专利名称：一种基于动态树的无线传感网目标跟踪方法
技术领域：
本发明涉及一种无线传感网目标跟踪方法，主要采用动态树来优化目标跟踪中无线传感器网络的自组织网络结构，属于无线传感网、目标跟踪交叉技术应用领域。
背景技术：
无线传感器网络节点资源有限、网络规模大、节点密集，一般采用Ad-Hoc方式组网并用多跳路由方式来通信。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代互联网中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。与无线局域网、Ad-Hoc等传统无线网络相比，无线传感器网络的特点有:传感器节点小，硬件资源少，电源容量有限；网络中节点数量多，分布密集，相互协作工作；网络节点地位平等，没有严格的控制中心；节点间通信距离有限，大多采用多跳路由，节点既是数据的发送者又是数据的转发者；网络拓扑结构经常变化，需要具备动态拓扑自组织功能，无线传感器网络所具有的这些特性给无线传感网目标跟踪带来了挑战。目标跟踪技术无论是在军事领域还是在民用领域都有着重要的应用价值。目标跟踪按照目标个数来分类，可以分为单目标跟踪和多目标跟踪。跟踪方法主要有空间跟踪和时间-空间跟踪两种。1937年第一部跟踪雷达站的出现，标志着第一个目标跟踪系统的诞生。随着科学技术的进步和现代战略战术的发展，各种雷达、红外、声纳和激光、卫星等目标跟踪系统相继得到发展并且日趋完善。近期，通过GPS定位的室外目标跟踪系统也已经发展起来了。如今随着无线传感器网络的出现，通过无线传感器网络实现目标跟踪已经成为了研究热点。无线传感器网络以其节点部署高密度、精确的感知数据、容易部署等优势备受目标跟踪系统的青睐。本发明提出一种基于动态树的无线传感网目标跟踪方法，目的是优化无线传感网的网络结构，提高目标跟踪效率，降低节点的能耗。
发明内容
技术问题:在基于无线传感网的目标跟踪应用中，节点能力的限制单个节点无法有效地跟踪目标，而是需要多个节点进行联合传感采集数据，并对所获得的数据进行融合处理提取目标信息，在这一过程中，传感器节点需要进行动态地自组织，形成网络拓扑结构，这对无线传感网目标跟踪方法提出了挑战。本发明的目的是提供一种基于动态树的无线传感网目标跟踪方法，解决上述挑战。技术方案:本发明提出一种基于动态树的无线传感网目标跟踪方法，通过建立一棵动态树来指挥无线传感网自组织过程来实现目标跟踪。所述的动态树是由网络中各个节点在跟踪目标的过程中依照目标的运动路径动态建立的。一种基于动态树的无线传感网目标跟踪方法包括以下步骤:I)传感器节点构建初始动态树11)汇聚节点启动网络，各个传感器节点向汇聚节点发送自身的地理位置信息，之后进入休眠状态等待目标进入网络监视区域；
12)当目标进入无线传感器网络的监视区域时，汇聚节点唤醒网络中的所有节点，各个节点探测自身与进入其监视范围的目标之间的距离，将该距离信息发送到汇聚节点，监视范围内没有目标的节点重新进入休眠状态；13)节点i广播距离消息election(di, Idi)给它的邻居节点，同时它也收到邻居节点j发来的距离消息election (dj, id」)；如果不存在d」< (Ii的消息,节点i就成为动态树根节点的候选者，否则就放弃；所述的距离消息electionW” id,)中，(Ii是节点i到目标的距离，Idi是节点i的编号，i是任意一个节点序号；距离消息election (dj, id」)中，d」是节点j到目标的距离，Idj是节点j的编号，j是任意一个节点序号，j ^ i ；14)每个根节点的候选节点洪泛选举消息WinneHdi, Idi)给其他候选节点；当节点i收到选举消息winner (dj, idj),且dj < (Ii时此候选节点就放弃成为根节点，同时它根据接收到选举消息的路径，构造出指向节点j的路径；最后当所有其它的候选节点都放弃成为根节点，与目标之间距离最短的节点就成为根节点；2)动态树的扩展与裁剪21)处于动态树中的各个传感器节点探测目标当前所处的位置、速度与运动方向，之后将这些数据发送给动态树中自己的父节点，父节点接收到数据之后再向更高一层的父节点转发，如此继续执行直到所有的信息都汇总在动态树的根节点中，根节点再将这些数据发往汇聚节点进行处理；22)汇聚节点通过目标的运动公式计算目标在下一个跟踪周期中的预期位置，所述的目标运动公式为:(xk+1, yk+1) = (xk，yk) + (vxk，vyk) *t其中，(xk, yk)是目标的位置坐标；(xk+1，yk+1)是目标的预期位置坐标；(vxk，vyk)是目标的移动速度是网络目标跟踪过程的时间周期；23)汇聚节点计算出目标的预期位置后向整个网络广播此信息，节点收到此信息后计算自身与目标预期位置之间的距离；如果节点与目标间的距离小于自身的探测范围，则节点搜寻最近的动态树中的节点设为自己的父节 