無線傳感器網絡中移動目標的定位與跟蹤*

趙曉俠， 鞠成恩

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

無線傳感器網絡中移動目標的定位與跟蹤*

趙曉俠， 鞠成恩

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

對侵入無線傳感器網絡中的目標，提出了一種移動節點和靜態節點相結合的定位與跟蹤方式。靜態節點可以發現侵入傳感器網絡中的目標，移動節點與靜態節點配合進一步確定目標的具體位置。仿真實驗驗證表明：該方法可以減少大規模的頻繁移動節點，不需要過多地對移動節點的選擇和運動進行特別復雜的計算，具有較好的定位精度和魯棒性，對多目標的定位與跟蹤研究有一定的啟發作用。

無線傳感器網絡； 移動節點； 定位

0 引 言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)，在環境監測、交通、軍事等方面都發揮著重要的作用[1]。節點定位與跟蹤是其基本功能之一，對于目標跟蹤，可以分為主動偵測和被動偵測兩種。在實際應用中，節點的移動性增加了節點定位的難度，使得被動偵測的研究更具有挑戰性。

本文提出了一種新的方式管理傳感器節點的移動性，即靜態節點與動態節點相結合，簡化單目標跟蹤方法，提高了跟蹤可靠性和魯棒性：1)對侵入目標進行探測；2)估計目標的當前位置，確定移動節點應部署的位置；3)通過對可移動節點的位置重新部署，配合靜態節點以獲得更準確的目標定位。

1 目標定位

采用加權質心算法(W-Centroid)對目標節點進行定位[2]，傳感器節點探測到目標后，形成一個將目標包圍的多邊形，通過計算該多邊形的幾何質心得到目標的位置。具體實現過程：當傳感器節點探測到目標時，將此信號量設置一個門限值，當超過這一門限值時，將該傳感器節點納入到假設以目標節點為質心的多邊形中。利用探測節點和目標節點之間的接收信號強度指示值(received signal strength indication,RSSI)作為依據，計算每個探測節點的權值，通過權值來體現探測節點對質心坐標作用的大小。其中未知節點的估計坐標由式(1)得出

(1)

式中 P為目標結點的位置；Si為傳感器節點，當目標結點與傳感器節點的距離小于R時，將傳感器節點納入質心多邊形中；(xi，yi)為各個傳感器節點的坐標；wi為各個探測節點的權重。

2 傳感器位置確定

如果只有移動傳感器，傳感器移動很容易產生探測信號無法完全覆蓋的盲區[3]，因此,采用靜態節點與動態節點相結合的方式。通過靜態節點保證整個區域均被覆蓋，而動態節點則使得對目標的定位更加精確。

圖1 靜態傳感器布置

圖1中，區域中除4圓交匯的O點可以被4只傳感器同時探測到外，其他各點最多也只能被2只靜態傳感器探測到，無法滿足定位要求，本文采用可移動傳感器與靜態傳感器相配合的策略彌補了探測精度不足的問題。將移動傳感器移動到O點，與其四周的靜態傳感器共同組成一個探測區，如圖2所示，目標在這個區域內的任何地方均可以由O處的移動節點和其周圍靜態節點組成的三角形或四邊形合力探測定位。而且可以根據目標的速度、傳感器的探測半經實時組成一個更大動態探測區，用4個移動節點便可以與其周圍9個靜態節點組成一個區域獲取目標的位置。

圖2 靜態節點與動態節點組成的局部探測區

3 確定移動節點部署位置

當目標節點進入到某個靜態傳感器節點S的探測范圍時，將與S距離較近的4個可移動節點移動到S與周邊8個靜態傳感器節點探測圓的交匯處a,b,c,d，如圖3所示，4個移動節點便與另外9個靜態節點組成了一個局部探測區。

圖3 靜態節點發現目標時動態節點的位置移動示意

4 仿 真

圖4 靜態節點和移動傳感器初始部署位置和目標軌跡

當目標侵入探測區時，由中央處理設備控制4只移動傳感器到目標所在區域，與周圍9只靜態傳器組成局部探測跟蹤區。將組成多邊形的傳感器節點所在坐標以及對目標探測的信號強度等數據傳至中央處理設備，計算加權質心坐標對目標所在的位置進行定位。圖5所示為目標經過整個探測區域的過程中形成的多邊形。當目標進入1只靜態傳感器探測范圍邊緣時作為一個探測點，移動可移動傳感器與靜態節點一起形成局部探測區對目標進行探測。圖6為目標移動過程中局部探測區內傳感器測量值與實際誤差。

圖5 目標移動過程中傳感器探測形成的多邊形軌跡

5 結 論

通過靜態節點與動態相結合的較簡單方式，在保證整個探測區域被覆蓋的前提下使用較少的靜態節點，輔以有限的可移動節點實現對單個目標的定位與跟蹤。仿真實驗

圖6 使用本文方法測量與實際誤差

結果表明：不僅可靠性可以得到保證，而且，采用了局部探測的方式可以節約能源。另外，文中僅僅對單移動目標進行了定位，在適當擴大局部探測區或對傳感器節點進行分布式管理的條件下，也可以考慮將研究范圍擴大到多目標的情況[5]。

[1] 孫利民，李建中，陳 渝，等．無線傳感器網絡[M]．北京：清華大學出版社，2005．

[2] 王曙光．無線傳感器網絡的分區域質心定位算法[J]．傳感器與微系統，2014，33(12)：149-151，154．

[3] 邢冬平，段 富，樊茂森．基于極坐標的無線傳感器網絡覆蓋盲區發現算法[J]．傳感器與微系統，2014，33(9)：117-119.

[4] 凡高娟，郭拯危．無線傳感器網絡節點部署研究進展[J]．傳感器與微系統，2012，31(4)：1-3，6.

[5] 胡鵬濤，杜 軍，潘運亮．多目標多傳感器數據融合軌跡追蹤的建模與仿真[J]．傳感器與微系統，2010，29(11)：82-85，89.

Localization and tracking of mobile target in wireless sensor networks*

ZHAO Xiao-xia， Jü Cheng-en

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Aiming at target intruding into wireless sensor networks(WSNs),a method of positioning and tracking is proposed based on combination of mobile nodes and static nodes.Static nodes can find the target intruding into sensor network,the mobile nodes and the static nodes will determine the specific location of the target further.The simulation results show that the method can reduce the mobility of the nodes in large scale,also it does not need too much complex calculation on selection and motion of the mobile nodes,it has better localization precision and robustness and has certain help for multitarget localization and tracking research.

wireless sensor networks(WSNs); mobile node; localization

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0151—02

2016—08—17

國家自然科學基金地區基金資助項目(KKGD201303043)

TP 212

A

1000—9787(2017)09—0151—02

趙曉俠(1965-)，女，副教授，主要從事計算機應用及工業自動化等研究工作。

鞠成恩(1981-)，男，碩士研究生，主要研究方向為計算機應用等研究工作。