專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對(duì)很多無(wú)人監(jiān)守的區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控具有重要意義，如輸油管道是石油傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)該地區(qū)的監(jiān)視和保護(hù)意義重大；邊境地區(qū)的戰(zhàn)略意義重大，對(duì)該區(qū)域的監(jiān)視和防護(hù)關(guān)系到國(guó)家主權(quán)和領(lǐng)土安全。而在科技水平發(fā)達(dá)的今天，傳統(tǒng)的攝像頭監(jiān)控和無(wú)人機(jī)監(jiān)視等措施已無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，而提供一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤方法及系統(tǒng)，彌補(bǔ)攝像頭在惡劣條件下成像不清晰、且需要M小時(shí)派人值守等不足，對(duì)輸油管道或邊境地區(qū)進(jìn)行全天候不間斷監(jiān)控，對(duì)進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的入侵目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤，輔助指揮員制定處置方案并協(xié)助對(duì)入侵目標(biāo)的打擊。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算中心和監(jiān)控中心四個(gè)基本部分組成，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感模塊、通信模塊、處理器模塊和電源模塊組成，人工將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)控區(qū)內(nèi)，各無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相互無(wú)線通信，并將數(shù)據(jù)信號(hào)傳感給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，自組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB接口與計(jì)算中心相聯(lián)，計(jì)算中心通過(guò)視頻信號(hào)線與監(jiān)控中心相聯(lián)。上述技術(shù)方案中，所述的監(jiān)控區(qū)包括輸油管道或邊境地區(qū)。上述技術(shù)方案中，所述的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括通信模塊和處理器模塊，通信模塊采用 MTS300CA傳感板，處理器模采用具有USB接口的MIB520CB。上述技術(shù)方案中，所述的計(jì)算中心為帶有存儲(chǔ)功能的服務(wù)器或計(jì)算機(jī)。上述技術(shù)方案中，監(jiān)控中心由一個(gè)或多個(gè)顯示器組成。一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤方法，由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算中心和監(jiān)控中心四個(gè)基本部分組成，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，其具體方法是
(1)將一定數(shù)量的具有某種信號(hào)感知功能的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或按特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署在需要監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)；
(2)部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)若干傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定路由協(xié)議自組織成為一個(gè)多跳路由網(wǎng)絡(luò)，并按照一定的時(shí)間周期向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知信號(hào)數(shù)據(jù)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也按相同時(shí)間周期將收集到的各節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)回計(jì)算中心進(jìn)行處理；
(3)對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行多次柵格劃分，將其按精度需求分為若干單元格，按照一定原則賦予每個(gè)單元格一個(gè)標(biāo)識(shí)；
(4)一旦有入侵目標(biāo)出現(xiàn)在傳感網(wǎng)絡(luò)感知范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)探測(cè)到目標(biāo)發(fā)出信號(hào)(如聲音、光照或電磁波等)并將其發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集到各節(jié)點(diǎn)發(fā)回的感知信號(hào)后，將信號(hào)集傳回計(jì)算中心進(jìn)行處理；計(jì)算中心根據(jù)傳回的探測(cè)信號(hào)和已知的單元格標(biāo)識(shí)， 按照多層?xùn)鸥駫呙璺椒ㄕ业侥繕?biāo)所在的位置，并將位置信號(hào)發(fā)給監(jiān)控中心；監(jiān)控中心實(shí)時(shí)顯示計(jì)算中心發(fā)回的目標(biāo)位置信息，并描繪出目標(biāo)入侵的路徑，與此同時(shí)，采取相應(yīng)措施對(duì)目標(biāo)實(shí)施阻止或打擊。上述技術(shù)方案中，所述的具有某種信號(hào)感知功能的傳感器節(jié)點(diǎn)包括光照、聲音或電磁波傳感器節(jié)點(diǎn)。上述技術(shù)方案中，所述的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或按特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署在需要監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)，具體方案如下
