面向目标跟踪的传感器网络技术

文/辛喆

【关键词】无线传感器网络 目标跟踪 轨迹分析

虽然无线传感器网络是一项新兴的学科，但是由于其运用知识的高度融合以及涉及学科的广泛交叉，已经成为当前国际广泛关注的对象以及多个学科领域研究的焦点。本文总结了现阶段传感器网络目标跟踪中需要关注的重点问题以及目标跟踪的指标要求，整理比较一些研究成果的优缺点，提出了以后跟踪应用中值得注意的问题和方向。

摘 要

1 引言

传感器网络在现实中应用广泛，但很多目标跟踪技术应用方案依然处于研究阶段。虽然传感器节点占用空间小，较以往的跟踪方式有诸多优势，且具有自组织性、鲁棒性、隐蔽性等特点。但由于节点存在许多硬件资源方面的制约，外部环境的破坏，网络拓扑结构动态变化；使得传统的跟踪算法已经无法满足具有强大实时性的传感器网络目标跟踪。其算法必须尽可能实现根据某一部分的信息判断，进而达到对目标整体的分析，将拓扑网络结构动态变化造成的影响降到最低，实现数据的实时传输，较低的通信代价和资源的合理利用等。

2 目标跟踪关注的重点问题

基于WSN 的活动目标跟踪有许多重点关注的问题，主要包括：

2.1 传感器节点的部署

在进行目标跟踪时，由于单个节点存在诸多局限性，需要多个节点配合处理来满足跟踪要求。即通过一定的算法布置节点，优化现有的网络资源，使WSN 在应用中获得最大的利用率。节点部署是传感器网络进行的首要工作，它直接影响监测结果的准确性和全面性。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括下面几种工作方式：

2.1.1 集中式

与传统网络类似，以多跳网络为依托，所有侦测节点将数据直接送给具有极强信息处理能力的服务器，所以跟踪精度也会很高，但会产生很大的延时，在传感器网络中一般不适用。

2.1.2 局部集中式

在网络中安排一定数量的簇头，簇头比普通节点能力更强，普通节点先将数据传给簇头，由簇头统一汇总处理，融合数据，最后传送到用户终端，实现层次式的结构。分为静态局部集中式和动态局部集中式，但对于一些特殊情况下，由于簇头的位置难以确定，处理大量信息使得簇头负担过重，可行性不高。

2.2 目标的侦测

传感器网络发现目标主要分为两种方式：1. 在对侦测目标的具体特征有正确了解后，能够采取明确的侦测方式侦测目标，称为主动侦测，即目标与各节点之间是非敌对的。2. 被动侦测：对目标没有预先了解，只能通过普遍特征来侦测，例如声波，热感等。由此可知，主动 .测有更高的发现率和更低的误判率。但预知目标特征只是个别情况下，所以被动侦测才是最为普遍的形式。

此外，多个节点的联合判断可以有效地降低误判率。所以，可以安排簇头，对周围节点的数据进行汇总，采用类似投票的融合机制，减少误判。

2.3 目标位置的确定

WSN 目标定位方式主要如下：

2.3.1 主动模式

通过RSSI（接收信号强度指示）测量距离来定位。这种方法虽然能够达到很好的精度，但却需要消耗大量能量来达到节点间的同步。

2.3.2 被动模式

一种方法通过三边测量法或极大似然估计法确定目标的位置。另一种方法是假设目标的位置就是目标周围区域中距离目标最近的的节点位置。

2.4 目标的轨迹分析与预测

由于跟踪的目标不断移动，为了确保跟踪的连续性，跟踪区域要随着目标的位置不断更新，从而保证目标始终处于跟踪区域范围内。这要求参与跟踪的节点是动态组合的，在侦测到目标并确定目标的位置后，传感器网络需要在一定时间内计算出目标的位置、速度、运行角度等特征量，并根据以往的数据值来预测目标的运动轨迹，以便将可能出现位置的周围节点激活，构建跟踪区域。

3 目标跟踪的指标要求

目前目标跟踪需要进一步解决的是如何消耗最少的能量来达到最高的信息融合。

3.1 跟踪精度

在进行目标跟踪时，不可避免的会存在误差。所以提高跟踪的精确度显得尤为重要，要注意的问题是，精度并不是越高越好。因为要提高精度，必然需要将多个节点的数据进行融合处理，所付出的代价就是能量的消耗。所以需根据实际情况进行综合考虑后，选择合适的精度。

3.2 跟踪的能量消耗

由于传感器节点具有局限性，最关键的问题就是能量消耗。所以节点除了自身储存一定的能量，还应具有蓄能能力。跟踪过程中选择合适位置和数量的节点，避免多余的能源浪费。在设计时要综合考虑通信、感测、计算这几种能量消耗，其中通信能量消耗为主要消耗，找到合适的比重，从而延长节点和网络的寿命。

3.3 跟踪的可靠性

当前主要的跟踪方法有集中式和分布式，集中式是利用汇聚节点来集中整合各节点发送来的数据，使得通信开销和计算开销增大，可靠性降低。分布式在充分考虑跟踪过程中的环境变化后，增强了网络的可靠性，是一种很好的方法。

4 结语

本文对现阶段传感器网络目标跟踪中需要关注的重点问题以及目标跟踪的指标要求进行了总结，如节点部署、目标的侦测、目标位置的确定、目标轨迹预测等方面，整理比较一些研究成果的优缺点。同时提出了以后跟踪应用中值得注意的问题和方向。在以后对目标进行跟踪时，要综合考虑精度控制和能量消耗等指标，尽量通过多层次的思想来解决问题。

参考文献

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作者单位

中国矿业大学计算机科学与技术学院 江苏省徐州市 221116