無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動目標的定位與跟蹤技術(shù)研究

夏長林 孟慶勛

摘要：隨著我國社會發(fā)展，國民經(jīng)濟不斷提高，科學技術(shù)不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為當前通信以及計算機領(lǐng)域的研究重點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸應(yīng)用在各個領(lǐng)域，同時移動目標定位與跟蹤技術(shù)在民用以及軍事中應(yīng)用具有十分廣泛的前景，并且也是具有一定挑戰(zhàn)性的研究性課題?；诖耍撐姆治隽藷o線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及移動目標的定位與跟蹤技術(shù)需要解決的問題，同時探究了目標定位與跟蹤的主要指標要求。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);移動目標定位與跟蹤;解決問題;指標要求

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0249-02

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要由密集部署在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)大量微型傳感器節(jié)點通過無線通信方式自組織構(gòu)成。其中的傳感器節(jié)點具有有限的感知能力、電量、通信能力以及計算能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的信息獲取技術(shù)，其應(yīng)用范圍十分廣泛，主要應(yīng)用于目標探測與定位或者跟蹤等方面。由此可見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對于人類未來生活的影響十分深遠，積極開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究，對于國家發(fā)展以及經(jīng)濟提升具有十分重要的意義。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)硬件平臺是傳感器節(jié)點，一個節(jié)點其硬件構(gòu)成主要分為四個功能模塊。首先，傳感單元。傳感單元的主要任務(wù)是采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化[1]。其次，處理單元。處理單元的主要任務(wù)是控制整個傳感器節(jié)點的操作，同時儲存并處理傳感器采集的數(shù)據(jù)與其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。再次，無線通信單元。其主要任務(wù)是與其他傳感器節(jié)點之間開展無線通信，同時交換控制信息以及收發(fā)采集數(shù)據(jù)。最后，能量單元。能量單元承擔的主要任務(wù)是供應(yīng)傳感器節(jié)點所需要的能量。

隨具體應(yīng)用不同，傳感器節(jié)點中傳感單元的功能以及數(shù)量也是不同的，借助傳感單元可以探測諸多物理現(xiàn)象，當傳感單元感知到環(huán)境的各類參數(shù)后，通過ADC將連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)傳送至處理單元，同時傳感單元也可以接收控制命令，對參與工作的傳感器類型以及采樣頻率等進行控制。處理單元根據(jù)應(yīng)用程序發(fā)出的指令開展工作，不僅可以協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點各組成部分的工作，還可以處理相同任務(wù)傳感器之間的協(xié)作數(shù)據(jù)[2]。由于各單元間的數(shù)據(jù)流是雙向的，這就意味著，通信單元可以通過無線信道接收來自傳感器的數(shù)據(jù)并傳送到處理單元，也可以將已處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。能量單元需要供應(yīng)傳感單元、處理單元以及通信單元所需要的能量。現(xiàn)階段，傳感器節(jié)點的能量供應(yīng)主要依靠微型電池供電，是不可以進行補充的。同時由于一些特殊的應(yīng)用，一些節(jié)點還可能包含自移動裝置、定位裝置，甚至可能是能量產(chǎn)生裝置等。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，其應(yīng)用的范圍逐漸廣泛。第一，應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境感知。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初是由美國軍方所提出的，導(dǎo)致其最先應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境感知領(lǐng)域。同時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由低成本、密集型以及隨機分布的節(jié)點構(gòu)成，導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有良好的自組織性以及容錯能力，這就意味著，相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)某些節(jié)點受到惡意攻擊導(dǎo)致節(jié)點損害時，不會造成整個系統(tǒng)崩潰。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)十分適用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境。第二，應(yīng)用于環(huán)境檢測與預(yù)報。在十分復(fù)雜的環(huán)境下開展隨機性研究，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效地獲取數(shù)據(jù)信息[3]。例如，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于生物多樣性監(jiān)控、野生動植物棲息地生態(tài)環(huán)境監(jiān)控、河道水文監(jiān)測、水災(zāi)預(yù)警以及森林火情監(jiān)控等領(lǐng)域。第三，應(yīng)用于醫(yī)療護理。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝在住院病人身上，可以隨時了解病人的病情以及病人的身體各項機能情況。同時在患者體內(nèi)植入微型傳感器可以改善病人患病器官的功能。第四，應(yīng)用于智能建筑。將無線傳感器放置在建筑物內(nèi)，充分了解建筑物室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，以此作為居住環(huán)境控制以及危險警報的參考依據(jù)，可以為人類提供更適宜的居住環(huán)境。第五，應(yīng)用于空間探索。人們一直致力于外部星球的探索。通過借助航天器散布傳感器節(jié)點，有效實現(xiàn)對于外部星球的監(jiān)測。第六，其他應(yīng)用。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍十分廣泛，其還可以應(yīng)用于城市車輛，對城市車輛的位置、速度以及道路狀況進行監(jiān)測，獲取相應(yīng)的信息。還可以將其應(yīng)用于家用電器內(nèi)部，為人們的生活提供更為便利的條件。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點為規(guī)模巨大，節(jié)點電源容量以及節(jié)點硬件資源有限，自組織的組網(wǎng)模式，多跳的路由模式以及以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動目標的定位與跟蹤技術(shù)分析

