無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動目標(biāo)的定位與跟蹤*

趙曉俠， 鞠成恩

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動目標(biāo)的定位與跟蹤*

趙曉俠， 鞠成恩

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

對侵入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)，提出了一種移動節(jié)點和靜態(tài)節(jié)點相結(jié)合的定位與跟蹤方式。靜態(tài)節(jié)點可以發(fā)現(xiàn)侵入傳感器網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)，移動節(jié)點與靜態(tài)節(jié)點配合進(jìn)一步確定目標(biāo)的具體位置。仿真實驗驗證表明：該方法可以減少大規(guī)模的頻繁移動節(jié)點，不需要過多地對移動節(jié)點的選擇和運(yùn)動進(jìn)行特別復(fù)雜的計算，具有較好的定位精度和魯棒性，對多目標(biāo)的定位與跟蹤研究有一定的啟發(fā)作用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 移動節(jié)點； 定位

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)，在環(huán)境監(jiān)測、交通、軍事等方面都發(fā)揮著重要的作用[1]。節(jié)點定位與跟蹤是其基本功能之一，對于目標(biāo)跟蹤，可以分為主動偵測和被動偵測兩種。在實際應(yīng)用中，節(jié)點的移動性增加了節(jié)點定位的難度，使得被動偵測的研究更具有挑戰(zhàn)性。

本文提出了一種新的方式管理傳感器節(jié)點的移動性，即靜態(tài)節(jié)點與動態(tài)節(jié)點相結(jié)合，簡化單目標(biāo)跟蹤方法，提高了跟蹤可靠性和魯棒性：1)對侵入目標(biāo)進(jìn)行探測；2)估計目標(biāo)的當(dāng)前位置，確定移動節(jié)點應(yīng)部署的位置；3)通過對可移動節(jié)點的位置重新部署，配合靜態(tài)節(jié)點以獲得更準(zhǔn)確的目標(biāo)定位。

1 目標(biāo)定位

采用加權(quán)質(zhì)心算法(W-Centroid)對目標(biāo)節(jié)點進(jìn)行定位[2]，傳感器節(jié)點探測到目標(biāo)后，形成一個將目標(biāo)包圍的多邊形，通過計算該多邊形的幾何質(zhì)心得到目標(biāo)的位置。具體實現(xiàn)過程：當(dāng)傳感器節(jié)點探測到目標(biāo)時，將此信號量設(shè)置一個門限值，當(dāng)超過這一門限值時，將該傳感器節(jié)點納入到假設(shè)以目標(biāo)節(jié)點為質(zhì)心的多邊形中。利用探測節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點之間的接收信號強(qiáng)度指示值(received signal strength indication,RSSI)作為依據(jù)，計算每個探測節(jié)點的權(quán)值，通過權(quán)值來體現(xiàn)探測節(jié)點對質(zhì)心坐標(biāo)作用的大小。其中未知節(jié)點的估計坐標(biāo)由式(1)得出

(1)

式中 P為目標(biāo)結(jié)點的位置；Si為傳感器節(jié)點，當(dāng)目標(biāo)結(jié)點與傳感器節(jié)點的距離小于R時，將傳感器節(jié)點納入質(zhì)心多邊形中；(xi，yi)為各個傳感器節(jié)點的坐標(biāo)；wi為各個探測節(jié)點的權(quán)重。

2 傳感器位置確定

如果只有移動傳感器，傳感器移動很容易產(chǎn)生探測信號無法完全覆蓋的盲區(qū)[3]，因此,采用靜態(tài)節(jié)點與動態(tài)節(jié)點相結(jié)合的方式。通過靜態(tài)節(jié)點保證整個區(qū)域均被覆蓋，而動態(tài)節(jié)點則使得對目標(biāo)的定位更加精確。

圖1 靜態(tài)傳感器布置

圖1中，區(qū)域中除4圓交匯的O點可以被4只傳感器同時探測到外，其他各點最多也只能被2只靜態(tài)傳感器探測到，無法滿足定位要求，本文采用可移動傳感器與靜態(tài)傳感器相配合的策略彌補(bǔ)了探測精度不足的問題。將移動傳感器移動到O點，與其四周的靜態(tài)傳感器共同組成一個探測區(qū)，如圖2所示，目標(biāo)在這個區(qū)域內(nèi)的任何地方均可以由O處的移動節(jié)點和其周圍靜態(tài)節(jié)點組成的三角形或四邊形合力探測定位。而且可以根據(jù)目標(biāo)的速度、傳感器的探測半經(jīng)實時組成一個更大動態(tài)探測區(qū)，用4個移動節(jié)點便可以與其周圍9個靜態(tài)節(jié)點組成一個區(qū)域獲取目標(biāo)的位置。

