专利名称：基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法及装置，属于传感器网络和无线信道技术领域。
背景技术：
传感器网络由布置于广阔领域的成百上千的传感器节点组成，以保证随时随地地提供高精度的分布式感知、处理、分发数据的技术。现有基于传感器网络的物体跟踪技术主要是针对如何减少网络能耗、延长网络使
用寿命，采取的相关技术主要包括以下几个方面基于树结构的跟踪、基于分簇结构的跟踪、基于预测的跟踪、基于时空特性的多播形式的跟踪。其中I、基于树结构的跟踪当探测到目标的节点间相互交流时，选择一个根节点通过分布式平衡树从这些节点中收集信息，例如基于传感器网络的大规模追踪(Scalable Tracking Using NetworkedSensors，简称STUN)。STUN提出了构建分层的管道平衡树(DAB)的构建方案，能有效地追踪目标、并支持在基站处的快速查询。但是，主要存在两个缺点一是，DAB树只是一个逻辑树，并不能反映传感器网络的物理结构，因此一条边可能有多跳组成，增加了传输的代价；二是，该方法没有将查询的代价考虑在内，因此，在某些情况下，该方法并不一定有效率。除此以外，当根节点远离目标时，树会被重新配置。尽管平衡树结构的探测方式准确性高，但是会导致高能耗。2、基于分簇结构的跟踪分簇是解决传感器网络的能耗管理的重要方式。通过分簇，节点被分为簇头和成员。在基于分簇结构的跟踪算法中，成员节点负责探测物体并且传递信息给簇头，簇头从其成员中收集信息。它计算目标的位置，并发送信息给基站。优势在于节省能耗，进而能够延长网络的使用寿命。但是，分簇结构的构造和控制都会增加能耗开支、设计的复杂性。3、基于预测的跟踪目标的下一个位置是基于目标的当前的移动速度和方向。这些算法巧妙地利用睡眠模式，减少能耗，以减少能耗、提高网络使用寿命。4、基于时空特性的跟踪提出了基于时空特性的多播方式。该方式，不仅为移动基站提供了可靠的实时的信息传递，而且提供了针对传感器网络的本地协调和数据融合的强大的交流理念。即，当目标被探测到后，一个组即被构建起来。组头会发送一个多播的信息，给相应的区域，而该区域是基于目标的估计速率而预测出来的。以上四类跟踪算法主要针对能耗问题，设计上总体而言具有以下特点I)按需及时开启传感器节点的观测。为了保证持续的覆盖以实现无能量浪费，只有一小部分传感器节点需要被唤醒。2)在观察对象到达相应的节点的观察区之前，将观察对象的物理信息及时地告知，为了更好的观察和行动，告知应该在唤醒之前的恰当时候。另外，在节省能耗之余，分簇结构的提出对于网络的健壮性、规模化提供了一定保证。但是也存在以下问题I)结构设计过于复杂。一些树形的、层次化的分簇结构等的提出，明显提升了设计和维护的复杂性，在物体跟踪的同时，需要消耗大量能耗、以保证及时调整维护拓扑结构，否则算法就会失效。2)能耗的考虑没有从节点本身出发。虽然绝大部分问题都针对传感器网络中的最大问题能耗，但是仅仅是从不同节点间的调度和协调的角度进行的思考，并没有挖掘更本源的能耗问题-信号的发射问题。3)所有的策略都只是基于全向天线的节点。全向天线向全方向传输信号，因此，
当只有一些接受者需要该信号时，就会导致大量的其余方向的不必要的能耗损失。而定向天线则是向着目标的方向以一个狭窄的方向角进行信号的发射，从而节省了能耗、提高了重利用率、扩大了覆盖面积。并且，定向天线对邻居间的干扰较小，能从整体上极大地减少网络内数据传输因干扰而导致的错误和由此而引起的重发，因此能很好地提高系统的吞吐率。4) 一些基于数据挖据的路径预测提及的方法过于复杂。诸如贝叶斯分析、决策树算法、马尔科夫链等能在数据的准确性上得到保证。但是，传感器节点本身存在计算能力和存储能力的有限性，而且大量的运算会引发器件本身的大量能耗，会降低网络的使用寿命。然而，就传感器网络本身而言，由于传感器节点本身能量和计算能力有限，所以过于复杂的移动物体追踪和路径预测方法是不可行的。能耗的减少和算法的可计算性将直接影响着基于传感器网络的物体追踪的规模性、持久性、实时性等系统关键问题。如前所述，虽然现有方法提出了一些基于能耗的追踪策略，但是，目前的方法中没有基于定向天线的利用传感器网络进行移动物体跟踪的方法，也没有根据能耗、可计算性、预测的准确性和实时性对传感器网络系统做进一步的优化。
发明内容
本发明提供一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法及装置，用以降低设计的复杂性，实现对移动物体的实时追踪。本发明一方面提供一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法，其中包括为观测区域构建全覆盖传感器网络；为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合；根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹；根据所诉预测轨迹利用定向天线向邻居节点发送唤醒消息，启动邻居节点的观测模块。本发明另一方面提供一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪装置，其中包括网络构建模块，用于为观测区域构建全覆盖传感器网络；邻居确定模块，用于为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合；
轨迹预测模块，用于根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹；传感器节点上的定向发送模块，用于定向唤醒邻居节点和数据的发送；本发明通过巧妙地利用定向天线，通过数据的时空特性的分析预测，同时满足能耗和路径预测的准确性的要求，从而实现了大规模传感器网络下的移动物体快速追踪。