2.1 無線傳感器的組織與路由

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于所有節(jié)點都是平等的，因此其并未具有嚴格的控制中心。在進行移動目標定位與跟蹤過程中，需要多個節(jié)點開展聯(lián)合傳感，同時對獲得的數(shù)據(jù)進行有效的融合與處理，進而提取出相應(yīng)的信息，這就導(dǎo)致在跟蹤移動目標的過程中存在局部節(jié)點自組織與路由的問題[4]。其中集中式，主要是由參與偵測的傳感器節(jié)點通過多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)輸送給服務(wù)器，移動目標的位置與軌跡會在服務(wù)器中產(chǎn)生，但是由于傳感器節(jié)點通信量巨大，同時延時較大，這樣的方式并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。靜態(tài)局部集中式，對隨機撒布形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不能有效控制其簇頭位置，當網(wǎng)絡(luò)拓撲無法人為控制時，此方法無效。動態(tài)局部集中式，在移動目標出現(xiàn)較為頻繁的情況下，極易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)黑洞，導(dǎo)致簇頭負擔過重。

2.2 目標出現(xiàn)的偵測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)傳感器節(jié)點的偵測信號對移動目標的出現(xiàn)情況進行判斷?，F(xiàn)階段，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對移動目標進行偵測，可以分為主動偵測與被動偵測。其中主動偵測就是指移動目標與傳感器節(jié)點之間是非敵對關(guān)系[5]，傳感器節(jié)點已經(jīng)明確移動目標所發(fā)出的信號，而被動偵測是指傳感器節(jié)點并不了解移動目標的具體特征，僅僅是通過聲波、磁場等普通特征進行偵測。主動偵測發(fā)現(xiàn)移動目標的概率遠大于被動偵測，同時誤判率較小，但在實際應(yīng)用中，這種情況只占一小部分，所以針對被動偵測的研究應(yīng)該是主要的方向。

2.3 產(chǎn)生初始區(qū)域或初始簇頭

當移動目標頻繁出現(xiàn)，就會被多個傳感器節(jié)點所感知，如何有效安排利用各個傳感器節(jié)點的信息，真正完成移動目標定位與跟蹤任務(wù)是當前急需解決的問題。通常初始區(qū)域或初始簇頭在選擇的過程中，應(yīng)有效減少信息貢獻量較少的節(jié)點或者信息冗余的傳感器節(jié)點的參與以及通信能量的消耗，并且還要保證移動目標的定位與跟蹤任務(wù)的精準度。通常的處理方式為構(gòu)建一個偵測區(qū)域（也稱協(xié)同組或樹），每一傳感器節(jié)點開展單獨的偵測，當測量值超出一定預(yù)設(shè)值，這一節(jié)點就會發(fā)送信息加入?yún)f(xié)同組，之后在協(xié)同組內(nèi)進行頭節(jié)點的選舉以及數(shù)據(jù)聯(lián)合判決與估計[6]。