因?yàn)闊o(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，所以節(jié)點(diǎn)的密度必須達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)，才可以保證傳感器節(jié)點(diǎn)能自組織成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，順利完成節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的通
fn °本系統(tǒng)中使用的XM2110CA射頻板的感知范圍室外理論上>30m，為保證其感知目標(biāo)的可靠性，我們?cè)诓渴饌鞲衅鲿r(shí)，保證每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在方圓15m內(nèi)至少有2 3個(gè)鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)，部署后的傳感器密度約為3(Γ50個(gè)/Km2 ；此外，由于監(jiān)控區(qū)域的特殊性——輸油管道或邊防線，部署區(qū)域一般呈帶狀。部署方式為保證部署的傳感器節(jié)點(diǎn)達(dá)到應(yīng)有密度以及傳感器節(jié)點(diǎn)的脆弱性，采取人工的方式進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的部署。在人工安放傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，一般選擇地形平坦或凸出的干燥地面進(jìn)行部署。本發(fā)明的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大量密集部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)、具有通信與計(jì)算能力的智能傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，能夠根據(jù)環(huán)境自主地完成指定任務(wù)。在輸油管道或邊境地區(qū)，部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以彌補(bǔ)攝像頭在惡劣條件下成像不清晰、且需要M小時(shí)派人值守等不足，可對(duì)輸油管道或邊境地區(qū)進(jìn)行全天候不間斷監(jiān)控，對(duì)進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的入侵目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤，輔助指揮員制定處置方案并協(xié)助對(duì)入侵目標(biāo)的打擊。本發(fā)明通過(guò)將低能耗的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或按一定拓?fù)洳渴鹪谳斢凸艿阑蜻吘车貐^(qū)內(nèi)，自組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有目標(biāo)入侵時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)回計(jì)算中心，計(jì)算中心根據(jù)多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)回的探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列完成對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位；在不間斷的定位過(guò)程中， 完成對(duì)目標(biāo)入侵路徑的預(yù)測(cè)，為及時(shí)并準(zhǔn)確追蹤和打擊入侵目標(biāo)提供寶貴信息。本發(fā)明采用先進(jìn)的電子傳感器技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，成功地將高效、準(zhǔn)確、及時(shí)、智能化的高科技技術(shù)，應(yīng)用于我國(guó)經(jīng)濟(jì)、國(guó)防等領(lǐng)域，意義重大。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明硬件平臺(tái)構(gòu)建方案示意圖； 圖3為本發(fā)明傳感器節(jié)點(diǎn)部署示意圖； 圖4為選取目標(biāo)定位跟蹤的矩形區(qū)域圖； 圖5為全監(jiān)控范圍的第一層單元格劃分圖； 圖6為重點(diǎn)區(qū)域的第二層單元格劃分圖； 圖7為最匹配單元格區(qū)域4圖8為系統(tǒng)方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖8，本發(fā)明的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)1、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)2、計(jì)算中心3和監(jiān)控中心4四個(gè)基本部分組成，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感模塊、通信模塊、處理器模塊和電源模塊組成，人工將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)控區(qū)內(nèi)，各無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相互無(wú)線通信，并將數(shù)據(jù)信號(hào)傳感給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，自組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB接口與計(jì)算中心相聯(lián)，計(jì)算中心通過(guò)視頻信號(hào)線與監(jiān)控中心相聯(lián)，所述的監(jiān)控區(qū)包括輸油管道5或邊境地區(qū)，所述的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括通信模塊和處理器模塊，通信模塊采用MTS300CA傳感板，處理器模采用具有USB接口的MIB520CB，所述的計(jì)算中心為帶有存儲(chǔ)功能的服務(wù)器或計(jì)算機(jī)，監(jiān)控中心由一個(gè)或多個(gè)顯示器組成。這種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤方法，由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算中心和監(jiān)控中心四個(gè)基本部分組成基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，其具體方法是
