基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，該系統采用層次邏輯結構設計，分別為感知層、網絡通訊層、應用層，為了避免多目標跟蹤過程中所帶來的網絡中的沖突，采用了一種基于任務的自適應分簇節點調度策略；提出了基于事件驅動的卡爾曼濾波定位跟蹤算法，利用收斂速度更快的最小二乘法修正卡爾曼濾波當前狀態值，實現對傳感器網絡內多個移動機器人的定位跟蹤。系統采用雙令牌工作方式并結合基于任務的動態時隙分配方法實時高效地完成網絡任務。系統采用自適應分簇的節點調度方法，能自動將測量數據按照運動目標分簇，突破以往局限于單目標跟蹤的工作模式，實現了多目標的實時跟蹤功能和基于無線網絡的遠程反饋控制。
【專利說明】基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)、目標定位跟蹤和網絡化反饋控制技術，特別涉及一種基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，該系統適用于無線傳感器網絡和網絡化機器人，網絡化機器人置于無線傳感器網絡中，作為移動目標和控制對象。無線傳感器網絡采用基于事件驅動的擴展卡爾曼濾波定位算法和自適應分簇的調度策略，綜合運用單向廣播時鐘同步、分時傳輸協議、測距與通信信道分開、網格切換邊緣監測保護等多種機制，對網絡中的移動機器人進行基于事件驅動的實時跟蹤定位，形成一個反饋控制系統。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡(wireless sensor network, WSN)是21世紀的研究熱點。它是計算機、通信、控制和傳感器等多學科技術交叉結合的產物，也是集信息獲取、傳輸與處理三個過程于一體的復雜測控系統。無線傳感器網絡由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通訊網絡，這些裝置使用傳感器協作地監控不同位置的物理或環境狀況(比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物)。這些裝置稱為節點(mote)，是整個網絡中的重要組成部分，具備數據采集、數據處理和無線通信等功能，且具有體積小，功耗低等特點，容易快速得大面積部署到需要監控的區域中。傳感器節點通過傳感器把物理信息轉化成數字信號，通過中間節點進行一系列的數據處理，并以單跳或多跳的方式傳輸給匯聚節點，匯聚節點通過網關與上位機相連來實現網絡的自動監測，同時還能通過Internet把數據傳輸到遠處的監控中心來實現遠程監控。
[0003]目標定位和跟蹤是無線傳感器網絡的一項重要應用。在定位跟蹤研究方面，通過無線傳感器網絡平臺來進行目標跟蹤定位的第一個實驗平臺是1992年AT&T實驗室的Cambridge開發出室內定位系統Active Badge系統，目標自身需攜帶能夠發射信號的設備，服務器接收到信號后進行分析得出目標位置。基于RSSI的定位系統也得到了廣泛的應用。但這一類定位系統只能對已知目標進行跟蹤，而不能跟蹤未知目標，比如安防的防入侵系統，導彈的防御體系，對于需要跟蹤的目標是不能進行通信，這時候需要定位系統能夠進行主動定位。
[0004]根據跟蹤目標的數目可以分為:單目標跟蹤和多目標跟蹤。單目標跟蹤的研究在理論和工程上都已經取得了很多的研究成果。新加坡南洋理工大學開發了利用超聲波傳感器進行主動式測量的定位系統，在室內環境下能夠對單個移動目標進行跟蹤，在低速運行下跟蹤效果良好。多目標跟蹤的研究很多只限于理論層面，建立了很多仿真平臺，如杭州電子科大的多機動目標跟蹤算法與仿真平臺開發；東南大學的分布式多傳感器多目標數據融合算法；國防科技大學的多雷達多目標跟蹤仿真系統；王換招等人提出了改進的模糊聚類平均算法，將每一批觀測數據按照航跡估計位置的關聯門限進行劃分，然后分別對航跡和關聯門限內的采集信息進行模糊關聯，再把獲得的最大關聯度數據分配給各條航跡作為目標的實際位置。