2.4 目標定位

無線傳感器對移動目標定位的方法主要包括以下三種。第一，主動模式。這種方法是基于距離的，即測量傳感器節(jié)點之間的距離或者方位，主動模式中應(yīng)用較多的是接收信號強度指示（RSSI）這一跟蹤定位方法。一般而言，距離定位方法具有良好的精準度，但有兩點限制了這種方法的應(yīng)用：一是各傳感器節(jié)點之間需保持嚴格同步，二是消耗的能量較大。第二，被動模式。這種方法可用于與距離無關(guān)的定位，即對傳感器節(jié)點與移動目標之間的距離進行估計，再通過三邊測量法或估計法開展定位任務(wù)。第三，聲波衰減模型定位。其根據(jù)經(jīng)驗測量獲取較為接近實際的模型，這種方法還應(yīng)在定位誤差上進行提高。

2.5 目標軌跡估計與預(yù)測

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對移動目標位置數(shù)據(jù)的表示具有多種方式。首先，精確坐標值。數(shù)值表示在實現(xiàn)的過程中通常存在較大誤差，并且這種誤差隨著跟蹤過程的開展逐漸擴大，因此，這種方式主要應(yīng)用于精度不高的環(huán)境。其次，位置范圍表示與概率分布表示。這兩種方式都考慮了移動目標的位置存在多種可能性，因此具有較高的可信度，成為現(xiàn)在移動目標定位跟蹤數(shù)據(jù)表示的趨勢，但由于數(shù)據(jù)同樣存在不確定性，導(dǎo)致其在表達與計算的過程中復(fù)雜性增加。

移動目標的軌跡估計主要是利用所接受的一系列測量值，通過相應(yīng)的估計方法得出估計值，且估計值盡量符合目標的真實值。通常使用的估計方法包括取平均值、最大似然估計以及最小方差準則，現(xiàn)階段，移動目標跟蹤效果較好的方法為序貫估計法。

3 目標跟蹤的主要指標要求

理想的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動目標定位跟蹤技術(shù)具有良好的可拓展性、漸進精度特性、自適應(yīng)性、可靠性、實時性、高效節(jié)能等特點。在對移動目標進行定位與跟蹤的過程中，不僅需要考慮定位跟蹤精度以及反應(yīng)時間等指標，還要兼顧能量消耗等指標。其中能量消耗的主要部分有通信、傳感器以及處理器，通信能量消耗作為主要能量消耗。因此，在移動目標定位與跟蹤過程中，應(yīng)充分考慮傳感器的偵測周期以及安放策略，從而有效減少傳感器的能量消耗;通過設(shè)計有效算法，以降低處理器的能耗;減少數(shù)據(jù)傳輸與傳感器節(jié)點之間的交互，進而減少通信能耗。提高移動目標跟蹤精度，則需要融合較多的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，采用較為復(fù)雜的算法或者較多的信息。由此可見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動目標的定位與跟蹤精度與能量消耗之間是矛盾的。

4 總結(jié)

本文結(jié)合目前社會與科學技術(shù)發(fā)展形勢，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動目標的定位與跟蹤技術(shù)進行了相關(guān)的分析和研究，從本文的研究與探討中了解到，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的信息技術(shù)，通過分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)、應(yīng)用與特點，進而提出在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，移動目標的定位與跟蹤技術(shù)需要解決的問題以及移動目標跟蹤的主要指標要求，促使這一技術(shù)更好的應(yīng)用于移動目標定位與跟蹤過程，從而推動社會更為長遠的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 趙亞鳳，任洪娥.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同時定位與跟蹤[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（5）：55-58.

[2] 葛琰.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位與目標跟蹤算法研究[D].電子科技大學，2017.

[3] 肖紫陽.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動目標跟蹤系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].浙江工業(yè)大學，2016.

[4] 趙強.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速移動節(jié)點定位研究[D].蘭州交通大學，2017.

[5] 周炳朋.基于統(tǒng)計貝葉斯分析的無線定位和跟蹤技術(shù)研究[D].西南交通大學，2016.

[6] 史秀紡.復(fù)雜因素影響下的定位跟蹤問題研究[D].浙江大學，2016.