(1)將一定數(shù)量的具有某種信號(hào)感知功能(如光照、聲音、電磁波等)的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或按特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署在需要監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)；
(2)部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)若干傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定路由協(xié)議自組織成為一個(gè)多跳路由網(wǎng)絡(luò)，并按照一定的時(shí)間周期向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知信號(hào)數(shù)據(jù)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也按相同時(shí)間周期將收集到的各節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)回計(jì)算中心進(jìn)行處理；
(3)對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行多次柵格劃分，將其按精度需求分為若干單元格，按照一定原則賦予每個(gè)單元格一個(gè)標(biāo)識(shí)；
(4)一旦有入侵目標(biāo)出現(xiàn)在傳感網(wǎng)絡(luò)感知范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)探測(cè)到目標(biāo)發(fā)出信號(hào)(聲音、光照或電磁波等)并將其發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集到各節(jié)點(diǎn)發(fā)回的感知信號(hào)后， 將信號(hào)集傳回計(jì)算中心進(jìn)行處理；計(jì)算中心根據(jù)傳回的探測(cè)信號(hào)和已知的單元格標(biāo)識(shí)，按照多層?xùn)鸥駫呙璺椒ㄕ业侥繕?biāo)所在的位置，并將位置信號(hào)發(fā)給監(jiān)控中心；監(jiān)控中心實(shí)時(shí)顯示計(jì)算中心發(fā)回的目標(biāo)位置信息，并描繪出目標(biāo)入侵的路徑，與此同時(shí)，采取相應(yīng)措施對(duì)目標(biāo)實(shí)施阻止或打擊。上述的具有某種信號(hào)感知功能的傳感器節(jié)點(diǎn)包括光照、聲音或電磁波傳感器節(jié)
點(diǎn)ο上述的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或按特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署在需要監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)，具體方案為
因?yàn)闊o(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，所以節(jié)點(diǎn)的密度必須達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)，才可以保證傳感器節(jié)點(diǎn)能自組織成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，順利完成節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的通本系統(tǒng)中使用的XM2110CA射頻板的感知范圍(室外)理論上>30m，為保證其感知目標(biāo)的可靠性，我們?cè)诓渴饌鞲衅鲿r(shí)，保證每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在方圓15m內(nèi)至少有2 3個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，部署后的傳感器密度約為3(Γ50個(gè)/Km2 ；此外，由于監(jiān)控區(qū)域的特殊性——輸油管道或邊防線，部署區(qū)域一般呈帶狀。部署方式為保證部署的傳感器節(jié)點(diǎn)達(dá)到應(yīng)有密度以及傳感器節(jié)點(diǎn)的脆弱性，采取人工的方式進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的部署。在人工安放傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，一般選擇地形平坦或凸出的干燥地面進(jìn)行部署。下面對(duì)本發(fā)明的硬件平臺(tái)和軟件方法平臺(tái)分別作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明 硬件平臺(tái)
系統(tǒng)總體構(gòu)建方案
本系統(tǒng)硬件平臺(tái)的具體構(gòu)建方案如圖2所示。其中涉及到的具體硬件設(shè)備及其技術(shù)指標(biāo)如下 1傳感器節(jié)點(diǎn)
一個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感模塊、通信模塊、處理器模塊和電源模塊組成。本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感模塊采用Crossbow公司生產(chǎn)的MTS300CA傳感板，通信模塊、處理器模塊和電源模塊采用三個(gè)模塊相結(jié)合的Crossbow公司生產(chǎn)的XM2110CA處理器/射頻板。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)