陶良鵬等人[12]提出了根據監聽到的節點信號之間的相關性來解決目標計數的問題，利用節點檢測到的信號強度對節點進行粗略分簇，使每個簇對應一個或多個相距較近的目標，然后在簇內計算不同節點采集到的信號的相關度，將信號相關度較大的節點劃分為一組并對應一個目標，以節點組的數目估計目標個數。無線傳感器網絡具有節點數量多、體積小、低功耗等優點，但同時伴隨而來的是電池能量有限、計算資源和通信資源受限等缺點。所以在涉及到具有大量節點的無線傳感器網絡時，怎樣進行合理有效的資源調度和分配，讓節點在保證精度和實時性的同時，能夠進行自組織的快速部署，以最大程度地達到節省能量的目的，延長整個網絡的使用壽命，成為了無線傳感器網絡發展的熱點問題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，該系統以最大程度地節省檢測層節點的能量，節省網絡層收發無線射頻信號的能量和通信帶寬。基于自適應簇的節點調度策略使得傳感器網絡中任何時刻工作的節點都是變化的，檢測工作與通信工作同時進行，且相互獨立，可以極大地提高整個網絡的工作效率及其實時性。每個周期更新定位坐標時，采用基于單點觀測值的改進型擴展卡爾曼濾波算法，只需用當前周期單個節點的單個測距值，即可實時更新移動目標的坐標，提高了系統的實時性。本發明引用了自組織、自適應簇的概念，使用基于自適應簇的網絡調度策略，并加入了合理的預測機制，通過卡爾曼算法進行二次預測，防止了目標丟失等情況的發生，也降低了整個網絡的總體功耗，節省節點有限的能量資源和通信資源。
[0006]本發明的目的通過下述技術方案實現:一種基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，包括如下部分:分布式測量節點、基站、無線通信轉USB網關、數據服務中心、輪式移動機器人；所述分布式測量節點由12個兼具測量和無線通信功能的超聲波傳感器節點均勻分布而成，節點按3X4排列，其被分為6個網格，包含4個節點；所述基站是在無線網絡覆蓋區中，負責整個無線網絡的資源分配和信息解析；所述無線通信功能轉USB網關是負責基站和上位機之間的信息傳遞，實現上下行雙向通信；所述的數據服務中心采集無線傳感器網絡的測量原始數據，通過數據融合定位算法得到目標的位置信息，繪制目標軌跡曲線并存儲歷史數據，產生新的工作令牌通過網關傳遞給基站。所述輪式移動機器人接受基站的數據信息和控制指令，可在網絡范圍內任意移動。
[0007]所述的兼具測量和無線通信功能的超聲波傳感器節點包括I個超聲波測距模塊、I個傳感器擴展接口模塊、I個兼具無線通信功能的數據處理單元和I個電源模塊。
[0008]所述的兼具測量和無線通信功能的超聲波傳感器節點，超聲波測距模塊采用6個SRF08超聲波傳感器，每個SRF08超聲波傳感器均有60度的有效測量角度，超聲波測距模塊可實現平面范圍360度的全方位測距。傳感器擴展接口模塊采用Crossbow公司的MDA100設備。兼具無線通信功能的數據處理單元采用Crossbow公司的MPR2400CA模塊，也稱其為節點無線收發子站。
[0009]所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，無線傳感器網絡的基站包括2個兼具通信功能數據處理單元MRP2400CA，分別與兩個網關模塊相連，其中一個分管數據和信令的上行鏈路，用于接收來自所述分布式測量節點的無線信號；另一個分管數據的下行鏈路，用于發送無線信號至分布式測量節點和所述輪式移動機器人。
[0010]所述無線傳感器網絡的網關，網關模塊采用Crossbow公司的MIB520網關設備，其能實現ZigBee - USB網關功能。