点；如果一个动态树中的节点发现目标离开了自身的探测范围，则该节点退出动态树并进入休眠状态；3)动态树的重构31)当目标在移动中离开了动态树根节点的探测范围时，根节点向汇聚节点发送动态树重构的消息，网络进入重构过程；32)汇聚节点向整个网络广播动态树重构的消息，所有可以探测到目标当前位置的节点都参与重构，根据第一阶段所述的方法，这些节点选举出新的动态树根节点，并建立新的动态树；33)动态树的重构完成后，新的根节点向汇聚节点发送重构已经完成的消息，之后网络返回步骤2)继续进行下一轮对目标的跟踪。有益效果:本发明给出一种无线传感网目标跟踪方法，该方法利用动态树对无线传感器网络目标跟踪方法进行优化，实现了网络结构的动态更新，降低了节点的能耗，提高了目标跟踪的效率。具体来说，本发明所述的方法具有如下的有益效果:(I)本发明所述的基于动态树的无线传感网目标跟踪方法引入动态树来组织网络结构，通过动态树调整传感器节点间的自组织结构，能够有效降低网络在目标跟踪过程中的节点能耗。(2)所述基于动态树的无线传感网目标跟踪方法选取距离目标真实位置最近的节点作为根节点来构造动态树，保证了目标跟踪任务始终由网络中最接近目标的节点来承担，提高了目标跟踪的精确程度。(3)所述基于动态树的无线传感网目标跟踪方法综合考虑了目标跟踪在节点能耗、任务分配、网络自组织与信息交换等方面的需要，为目标跟踪的数据采集与处理提供了一种高效节能的方法，保障了网络的稳定运行。
图1、应用实例流程图。图2、网络启动示意图。图3、节点广播距离 信息示意图。图4、网络选举根节点示意图。图5、树的动态扩展与裁剪示意图。图6、动态树重构过程示意图。
具体实施例方式在具体实施中，网络中的所有节点分布在目标活动区域内，如图2所示，用于该目标跟踪的无线传感网满足以下条件:(I)所有节点均匀分布在目标活动区域中，其地理位置都是固定的。(2)网络中的每个节点都能感知自己的空间坐标位置并与邻近区域内的其它节点通信。(3)除了汇聚节点以外的所有节点是同质同构的。除汇聚节点的能量是不受限制的之外，其它所有节点的能量都是有限的。(4)汇聚节点的通信覆盖范围足够大，可以与网络中的其它节点直接进行通信。( 5 )每个传感器节点都能探测到网络范围内跟踪目标的方向和与自身之间的距离。(6)节点可以在工作状态与休眠状态之间进行切换，在休眠状态下节点的能耗降低。下面给出本发明的一个具体应用实例，本实例的工作流程如图1所示:第一阶段:构建初始动态树步骤1.1:汇聚节点获得各个传感器节点地理位置信息各个传感器节点S1 S6向汇聚节点Sink发送自身的地理位置信息，之后进入休眠状态等待目标进入网络监视区域。如图1所示，当目标T进入网络的监视区域时，汇聚节点Sink唤醒网络中所有节点。各个节点探测自身与目标之间的距离，之后将距离信息发送到汇聚节点。由于目标不在节点S6的探测范围中，所以节点S6重新进入休眠状态。步骤1.2:传感器节点广播距离信息如图2所示，每个能够探测到目标的节点Si广播消息election (d” id,)给它的邻居节点，其中Cli是节点i到目标的距离，idi是节点SJA编号。同时节点也会收到邻居发来的election消息(+，idj，相邻节点中距离目标最近的将成为候选根节点。如图2中所示，节点Sp S3> S5成为动态树根节点的候选者。步骤1.3:网络选举动态树根节点如图3所示,各个候选根节点Si向其他候选节点洪泛消息winner ((Ii, Idi)。当节点i收到消息winner (dj, id」)，且d」< (Ii时此候选节点就放弃成为根节点，并依据接收到winner消息的路径，构造出指向节点j的路径。最后当所有其它候选节点都放弃时，与目标最接近的节点S3成为了动态树根节点。第二阶段:动态树的扩展与裁剪步骤2.1:动态树中节点探测目标位置、速度与运动方向动态树中的节点S1 S5探测目标T当前的位置、速度与运动方向，之后这些数据被逐层转发给动态树的根节点s3。S3再把这些数据发往汇聚节点Sink进行处理。步骤2.2:汇聚节点预测目标的位置 汇聚节点Sink通过目标运动公式(xk+1, yk+1) = (xk, yk) + (vxk, vyk) 计算目标T的预期位置。其中(xk，yk)是目标的位置坐标；(xk+1，yk+1)是目标的预期位置坐标；(vxk，vyk)是目标的移动速度是目标跟踪的时间周期。步骤2.3:动态树的扩展与裁剪如图4所示，汇聚节点Sink将目标的预期位置广播给网络中的所有节点，每个节点收到此信息后计算自身与此位置之间的距离。