本系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由通信模塊和處理器模塊組成。與傳感器的通信模塊相同，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信模塊也采用MTS300CA傳感板；處理器模塊則采用Crossbow公司生產(chǎn)的具有 USB接口的MIB520CB。另外，還有其它品牌的傳感器和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可供選擇。計(jì)算中心
計(jì)算中心是帶有存儲(chǔ)功能的服務(wù)器或計(jì)算機(jī)，主要用于傳感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和對(duì)數(shù)據(jù)的處理；軟件功能的核心部分在此實(shí)現(xiàn)，后面章節(jié)會(huì)講到計(jì)算中心對(duì)數(shù)據(jù)的具體處理過(guò)程。計(jì)算中心可采用普通PC機(jī)，如華碩A8 jr系列筆記本，CPU為htel Core Duo,主頻1. 73GHz ；內(nèi)存512MB，硬盤(pán)80GB ；操作系統(tǒng)使用WindowXP。監(jiān)控中心
監(jiān)控中心由一個(gè)或多個(gè)顯示器組成，如三星品牌的液晶顯示器；其功能主要用于輸出計(jì)算中心的處理后得到的有關(guān)入侵目標(biāo)的圖像和視頻信號(hào)。信號(hào)流程
各無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)M05 MHz^2480MHz的無(wú)線電波相互通信或?qū)?shù)據(jù)信號(hào)傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB接口與計(jì)算中心相聯(lián)；計(jì)算中心通過(guò)視頻信號(hào)線與監(jiān)控中心相聯(lián)。傳感器節(jié)點(diǎn)部署方案
因?yàn)闊o(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，所以節(jié)點(diǎn)的密度必須達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)，才可以保證傳感器節(jié)點(diǎn)能自組織成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，順利完成節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的通本系統(tǒng)中使用的XM2110CA射頻板的感知范圍(室外)理論上>30m，為保證其感知目標(biāo)的可靠性，我們?cè)诓渴饌鞲衅鲿r(shí)，保證每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在方圓15m內(nèi)至少有2 3個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，部署后的傳感器密度約為3(Γ50個(gè)/Km2 ；此外，由于監(jiān)控區(qū)域的特殊性——輸油管道或邊防線，部署區(qū)域一般呈帶狀，如圖3所示。部署方式為保證部署的傳感器節(jié)點(diǎn)達(dá)到應(yīng)有密度以及傳感器節(jié)點(diǎn)的脆弱性，采取人工的方式進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的部署。在人工安放傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，一般選擇地形平坦或凸出的干燥地面進(jìn)行部署。軟件方法平臺(tái)本系統(tǒng)軟件平臺(tái)中涉及到的具體方法或算法有(1)監(jiān)測(cè)區(qū)域圖的多層?xùn)鸥駝澐郑?(2)探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列的生成；(3)柵格掃描和匹配；(4)預(yù)測(cè)點(diǎn)估算。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，對(duì)各技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。(一)圖的預(yù)處理(多層?xùn)鸥駝澐?
在進(jìn)行目標(biāo)定位跟蹤之前，首先對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行圖的處理，即將監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行柵格劃分，并計(jì)算每個(gè)單元格的節(jié)點(diǎn)序列作為柵格標(biāo)識(shí)。1.區(qū)域選取
為便于進(jìn)行柵格劃分，一般選取矩形區(qū)域。如圖4所示，選取監(jiān)控區(qū)域后作矩形ABCD， 長(zhǎng)和寬的距離分別為a和b ；假設(shè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)部署有編號(hào)為廣6的6個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，。2.第一層單元格劃分、標(biāo)識(shí)
選取了監(jiān)控區(qū)域之后，首先進(jìn)行第一層單元格的劃分。根據(jù)矩形區(qū)域的長(zhǎng)寬比，確定縱
橫柵格線的條數(shù)比，即A，以此保證劃分的單元格為正方形。一般第一層單元
格劃分的粒度要盡量大，但也不失一定的精度。如圖5所示，將第一層單元格劃分為5X10 (假設(shè)a:b=2:l)。劃分完成后，對(duì)單元格進(jìn)行編號(hào)，從左上角開(kāi)始，沿橫軸依次為(1，1)， (1，2)，(1，3)···;沿縱軸依次為(1，1)， (2，1)，(3，1)…。單元格劃分后要進(jìn)行對(duì)每個(gè)單元格進(jìn)行標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)方法如下對(duì)于單元格(i，j)， 計(jì)算其中心點(diǎn)到各傳感器節(jié)點(diǎn)的直線距離；假設(shè)該監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有η個(gè)節(jié)點(diǎn)，則得到η個(gè)距