[0011]所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，無線傳感器網絡的數據服務中心采用搭載Ubuntul0.10版本Linux實時操作系統的高性能計算機(PersonalComputer),基于Linux操作系統編寫的上位機實時監測與控制軟件運行于該計算機上。
[0012]所述的無線傳感器網絡的分布式測量節點，超聲波測距模塊和傳感器擴展接口模塊通過基于12C協議的雙向串行接口連接。電源模塊可分別提供6V和3.3V電源，其中6V電源與超聲波測距模塊連接，3.3V電源與傳感器擴展接口模塊連接。
[0013]所述的無線傳感器網絡的基站，基站與分布式測量節點之間是通過基于ZigBee協議的空中接口連接，實現無線通信。
[0014]所述的無線傳感器網絡的網關，所述網關模塊和基站通過51Pin接口連接。網關模塊與所述數據融合中心的計算機及所述移動機器人的主控制器通過USB通用接口連接，實現UART通信。
[0015]所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，該系統采用時間片輪轉工作方式，其特征在于系統運作過程中，所有的節點都必須在自己的時隙里完成自身的任務，在多目標跟蹤過程中，基于任務的自適應分簇節點調度策略是允許多個節點同時打開超聲波進行測距的。系統正常工作包括如下步驟:
[0016](I)布置無線傳感器網絡，包括系統所需的軟硬件，將移動機器人放置于檢測網絡的有效范圍內；
[0017](2)開啟所有電源，整個無線傳感器網絡進行初始化，之后所有節點進入休眠待機狀態；
[0018](3)開啟數據服務中心的實時監測與控制軟件，通過點擊操作界面的開始按鈕來啟動整個系統，數據服務中心下達時鐘同步指令，通過基站發送端廣播給節點收發子站和移動接收子站，采用單向廣播同步的方式，使基站和所有傳感器節點達到時鐘同步，以避免時序混亂；
[0019](4)數據服務中心向基站發出搜索目標的初始化工作命令，基站收到命令后，根據基于任務的系統資源時隙分配方法產生網絡周期命令幀，其包含工作令牌和通信令牌及其相應的時隙分配系列，即根據預先設置的網格號和節點號，按照先網格后節點的順序逐個、輪流觸發檢測網絡的節點工作，并為其安排了具體的時隙；
[0020](5)節點收發子站接收到基站廣播的搜索目標命令，根據工作令牌和通信令牌確定每個節點是否具有工作或通信的權限。若某節點具有工作權限，則通過I2C串行接口觸發該節點的超聲波傳感器模塊工作，待測距完成后儲存相應數據，等待自己通信時隙到來時發送；若某節點具有通信權限且在自己通信時隙內，則開啟無線通信模塊，將該節點在上一工作周期儲存的測距值和其他相關參數經過編碼后通過ZigBee協議空中接口發送至基站，基站解碼后將有效測量數據和時標通過網關傳遞給數據融合中心。
[0021](6)數據服務中心的搜索目標命令將持續觸發并收集12個節點的采樣數據，若對整個網絡經過3輪搜索工作后，每一輪上傳有效測量數據的節點數都小于3時，則表示未在檢測網絡中發現目標，所有節點重新進入休眠狀態，節省能耗；若在一輪搜索中上傳有效數據的節點數不小于3，則表示成功發現目標，進入下一步；
[0022](7)數據服務中心對通過UART串口接收到的多個節點測量數據進行融合計算，計算出當前周期在網絡中的目標個數及其各自坐標。具體步驟:1、當系統開機階段運行周期未達到設定值時，采用最小二乘法，利用目標所在網格內所有節點的測量數據進行定位，確定目標位置的初始值；2、當系統運行周期達到設定值后，則采用基于事件驅動的卡爾曼濾波算法進行定位，若目標在網格邊緣區域還需綜合兩點畫圓求交點法和網格邊緣監測保護策略進行網格切換；3、若由于突發事件導致目標的丟失，則利用最小二乘法配合相鄰網格掃描法尋回目標；
[0023](8)數據服務中心將計算所得移動目標的坐標信息保存，并自動輸出至TXT文本文檔備份，且在上位機基于Linux操作系統開發的監測與控制操作軟件上以圖形和文本方式實時顯示移動目標當前周期的坐標信息和實時運動軌跡；