因为节点S6与目标间的距离小于其探测范围，S6进入工作状态并与最近的动态树中节点S5通信，将其设为自己的父节点。与此同时，动态树中节点S4发现目标离开了自身的探测范围，因此节点S4退出动态树并进入休眠状态。`第三阶段:动态树的重构步骤3.1:根节点通知汇聚节点开始重构动态树目标T在移动中离开了动态树根节点S3的探测范围，这时S3向汇聚节点Sink发送动态树重构消息。步骤3.2:网络选举新的根节点汇聚节点Sink广播重构消息，当前可以探测到目标位置的节点Sp S5, S6参与重构。如图5所示，依照阶段一中所述的方法，这些节点选举出新的动态树根节点S6，建立新的的动态树。步骤3.3:新的根节点通知汇聚节点动态树重构完成动态树的重构完成后，新的根节点S6向汇聚节点Sink发送重构完成的消息，之后网络返回第二阶段继续对目标进行跟踪。
权利要求
1.一种基于动态树的无线传感网目标跟踪方法，其特征在于该方法所包含的步骤为: 1)传感器节点构建初始动态树 11)汇聚节点启动网络，各个传感器节点向汇聚节点发送自身的地理位置信息，之后进入休眠状态等待目标进入网络监视区域； 12)当目标进入无线传感器网络的监视区域时，汇聚节点唤醒网络中的所有节点，各个节点探测自身与进入其监视范围的目标之间的距离，将该距离信息发送到汇聚节点，监视范围内没有目标的节点重新进入休眠状态； 13)节点i广播距离消息election(φ，Idi)给它的邻居节点，同时它也收到邻居节点j发来的距离消息election(dj, idj);如果不存在dj < (Ii的消息,节点i就成为动态树根节点的候选者，否则就放弃；所述的距离消息electionWi，id,)中，(Ii是节点i到目标的距离，Idi是节点i的编号，i是任意一个节点序号；距离消息election (dj, id」)中，d」是节点j到目标的距离，idj是节点j的编号，j是任意一个节点序号，j ^ i ； 14)每个根节点的候选节点洪泛选举消息winner(d” Idi)给其他候选节点；当节点i收到选举消息winner (dj, idj),且dj < (Ii时此候选节点就放弃成为根节点，同时它根据接收到选举消息的路径，构造出指向节点j的路径；最后当所有其它的候选节点都放弃成为根节点，与目标之间距离最短的节点就成为根节点； 2)动态树的扩展与裁剪 21)处于动态树中的各个传感器节点探测目标当前所处的位置、速度与运动方向，之后将这些数据发送给动态树中自己的父节点，父节点接收到数据之后再向更高一层的父节点转发，如此继续执行直到所有的信息都汇总在动态树的根节点中，根节点再将这些数据发往汇聚节点进行处理； 22)汇聚节点通过目标的运动公式计算目标在下一个跟踪周期中的预期位置，所述的目标运动公式为: (Xk+1.Yk+l) = (Xk.Yk) + (Vxk.Vyk) 其中，(xk, yk)是目标的位置坐标；(xk+1，yk+1)是目标的预期位置坐标；(vxk，vyk)是目标的移动速度是网络目标跟踪过程的时间周期； 23)汇聚节点计算出目标的预期位置后向整个网络广播此信息，节点收到此信息后计算自身与目标预期位置之间的距离；如果节点与目标间的距离小于自身的探测范围，则节点搜寻最近的动态树中的节点设为自己的父节点；如果一个动态树中的节点发现目标离开了自身的探测范围，则该节点退出动态树并进入休眠状态； 3)动态树的重构 31)当目标在移动中离开了动态树根节点的探测范围时，根节点向汇聚节点发送动态树重构的消息，网络进入重构过程； 32)汇聚节点向整个网络广播动态树重构的消息，所有可以探测到目标当前位置的节点都参与重构，根据第一阶段所述的方法，这些节点选举出新的动态树根节点，并建立新的动态树； 33)动态树的重构完成后，新的根节点向汇聚节点发送重构已经完成的消息，之后网络返回步骤2)继续进 行下一轮对目标的跟踪。
全文摘要
本发明给出一种基于动态树的无线传感网目标跟踪方法，该方法采用动态树优化基于无线传感网的目标跟踪中的网络自组织过程，包括构建初始树、动态树的扩展与裁剪、动态树的重构等过程，选取距离目标真实位置最近的节点作为根节点来构造动态树，保证目标跟踪任务始终由网络中最接近目标的节点来承担。本发明能够有效降低无线传感网在目标跟踪过程中的节点能耗，保证目标跟踪的高精确程度，保障基于无线传感网的目标跟踪稳定运行。
文档编号H04W84/18GK103249110SQ201310168440
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月8日 优先权日2013年5月8日
发明者陈志 , 李梦泽, 李宣东, 王林章, 迟文东 申请人:南京大学