離值，將η個(gè)距離值按節(jié)點(diǎn)編號(hào)進(jìn)行排序，即得到該單元格的標(biāo)號(hào)俱少 > ,S-^)。這
樣，第一層?xùn)鸥駝澐趾?，每個(gè)單元格都一個(gè)標(biāo)識(shí)，如圖中單元格(1，1)的標(biāo)識(shí)為0，1，3， 4，6，5)。3.多層單元格劃分、標(biāo)識(shí)
由于第一層?xùn)鸥駝澐值牧６容^大，所以一般不能滿足定位跟蹤精度的需要，由此提出對(duì)第一層單元格進(jìn)行二次、三次，甚至更多次的劃分和標(biāo)識(shí)，將單元格的尺寸進(jìn)一步縮小， 直至滿足精度需求。從第二層往后的單元格劃分與第一層有所不同，它不是對(duì)監(jiān)控區(qū)域全范圍的劃分，而是選取目標(biāo)出現(xiàn)可能性較大的重點(diǎn)區(qū)域的劃分。如圖6所示，對(duì)第一層單元格(1， 1)、(1，2) “2，1),(2, 2)每個(gè)進(jìn)行3X3的二次單元格劃分。二次劃分完成后，在劃分區(qū)域內(nèi)仿照一次劃分進(jìn)行編號(hào)，并計(jì)算每個(gè)二次單元格的標(biāo)識(shí)。若二次單元格劃分后，精度仍達(dá)不到要求，可進(jìn)行三次、四次等多次單元格劃分， 方法同二次單元格劃分類(lèi)似。但單元格劃分到一定程度后，精度不再提高。理論上可以證明，當(dāng)監(jiān)控范圍內(nèi)有η個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，有效單元格劃分?jǐn)?shù)為η2Χη2，即上圖部署有6個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，最高可以進(jìn)行36X36的單元格劃分，更精細(xì)的劃分不會(huì)帶來(lái)定位跟蹤精度的進(jìn)
一步提尚。說(shuō)明“多層?xùn)鸥駝澐帧边@一部分主要是在目標(biāo)定位跟蹤之前，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)部署的監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行一次或多次(取決于柵格劃分次數(shù))圖的處理，這些預(yù)處理工作完全由系統(tǒng)中的“計(jì)算中心”部分完成，圖中的柵格信息(各層單元格標(biāo)識(shí))也存儲(chǔ)在計(jì)算中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中。(二)定位跟蹤目標(biāo)(多層?xùn)鸥駫呙?圖的預(yù)處理(多層?xùn)鸥駝澐?完成以后，一旦入侵目標(biāo)出現(xiàn)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)便可以按照以下5個(gè)步驟進(jìn)行的定位跟蹤
步驟(1)傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)傳輸各傳感器節(jié)點(diǎn)將感知到的信號(hào)(聲音、 光照或溫度等)按照GPSR多跳路由協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將收集到的各傳感器的信號(hào)經(jīng)無(wú)線或有線傳輸給計(jì)算中心(本系統(tǒng)采用的是USB有線連接)；
步驟( 生成探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列計(jì)算中心首先將傳回的信號(hào)做篩選，篩選完后將剩余的信號(hào)按強(qiáng)度大小排序，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)序列，稱(chēng)該序列為探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列， 計(jì)算中心接著對(duì)探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列的有效性進(jìn)行判斷，依此決定是否進(jìn)入下一步驟；
步驟C3)柵格掃描和匹配將探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列與當(dāng)前層的柵格標(biāo)識(shí)進(jìn)行匹配，得到最匹配的單元格編號(hào)；
步驟(4)預(yù)測(cè)點(diǎn)的估計(jì)計(jì)算中心計(jì)算這些單元格的質(zhì)心(最匹配單元格可能不止一個(gè))，并將計(jì)算得的質(zhì)心坐標(biāo)作為入侵目標(biāo)最可能出現(xiàn)的位置；連接歷次估測(cè)質(zhì)心，便得到了入侵目標(biāo)的預(yù)測(cè)入侵路徑；最后計(jì)算中心將最匹配單元格信息、質(zhì)心信息和路徑信息輸出到監(jiān)控中心；
步驟( 定位跟蹤信息顯示結(jié)合監(jiān)控區(qū)域地圖，監(jiān)控中心將最匹配單元格和這些單元格在監(jiān)視器上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，直觀地給監(jiān)控人員提供入侵目標(biāo)的地理位置信息，協(xié)助其對(duì)目標(biāo)進(jìn)行阻攔或打擊。步驟(1)由傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)按路由傳輸協(xié)議自發(fā)完成，步驟( 只關(guān)系到顯示器對(duì)信息的輸出顯示，這兩個(gè)過(guò)程的詳細(xì)情況略去。下面著重對(duì)定位跟蹤過(guò)程中的步驟(2) (3) (4)進(jìn)行詳細(xì)闡述。1.探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列的生成
(1)節(jié)點(diǎn)校準(zhǔn)
計(jì)算中心根據(jù)各節(jié)點(diǎn)在安靜狀態(tài)下傳回的信號(hào)強(qiáng)度值，計(jì)算得各節(jié)點(diǎn)的校準(zhǔn)值。計(jì)算節(jié)點(diǎn)i的校準(zhǔn)值方法為收集η次(n ^ 10)節(jié)點(diǎn)i在安靜狀態(tài)下信號(hào)強(qiáng)度值，然后求算術(shù)平均值，作為節(jié)點(diǎn)i的校準(zhǔn)值；