[0024](9)數據服務中心根據移動目標當前周期的位置等狀態信息，采取基于自組織自適應簇的調度策略:基于目標當前周期的狀態信息，綜合運用擴展卡爾曼濾波算法對目標下一周期的狀態進行預測，最終確定目標所在網格中最近鄰的2?4個節點作為下一周期的任務節點簇。確定下一周期任務節點簇的原則如下:將運用擴展卡爾曼濾波算法對目標預測得到的下一周期的任務節點簇與當前周期實際工作的任務節點簇進行比較:1、若預測任務節點中與當前工作節點一致的節點個數大于或等于預測任務節點與當前工作節點不一致的個數，則下一周期使用預測任務節點，形成工作令牌和通信令牌；2、若小于，則下一周期繼續使用當前工作節點，形成工作令牌和通信令牌。最終的工作令牌和通信令牌通過基站發送端廣播給節點收發子站；
[0025](10)通過點擊操作界面的啟動機器人、同相位協同控制、反相位協同控制或停止機器人等控制按鈕，實現數據服務中心下達對機器人的控制指令，通過基站發送端廣播給移動接收子站；
[0026](11)基站發送端將數據服務中心的最新生成的工作令牌、通信令牌等相關數據，以及來自對移動機器人的控制指令，廣播至節點收發子站和移動接收子站，實現數據下行傳輸；
[0027](12)節點收發子站接收到基站廣播的指令，根據工作令牌和通信令牌確定節點自身在當前工作周期內是否具有工作或通信的權限。若某節點具有工作權限，則等待自己的工作時隙到來時觸發該節點的超聲波傳感器模塊工作，待測距完成后儲存相應數據；若某節點具有通信權限，則等待自己的通信時隙到來時開啟無線通信模塊，將該節點在上一周期儲存的測距值和其他相關參數發送至基站，供數據服務中心融合數據給目標定位所用；
[0028](13)獲得工作令牌或通信令牌權限的工作節點，在測距完成或通信完成后，則查詢自身在本工作周期內是否還有待完成的任務，如果則繼續等待相應時間片的到來；否則休眠等待下一個工作周期的到來；
[0029](14)基站接收端接收自節點收發子站的數據，實現數據上行傳輸。數據接收完畢后，通過UART串口上傳至數據服務中心，進入下一輪的工作周期；
[0030](15)重復執行步驟(9)?(14)，持續監測與控制網絡和移動機器人，系統形成一個實時跟蹤反饋控制網絡。
[0031]所述步驟(4)中基于任務的分布式系統資源時隙分配方法包括下列步驟:[0032]4.1、根據分布式測量系統需要周期性進行時間同步的特點，將系統時間軸分割成N*Uk)，N為自然數，取決于系統時間長短，記Uk)為系統第k個時間同步周期，k =1，2，...，N。
[0033]4.2、在TeyeleGO開始時，分配Tsyn。(k) = 5ms，作為時鐘同步工作所需時間，同時分配TA (k) =IOms,作為超前檢測工作時間提前量，剩下時間記為時間片輪轉總量Trotate (k)，Tcycle (k) = Tsync (k) +TA (k) +Trotate (k)；
[0034]4.3、根據系統當前的任務負荷動態切割Trotate (k)，任務負荷量是由自適應分簇節點調度策略決定的，記當前Tqjk)內分簇數量為N—(k)，每個分簇內的節點數為 Nnode(k)，則 Trotate(k) = Nnode(k)*Ncluster(k)*(Tcomm+Tidle) + A (0)，其中△ (O)冗余時間量，為單個節點傳輸一幀數據所需的額定通信時間，Tidle信道隔離量，但是由于分簇調度是動態的，每一步執行的分簇結果有可能是不一樣的，因此上式可寫成
【權利要求】