图I为本发明所述基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法实施例的流程图；图2为本发明所述传感器网络的全覆盖判定与节点感知半径、节点数目的关系举例示意图；图3A-图3C为本发明所述传感器节点的状态转换示意图；图4为本发明所述基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪装置实施例的结构示意图。
具体实施例方式首先，对本实施例所述移动物体跟踪方法的约束性条件进行说明传感器网络区域S可以用图G (V，E)来表示，其中V= {Vi}表示各传感器节点Vi的集合，E = {ej表示传感器节点间的通信边ei的集合。边(Vi, Vj) e E,当且仅当| Ivi,
Vj I ≤ RT，其中，Rt为节点的通信传输距离，
权利要求
1.一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法，其特征在于，包括 为观测区域构建全覆盖传感器网络； 为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合； 根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体的运动轨迹； 根据所述预测轨迹利用定向天线向邻居节点发送唤醒消息，启动邻居节点的观测模块，实现对跟踪目标的持续观测。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述为观测区域构建全覆盖传感器网络，使观测区域面积包含于所有传感器节点的感知范围的并集内，该特征可以通过覆盖率的计算公式1-(1- 、._ )保障其中，S表示所述观测区域的面积，Rs表示每个所述传感器节点的感知半径，η表示所述观测区域中的传感器节点的数量。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合，包括 初始化所述观测区域中的全部传感器节点的一跳邻居信息； 在所述观测区域中定期广播发送探测包； 接收到所述探测包的一跳邻居将发送方添加到一跳邻居集合表中。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，根据所述的一跳邻居集合合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹，包括 将所有传感器节点的探测到与否标记初始化为“否”；作为整个探测过程的启动节点一即初始时刻能探测到移动物体的传感器节点，进入探测阶段首先，将该传感器节点的探测到与否的标记更新为“是”;然后，每隔一个探测间隔进行一次探测并更新包含了移动物体的运动轨迹信息的事件记录，直到探测不到移动物体时停止探测；待探测阶段结束后，预测判定移动目标的移动方向，利用定向天线广播一个用于通知开启探测的数据包给处于该方向上的一跳邻居节点； 作为用于通知开启探测的数据包的接收方，即传感器节点接收到所述数据包时，如果该传感器节点的探测到与否标记为“是”，则将所述数据包的发送方标识记录到该节点的发送方集合中，用于标记对移动物体观测过程中的前置观测节点；同时，继续其探测过程，如后所述；如果为“否”，则进行下一步判断，即如果移动物体在其监测区域内，则将所述数据包的发送方标识记录到该节点的发送方集合中，将该传感器节点的探测到与否的标记更新为“是”，并且进入探测阶段；探测过程；启动探测的节点每隔一个探测间隔进行一次探测并更新包含了移动物体的运动轨迹信息的事件记录，直到探测不到移动物体时停止探测。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，待探测阶段结束后，还包括 1)传感器节点将所述探测到与否标记更新为“否”； 2)计算自己的发送方集合中的所有元素和本节点依次构成的矢量的角平均线矢量； 3)采用定向天线发射探测开启通知包，定向天线的角度为与角平均线矢量所构成的一个预定角度，以通知相应方向上的传感器节点开启检测； 4)最后，删除该传感器的发送方集合中的记录。
6.一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪装置，其特征在于，包括网络构建模块，用于为观测区域构建全覆盖传感器网络； 邻居确定模块，用于为所述 观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合； 轨迹预测模块，用于根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹； 定向天线发射角度计算模块，用于根据前述预测轨迹的结果计算定向天线的发射角度，以唤醒下一跳节点的持续观测。
全文摘要
本发明提供一种基于定向天线的传感器网络内移动物体跟踪方法及装置。其中方法包括为观测区域构建全覆盖传感器网络；为所述观测区域中的每个传感器节点确定一跳邻居集合；根据所述一跳邻居集合，合作预测并记录所述观测区域中的移动物体运动轨迹；根据所述预测轨迹利用定向天线向邻居节点发送唤醒消息，启动邻居节点的观测模块，实现对跟踪目标的持续观测。本发明通过巧妙地利用定向天线，结合数据的时空相关特性进行分析预测，同时满足能耗最小和路径预测准确性的要求，实现了大规模传感器网络下的移动物体的实时追踪。
文档编号H04W64/00GK102883429SQ20121031640
公开日2013年1月16日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者李欢, 孙哲丰 申请人:北京航空航天大学