(2)信號(hào)篩選
計(jì)算中心將網(wǎng)關(guān)傳回的各節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值與各節(jié)點(diǎn)的校準(zhǔn)值做差，得到節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度變化，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度變化小于規(guī)定閾值時(shí)，丟棄該信號(hào)，否則保留信號(hào)及其節(jié)點(diǎn)編號(hào)；
(3)探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列
將保留下的信號(hào)序列按照強(qiáng)度值的由大到小排序，得到一個(gè)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)編號(hào)序列，這個(gè)序列稱(chēng)之為探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列。求信號(hào)序列的方差，當(dāng)方差值小于規(guī)定閾值時(shí)，丟棄該探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列，否則保留該探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列。2.柵格掃描和匹配 (1)單元格匹配
計(jì)算探測(cè)節(jié)點(diǎn)序列與當(dāng)前柵格層各單元格的標(biāo)識(shí)(一個(gè)全節(jié)點(diǎn)序列)的“匹配度”，則 “匹配度”最高的單元格為目標(biāo)最可能出現(xiàn)的位置； 計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)序列的“匹配度”方法定義如下 (a)設(shè)置“匹配度”的初始值為0;(b)當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)(如u和ν)同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)序列中且順序相同時(shí)，“匹配度”加1；
(c)當(dāng)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，如u在第一個(gè)序列中沒(méi)有出現(xiàn)，而在第二個(gè)序列中出現(xiàn)了(V， u)，則“匹配度”加1;
(d)當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)U、ν在兩個(gè)序列中都沒(méi)有出現(xiàn)，則“匹配度”加1；
一般地，將“匹配度”最高的單元格的質(zhì)心作為目標(biāo)的估測(cè)點(diǎn)，關(guān)于該估測(cè)點(diǎn)的計(jì)算過(guò)程在下一節(jié)介紹。(2)多層?xùn)鸥駫呙?br> 在進(jìn)行目標(biāo)定位跟蹤時(shí)，首先掃描第一層?xùn)鸥瘢M(jìn)行第一層的單元格匹配；確定了目標(biāo)在第一層的位置后，為提高定位精度，一般進(jìn)行第二層、第三次等多層?xùn)鸥駫呙?，直至滿足精度需求或達(dá)到精度上限為止；
因?yàn)樵凇岸鄬訓(xùn)鸥駝澐帧边^(guò)程中，各層單元格的信息已經(jīng)預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算中心，所以在 “多層?xùn)鸥駫呙琛睍r(shí)，只需從計(jì)算中心查詢和調(diào)用各層信息即可，方便快捷。3.預(yù)測(cè)點(diǎn)的估計(jì)
假定在部署有η個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，計(jì)算得當(dāng)前柵格層最匹配單元格坐標(biāo)分別為Ο^ΛλΟ^Μ工，(、，少》)，如圖7所示。則目標(biāo)位置的預(yù)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)由下面
公式給出
權(quán)利要求
1.一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，其特征在于由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算中心和監(jiān)控中心四個(gè)基本部分組成，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感模塊、通信模塊、處理器模塊和電源模塊組成，人工將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)控區(qū)內(nèi)，各無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相互無(wú)線通信，并將數(shù)據(jù)信號(hào)傳感給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，自組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB 接口與計(jì)算中心相聯(lián)，計(jì)算中心通過(guò)視頻信號(hào)線與監(jiān)控中心相聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的監(jiān)控區(qū)包括輸管或邊境地區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括通信模塊和處理器模塊，通信模塊采用MTS300CA傳感板，處理器模采用具有 USB 接口的 MIB520CB。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，其特征在于所述的計(jì)算中心為帶有存儲(chǔ)功能的服務(wù)器或計(jì)算機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，其特征在于監(jiān)控中心由一個(gè)或多個(gè)顯示器組成。