1.基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，其特征在于，包括:分布式測量節點、基站、無線通信轉USB網關、數據服務中心和輪式移動機器人；所述分布式測量節點由12個兼具測量和無線通信功能的超聲波傳感器節點均勻分布而成，節點按3X4排列，其被分為6個網格，每個網格包含4個節點；所述基站是在無線網絡覆蓋區中，負責整個無線網絡的資源分配和信息解析；所述無線通信功能轉USB網關是負責基站和上位機之間的信息傳遞，實現上下行雙向通信；所述的數據服務中心采集無線傳感器網絡的測量原始數據，通過數據融合定位算法得到目標的位置信息，繪制目標軌跡曲線并存儲歷史數據，產生新的工作令牌通過網關傳遞給基站；所述輪式移動機器人接受基站的數據信息和控制指令，可在網絡范圍內任意移動。
2.根據權利要求1所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，其特征在于，所述兼具測量和無線通信功能的超聲波傳感器節點包括超聲波測距模塊、傳感器擴展接口模塊、數據處理單元和電源模塊； 所述超聲波測距模塊采用6個SRF08超聲波傳感器，每個SRF08超聲波傳感器均有60度的有效測量角度，超聲波測距模塊可實現平面范圍360度的全方位測距；傳感器擴展接口模塊采用Crossbow公司的MDA100設備，兼具無線通信功能的數據處理單元采用Crossbow公司的MPR2400CA模塊，也稱其為節點無線收發子站； 所述無線傳感器網絡的基站包括2個兼具通信功能數據處理單元MRP2400CA，分別與兩個網關模塊相連，其中一個分管數據和信令的上行鏈路，用于接收來自所述分布式測量節點的無線信號；另一個分管數據的下行鏈路，用于發送無線信號至分布式測量節點和所述輪式移動機器人； 所述網關模塊采用Crossbow公司的MIB520網關設備，用于實現ZigBee-USB網關； 所述無線傳感器網絡的數據服務中心采用搭載Ubuntul0.10版本Linux實時操作系統的高性能計算機，基于Linux操作系統編寫的上位機實時監測與控制軟件運行于該計算機上； 所述超聲波測距模塊和傳感器擴展接口模塊通過基于I2C協議的雙向串行接口連接，電源模塊可分別提供6V和3.3V電源，其中6V電源與超聲波測距模塊連接，3.3V電源與傳感器擴展接口模塊連接； 所述基站與分布式測量節點之間是通過基于ZigBee協議的空中接口連接，實現無線通信； 所述網關模塊和基站通過51Pin接口連接，網關模塊與所述數據融合中心的計算機及所述移動機器人的主控制器通過USB通用接口連接，實現UART通信。
3.根據權利要求2所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，該系統采用時間片輪轉工作方式，其特征在于，系統運作過程中，任何一項工作都只能在自己的時隙里完成自身的任務，在多目標跟蹤過程中，基于任務的自適應分簇節點調度策略允許多個節點同時打開超聲波進行測距的；系統正常工作包括如下步驟: (1)布置無線傳感器網絡，包括系統所需的軟硬件，將移動機器人放置于檢測網絡的有效范圍內； (2)開啟所有電源，整個無線傳感器網絡進行初始化，之后所有節點進入休眠待機狀態；(3)開啟數據服務中心的實時監測與控制軟件，通過點擊操作界面的開始按鈕來啟動整個系統，數據服務中心下達時鐘同步指令，通過基站發送端廣播給節點收發子站和移動接收子站，采用單向廣播同步的方式，使基站和所有傳感器節點達到時鐘同步，以避免時序混亂； (4)數據服務中心向基站發出搜索目標的初始化工作命令，基站收到命令后，根據基于任務的系統資源時隙分配方法產生網絡周期命令幀，其包含工作令牌和通信令牌及其相應的時隙分配系列，即根據預先設置的網格號和節點號，按照先網格后節點的順序逐個、輪流觸發檢測網絡的節點工作，并為其安排了具體的時隙； (5)節點收發子站接收到基站廣播的搜索目標命令，根據工作令牌和通信令牌確定每個節點是否具有工作或通信的權限；若某節點具有工作權限，則通過I2C串行接口觸發該節點的超聲波傳感器模塊工作，待測距完成后儲存相應數據，等待自己通信時隙到來時發送；若某節點具有通信權限且在自己通信時隙內，則開啟無線通信模塊，將該節點在上一工作周期儲存的測距值和其他相關參數經過編碼后通過ZigBee協議空中接口發送至基站，基站解碼后將有效測量數據和時標通過網關傳遞給數據融合中心； (6)數據服務中心的搜索目標命令將持續觸發并收集12個節點的采樣數據，若對整個網絡經過3輪搜索工作后，每一輪上傳有效測量數據的節點數都小于3時，則表示未在檢測網絡中發現目標，所有節點重新進入休眠狀態，節省能耗；若在一輪搜索中上傳有效數據的節點數不小于3，則表示成功發現目標，進入下一步； (7)數據服務中心對通過UART串口接收到的多個節點測量數據進行融合計算，計算出當前周期在網絡中的目標個數及其各自坐標；具體步驟為: i、當系統開機階段運行周期未達到設定值時，采用最小二乘法，利用目標所在網格內所有節點的測量數據進行定位，確定目標位置的初始值； I1、當系統運行周期達到設定值后，則采用基于事件驅動的卡爾曼濾波算法進行定位，若目標在網格邊緣區域還需綜合兩點畫圓求交點法和網格邊緣監測保護策略進行網格切換； II1、若由于突發事件導致目標的丟失，則利用最小二乘法配合相鄰網格掃描法尋回目標； (8)數據服務中心將計算所得移動目標的坐標信息保存，并自動輸出至TXT文本文檔備份，且在上位機基于Linux操作系統開發的監測與控制操作軟件上以圖形和文本方式實時顯示移動目標當前周期的坐標信息和實時運動軌跡； (9)數據服務中心根據移動目標當前周期的位置等狀態信息，采取基于自適應分簇的調度策略:基于目標當前周期的狀態信息，綜合運用擴展卡爾曼濾波算法對目標下一周期的狀態進行預測，最終確定目標所在網格中最近鄰的2~4個節點作為下一周期的任務節點簇；確定下一周期任務節點簇的原則如下:將運用擴展卡爾曼濾波算法對目標預測得到的下一周期的任務節點簇與當前周期實際工作的任務節點簇進行比較: A、若預測任務節點中與當前工作節點一致的節點個數大于或等于預測任務節點與當前工作節點不一致的個數，則下一周期使用預測任務節點，形成工作令牌和通信令牌； B、若小于，則下一周期繼續使用當前工作節點，形成工作令牌和通信令牌；最終的工作令牌和通信令牌通過基站發送端廣播給節點收發子站；(10)通過點擊操作界面的啟動機器人、同相位協同控制、反相位協同控制或停止機器人等控制按鈕，實現數據服務中心下達對機器人的控制指令，通過基站發送端廣播給移動接收子站； (11)基站發送端將數據服務中心的最新生成的工作令牌、通信令牌等相關數據，以及來自對移動機器人的控制指令，廣播至節點收發子站和移動接收子站，實現數據下行傳輸; (12)節點收發子站接收到基站廣播的指令，根據工作令牌和通信令牌確定節點自身在當前工作周期內是否具有工作或通信的權限；若某節點具有工作權限，則等待自己的工作時隙到來時觸發該節點的超聲波傳感器模塊工作，待測距完成后儲存相應數據；若某節點具有通信權限，則等待自己的通信時隙到來時開啟無線通信模塊，將該節點在上一周期儲存的測距值和其他相關參數發送至基站，供數據服務中心融合數據給目標定位所用； (13)獲得工作令牌或通信令牌權限的工作節點，在測距完成或通信完成后，則查詢自身在本工作周期內是否還有待完成的任務，如果有，則繼續等待相應時間片的到來；否則休眠等待下一個工作周期的到來； (14)基站接收端接收自節點收發子站的數據，實現數據上行傳輸，數據接收完畢后，通過UART串口上傳至數據服務中心，進入下一輪的工作周期； (15)重復執行步驟(9)~(14)，持續監測與控制網絡和移動機器人，系統形成一個實時跟蹤反饋控制網絡。
