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{R}_d)),((x_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{R}_d),\\ (y_0-\frac{\sqrt{2}}{2}{R}_d)),((x_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{R}_d),(y_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{R}_d));\end{array}$其中(x₀,y₀)为管理节点的自身位置坐标；R_d为管理节点的感知距离，R_d为正方形网格的对角线长度的1/2；(3)跟踪的初始时刻：管理节点唤醒被监测区域边界处的普通节点，等待目标的出现；(4)监测到目标的普通节点发送一个数据包给相应的管理节点，管理节点采用选择算法从这些节点中选择三个普通节点：一个主跟踪节点和两个次跟踪节点，根据这三个普通节点采集的目标信息用传统的三边定位算法计算目标位置；没接收到数据包的管理节点进入休眠态，等待被其他管理节点再次唤醒；当目标从两个网格交界处进入监测区域时，同时有两个管理节点接收到普通节点发送来的目标信息，则每个管理节点对比目标坐标值和自己的管辖区域，如目标不在自己的管辖区域内，则进入休眠态；如目标在自己的管辖区域内，则执行步骤(5)；(5)网格内的目标跟踪：根据步骤(4)已确定当前目标在哪个网格内，则该网格的管理节点成为当前调度普通节点跟踪目标的节点，该管理节点将在其感知范围内的、前一个采样时间段的主跟踪节点的邻居普通节点唤醒，当邻居普通节点监测到目标时，发送一个数据包给管理节点，管理节点重复步骤(4)中选择算法的操作，采用三边定位法计算目标的当前位置；(6)当前的管理节点重复步骤(5)的操作，当发现目标的坐标位置不在自己的管辖区域内时，对比目标位置和各邻居管理节点的位置，确定目标在哪个邻居管理节点的管辖区域内，唤醒该邻居管理节点，并将当前的主跟踪节点信息发送给该邻居管理节点，同时将获得的目标轨迹传送给基站，然后该管理节点进入休眠态；(7)被唤醒的邻居管理节点重复步骤(5)和(6)，直到目标离开监测区域；在每个采样时间段内，每个采样时间段被分成若干时隙，每个普通节点都被分到一个时隙来传输探测到的目标信息；管理节点也留有单独的时隙，管理节点在时隙内要完成以下任务：从监测到目标的普通节点中选择一个主跟踪节点和两个次跟踪节点，计算目标在该采样时间段初始时间点的位置，接收基站发送的命令；选择下一个采样时间段需要唤醒的节点，并通知它们进入监测状态；步骤(4)中，多个被唤醒的普通节点均向其管理节点发送数据包，数据包由普通节点的ID、距离目标的距离、剩余电量封装而成，管理节点从这些节点中选择一个主跟踪节点和两个次跟踪节点，步骤如下：(1)管理节点计算各普通节点被选择的可能性，表示如下：$P_i\left(t\right)=\frac{{\phi }_i\left(t\right)*{\eta }_i\left(t\right)}{\underset{s_j\in C\left(t\right)}{\Sigma }{\phi }_j\left(t\right)*{\eta }_j\left(t\right)}$${\phi }_i\left(t\right)=\frac{1}{d_i\left(t\right)}$${\eta }_i\left(t\right)=\frac{{E_{\mathrm{residual}}}_i\left(t\right)}{{E_{\mathrm{initial}}}_i\left(t\right)}$其中，P_i(t)为在时间t、ID为i的普通节点被选择的概率，φ_i(t)为在时间t、ID为i的普通节点的距离因子，η_i(t)为在时间t、ID为i的普通节点的能量因子，C(t)为在时间t被唤醒的普通节点的集合，S_j代表C(t)这个集合中包含的节点，φ_j(t)和η_j(t)分别代表在时间t、C(t)这个集合中包含的节点的距离因子和能量因子，d_i(t)为在时间t、ID为i的普通节点到目标的距离，和分别为在时间t，ID为i的普通节点的剩余电量和初始电量；(2)管理节点将这些普通节点按被选择概率的大小从高到低排列，排在前三位的分别为主跟踪节点和两个次跟踪节点。