6.一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤方法，其特征在于由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算中心和監(jiān)控中心四個(gè)基本部分組成基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤系統(tǒng)，其具體方法是(1)將一定數(shù)量的具有某種信號(hào)感知功能的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或按特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署在需要監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)；(2)部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)若干傳感器節(jié)點(diǎn)按照一定路由協(xié)議自組織成為一個(gè)多跳路由網(wǎng)絡(luò)，并按照一定的時(shí)間周期向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知信號(hào)數(shù)據(jù)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也按相同時(shí)間周期將收集到的各節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)回計(jì)算中心進(jìn)行處理；(3)對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行多次柵格劃分，將其按精度需求分為若干單元格，按照一定原則賦予每個(gè)單元格一個(gè)標(biāo)識(shí)；(4)一旦有入侵目標(biāo)出現(xiàn)在傳感網(wǎng)絡(luò)感知范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)探測(cè)到目標(biāo)發(fā)出信號(hào)并將其發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集到各節(jié)點(diǎn)發(fā)回的感知信號(hào)后，將信號(hào)集傳回計(jì)算中心進(jìn)行處理；計(jì)算中心根據(jù)傳回的探測(cè)信號(hào)和已知的單元格標(biāo)識(shí)，按照多層?xùn)鸥駫呙璺椒ㄕ业侥繕?biāo)所在的位置，并將位置信號(hào)發(fā)給監(jiān)控中心；監(jiān)控中心實(shí)時(shí)顯示計(jì)算中心發(fā)回的目標(biāo)位置信息，并描繪出目標(biāo)入侵的路徑，與此同時(shí)，采取相應(yīng)措施對(duì)目標(biāo)實(shí)施阻止或打擊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤方法，其特征在于所述的具有某種信號(hào)感知功能的傳感器節(jié)點(diǎn)包括光照、聲音或電磁波傳感器節(jié)點(diǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤方法，其特征在于所述的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或按特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署在需要監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)，具體方案為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，所以節(jié)點(diǎn)的密度必須達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)，才能保證傳感器節(jié)點(diǎn)能自組織成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，完成節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的通信，在方圓15m內(nèi)至少有2 — 3個(gè)鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)，部署后的傳感器密度約為30 — 50個(gè)/km2。
全文摘要
一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)定位跟蹤方法及系統(tǒng)，由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算中心和監(jiān)控中心四個(gè)基本部分組成，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感模塊、通信模塊、處理器模塊和電源模塊組成，人工將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)控區(qū)內(nèi)，各無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相互無(wú)線通信，并將數(shù)據(jù)信號(hào)傳感給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，自組成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB接口與計(jì)算中心相聯(lián)計(jì)算中心通過(guò)視頻信號(hào)線與監(jiān)控中心相聯(lián)。本發(fā)明能對(duì)輸油管道或邊境地區(qū)進(jìn)行全天候不間斷監(jiān)控，對(duì)進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的入侵目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤，輔助指揮員制定處置方案并協(xié)助對(duì)入侵目標(biāo)的打擊。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102573052SQ20111009179
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者樂(lè)俊, 唐九陽(yáng), 唐國(guó)明, 張羽中, 徐浩, 楊曉亮, 湯大權(quán), 肖衛(wèi)東, 謝羿 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)