4.根據權利要求3所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，其特征在于，所述步驟(4)中基于任務的動態時隙分配方法包括下列步驟: (4.1)根據分布式測量系統需要周期性進行時間同步的特點，將系統時間軸分割成Ν*?^1ε(10，Ν為自然數，取決于系統時間長短，記Uk)為系統第k個時間同步周期，k =I,2,..., N ； (4.2)在Teyele(k)開始時，分配Tsyne(k) = 5ms，作為時鐘同步工作所需時間，同時分配TA (k) =IOms,作為超前檢測工作時間提前量，剩下時間記為時間片輪轉總量Trotate (k)，Tcycle (k) = Tsync (k) +TA (k) +Trotate (k)； (4.3)根據系統當前的任務負荷動態切割TrotatJk),任務負荷量是由自適應分簇節點調度策略決定的，記當前Tctc^ (k)內分簇數量為Nduste (k)，每個分簇內的節點數^ Nnode(k),則 Trotate(k) = Nnode(k)*Ncluster(k)*(TCOfflffl+Tidle) + Δ (O),其中，Λ(Ο)冗余時間量，Iramm為單個節點傳輸一幀數據所需的額定通信時間，Tidle信道隔離量，但是由于分簇調度是動態的，每一步執行的分簇結果有可能是不一樣的，因此上式可寫成
thresholdTra,a,Ak)= Σ noAS)* NclusM* (Τ,ο?,η, + T?l>e )] + Δ(^) thr θ stlO I d 為 Tcycle ⑵內進行分簇調度的總步數； (4.4)為了提高系統資源使用效率，不同分簇間且不在干擾域的節點可以同時工作，同時所有節點的檢測任務和通信任務是獨立的，基于這個特點系統采用雙通道并行工作方式，分別為檢測通道和通信通道；系統進行第s步分簇后，系統需要完成Νη_(8)*Ν—“8)個節點的檢測任務和通信任務，因為不同分簇間的節點可以同時工作，可將以上節點分為Nnode (s)組,每一組包含Ndustw(S)個節點,系統是按組完成檢測工作的；(4.5)在第s步分簇后至第s+1步分簇前的檢測通道時間軸上，記為t (s，s+1)可切割成NntxJs)個時間片，每個時間片長度為 r^sonarwork? ^sonarwork ^tof^^write+Tidle，其中Tttjf為超聲回波所耗時間，Twrite為節點存儲測量數據時間； (4.6)在第s步分簇后至第s+1步分簇前的通信通道時間軸上，記為t (s，s+1)可切割成Nnode (s) *Ncluster (s)個時間片，每個時間片長度為Tc_+Tidle ； (4.7)至此時間分割已完成，切割完后的每一個時間片，其所承擔的任務也就確定了。
5.根據權利要求3所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，其特征在于，所述步驟(3)中時鐘同步指令采用單向廣播同步的方式，確保基站和所有節點之間達到時鐘同步；基站在系統開始運行時發送一個數據包，當所有節點接收到此數據包時，記錄下各自的本地時間h，作為各自的參考時間，一旦所有節點都把當前本地時間作為參考時間，則整個網絡的時鐘同步就實現了，此后，各節點間的時鐘都用相對時間At表示，At=t—A，其中，tcurrent為各節點晶振分頻之后的脈沖數累計時間。
6.根據權利要求3所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，其特征在于，所述步驟(4)中工作令牌用于決定網絡中傳感器節點獲得工作的權限；通信令牌用于決定網絡中傳感器節點獲得通信的權限；同一個時隙中可以有多個傳感器節點實施檢測任務，但是在同一個時隙中只有一個節點擁有通信權，檢測任務和通信任務是相互獨立的，也就是工作令牌與通信令牌是相互獨立的；所述步驟(15)中數據的上行傳輸和所述步驟(12)中數據的下行傳輸是相互獨立的，上行和下行數據的信道分開，分別由基站接收端和基站發送端負責，避免了沖突。
7.根據權利要求3所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，其特征在于，所述步驟(7)中基于事件驅動的卡爾曼濾波定位算法包括下列步驟: (7.1)根據目標所在區域的環境和運動特性綜合考慮選擇卡爾曼濾波的觀測方程，根據不同的觀測量和觀測矩陣執行下列卡爾曼濾波迭代算法； (7.2)預測現在系統狀態:
X (kIk-1) = AX (k-11k-1)+Bu(k)， (7.3)預測現在系統協方差:
P (k I k-1) = AP (k-11 k-1) A' +Q, (7.4)更新卡爾曼增益:
8.根據權利要求3所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，其特征在于，所述步驟(7)中目標尋回機制:相鄰網格掃描法，包括下列步驟: (1)首先基站通過廣播命令喚醒丟失目標所在網格內睡眠的節點，節點在喚醒之后搜索其監測范圍內的目標信息，并收集各個節點檢測信息通過網關上傳至數據服務中心； (2)數據服務中心對數據進行融合處理，判斷是否有目標重新出現的信息:若有，則休眠不相關節點并繼續對目標進行追蹤；若沒有，則重新廣播搜索命令消息至與之相鄰的網格節點，并休眠本網格內節點； (3)相鄰網格節點在接受到搜索命令之后，喚醒并進行搜索工作，并重復上面的操作，若還是沒有重新發現目標，則結束搜索工作，休眠各個網格內節點，各網格繼續輪詢偵察，直至尋回目標。
9.根據權利要求3所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，其特征在于，所述步驟(7)中網格邊緣監測保護策略運用于移動機器人在網絡中穿越不同網格前后，在經過網格的邊緣區域時，運用單個觀測值的擴展卡爾曼濾波預測方法沒有順利完成網格切換的時候，判斷移動機器人所在的網格，保障實時完成目標跟蹤的網格切換；包括下列步驟: (i )當移動機器人移動到網格Gl與網格G2的邊緣區域，系統數據服務中心通過雙數據處理通道分別基于單個觀測值擴展卡爾曼濾波算法和兩點定位算法來得到目標位置信息，若兩者得到的位置信息相差達到設定的閾值時，則通過兩點定位算法得到的最新位置信息糾正卡爾曼濾波中的當前狀態值，從而加快卡爾曼預測的更新速度，保障跟蹤目標的實時性；若通過以上方法得到的目標位置還在網格Gl范圍內，下一周期有可能跨入網格G2區域，則開啟網格邊緣監測保護策略； (? )開啟網格G2中移動機器人對面的兩個監測節點對應的超聲波傳感器，單個超聲波傳感器的有效測距角 度為60°，兩個監測節點可獲得有效測量范圍，并被納入到當前的工作令牌中； (iii)若在某兩個連續的測量周期中發現移動機器人已進入兩個監測節點的有效測量范圍，即認定移動機器人已移動到網格G2;若目標物體未進入有效測量區域，則一直將兩個監測節點納入工作令牌當中，直至監測策略停止，即目標物體移出網格邊緣區域為止； (iv)若認定目標物體已移動到網格G2后，即關閉兩個監測節點，結束監測策略；否則，重復執行步驟(1)~(4)。
10.根據權利要求3所述的基于事件驅動的無線傳感器網絡多目標實時跟蹤系統，其特征在于，所述步驟(9)中自適應簇調度策略是將整個網絡中的測量節點按照自身擺放的位置與相鄰的節點自組織的生成一個簇，同一個簇中的節點共同協作完成對移動機器人動態跟蹤的任務；簇內節點的內容是會發生動態變化的，當移動機器人在網格中進行切換時或者在同一網格中發生區域類型變化時，不需要工作的節點退出簇，而簇內也會加入新的節點成員；自適應簇調度策略中加入了保證新加入的工作節點能快速可靠測量的機制；在多移動機器人跟蹤過程中，不同任務之間的簇內節點之間會產生干擾；當多個移動機器人非常靠近的時候，更有同一測量節點在不同簇內同時工作的情況；簇間協商的機制是整個網絡中能同時進行多個移動機器人目標跟蹤的保證；從不同簇中選取出一個工作節點，組合成一次測量的工作令牌，若兩者同時測量會互相干擾，則把其中一個測量節點延時一個測量周期進行測量，以此避免測量過程中超聲波之間的干擾。
【文檔編號】H04W64/00GK103716867SQ201310513775
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】蘇為洲, 葉景志, 羅振華, 羅汶鋒, 余輝榮 申請人:華南理工大學