圖2 靜態(tài)節(jié)點與動態(tài)節(jié)點組成的局部探測區(qū)

3 確定移動節(jié)點部署位置

當(dāng)目標(biāo)節(jié)點進(jìn)入到某個靜態(tài)傳感器節(jié)點S的探測范圍時，將與S距離較近的4個可移動節(jié)點移動到S與周邊8個靜態(tài)傳感器節(jié)點探測圓的交匯處a,b,c,d，如圖3所示，4個移動節(jié)點便與另外9個靜態(tài)節(jié)點組成了一個局部探測區(qū)。

圖3 靜態(tài)節(jié)點發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時動態(tài)節(jié)點的位置移動示意

4 仿 真

圖4 靜態(tài)節(jié)點和移動傳感器初始部署位置和目標(biāo)軌跡

當(dāng)目標(biāo)侵入探測區(qū)時，由中央處理設(shè)備控制4只移動傳感器到目標(biāo)所在區(qū)域，與周圍9只靜態(tài)傳器組成局部探測跟蹤區(qū)。將組成多邊形的傳感器節(jié)點所在坐標(biāo)以及對目標(biāo)探測的信號強(qiáng)度等數(shù)據(jù)傳至中央處理設(shè)備，計算加權(quán)質(zhì)心坐標(biāo)對目標(biāo)所在的位置進(jìn)行定位。圖5所示為目標(biāo)經(jīng)過整個探測區(qū)域的過程中形成的多邊形。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入1只靜態(tài)傳感器探測范圍邊緣時作為一個探測點，移動可移動傳感器與靜態(tài)節(jié)點一起形成局部探測區(qū)對目標(biāo)進(jìn)行探測。圖6為目標(biāo)移動過程中局部探測區(qū)內(nèi)傳感器測量值與實際誤差。

圖5 目標(biāo)移動過程中傳感器探測形成的多邊形軌跡

5 結(jié) 論

通過靜態(tài)節(jié)點與動態(tài)相結(jié)合的較簡單方式，在保證整個探測區(qū)域被覆蓋的前提下使用較少的靜態(tài)節(jié)點，輔以有限的可移動節(jié)點實現(xiàn)對單個目標(biāo)的定位與跟蹤。仿真實驗

圖6 使用本文方法測量與實際誤差

結(jié)果表明：不僅可靠性可以得到保證，而且，采用了局部探測的方式可以節(jié)約能源。另外，文中僅僅對單移動目標(biāo)進(jìn)行了定位，在適當(dāng)擴(kuò)大局部探測區(qū)或?qū)鞲衅鞴?jié)點進(jìn)行分布式管理的條件下，也可以考慮將研究范圍擴(kuò)大到多目標(biāo)的情況[5]。

[1] 孫利民，李建中，陳 渝，等．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005．

[2] 王曙光．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)域質(zhì)心定位算法[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(12)：149-151，154．

[3] 邢冬平，段 富，樊茂森．基于極坐標(biāo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)發(fā)現(xiàn)算法[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(9)：117-119.

[4] 凡高娟，郭拯危．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署研究進(jìn)展[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2012，31(4)：1-3，6.

[5] 胡鵬濤，杜 軍，潘運(yùn)亮．多目標(biāo)多傳感器數(shù)據(jù)融合軌跡追蹤的建模與仿真[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(11)：82-85，89.

Localization and tracking of mobile target in wireless sensor networks*

ZHAO Xiao-xia， Jü Cheng-en

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Aiming at target intruding into wireless sensor networks(WSNs),a method of positioning and tracking is proposed based on combination of mobile nodes and static nodes.Static nodes can find the target intruding into sensor network,the mobile nodes and the static nodes will determine the specific location of the target further.The simulation results show that the method can reduce the mobility of the nodes in large scale,also it does not need too much complex calculation on selection and motion of the mobile nodes,it has better localization precision and robustness and has certain help for multitarget localization and tracking research.

wireless sensor networks(WSNs); mobile node; localization

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0151—02

2016—08—17

國家自然科學(xué)基金地區(qū)基金資助項目(KKGD201303043)

TP 212

A

1000—9787(2017)09—0151—02

趙曉俠(1965-)，女，副教授，主要從事計算機(jī)應(yīng)用及工業(yè)自動化等研究工作。

鞠成恩(1981-)，男，碩士研究生，主要研究方向為計算機(jī)應(yīng)用等研究工作。