無線傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤技術(shù)

張?zhí)煊?/p>

（北京郵電大學(xué) 北京市 100876）

要想在大數(shù)據(jù)背景下，節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)中的能量，需要對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，積極采用網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，對(duì)其中的節(jié)點(diǎn)整合。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)沒有偵測(cè)事件發(fā)生的時(shí)候，其中的普通節(jié)點(diǎn)就會(huì)處于休眠狀態(tài)。基于此，需要對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤技術(shù)進(jìn)行分析，從而保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)挠行浴?/p>

1 目標(biāo)跟蹤技術(shù)的發(fā)展背景

無線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了社會(huì)發(fā)展中的必不可少的內(nèi)容，其中所涉及到的數(shù)據(jù)信息也是非常多的，這就需要加強(qiáng)對(duì)目標(biāo)跟蹤技術(shù)的有效應(yīng)用，可以說目標(biāo)跟蹤是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要內(nèi)容之一，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)的跟蹤定位，其目的是確定目標(biāo)的位置以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其中信息的整合[1]。

在此過程中，還涉及到了WSN 中的定位和數(shù)據(jù)融合等多種關(guān)鍵技術(shù)，其中的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會(huì)受到多個(gè)因素的影響，并且其中數(shù)據(jù)信息的機(jī)動(dòng)性以及隱蔽性也比較強(qiáng)。因此，需要對(duì)多目標(biāo)跟蹤問題進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確定位。

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要內(nèi)容進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中的目標(biāo)跟蹤方法是比較多的，要想提高系統(tǒng)跟蹤的精度，需要節(jié)省節(jié)點(diǎn)中的能量開銷，加強(qiáng)對(duì)其中節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的問題。

2 跟蹤目標(biāo)中的問題

2.1 跟蹤精度

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)跟蹤技術(shù)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)發(fā)展中得到了有效應(yīng)用，是其中比較常見的算法，其中的目標(biāo)計(jì)算位置和實(shí)際位置之間存在一定的誤差，不斷提高跟蹤的精確度。在此過程中，需要注意的是，其精度越高并不代表著效果就越好。因此，要想提高目標(biāo)的跟蹤精確度，需要多融合一些較多的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，這種方式會(huì)可以減少能量開銷[2]。

2.2 跟蹤能量消耗

在對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中所跟蹤的目標(biāo)大都是應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中，其中的節(jié)點(diǎn)能量消耗也是一個(gè)比較關(guān)鍵的問題。在此過程中，還要求傳感器節(jié)點(diǎn)，不僅要儲(chǔ)備能量，還需要結(jié)合其中的實(shí)際情況，對(duì)其中的能量進(jìn)行整合。如表1 所示。

在跟蹤中，還需要注意對(duì)節(jié)點(diǎn)的選擇，讓其參與到跟蹤工作中，綜合考慮該節(jié)點(diǎn)的通信能量消耗問題。因此，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮跟蹤算法，然后綜合平衡考慮其中之間的能量消耗情況，不斷延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

2.3 跟蹤的可靠性

除了跟蹤精度，網(wǎng)絡(luò)本身的可靠性和安全性也會(huì)影響跟蹤目標(biāo)。目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠性是比較差的，并且目標(biāo)跟蹤方法也并不合理。因此，這就需要對(duì)集中式方法進(jìn)行有效應(yīng)用，減少其中的開銷，綜合考慮跟蹤方法的有效性和安全性，不斷增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

3 目標(biāo)跟蹤技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)建模型

3.1 傳感模型

在對(duì)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行構(gòu)建，需要注意功能模塊和通訊模塊之間的獨(dú)立性，其中的功能模塊主要是負(fù)責(zé)對(duì)周圍環(huán)境信息地有效采集。此外，通信模塊的作用是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和傳送，控制其中的消耗能量[3]。

表1：目標(biāo)跟蹤的基本原理

表2：網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

表3：?jiǎn)文繕?biāo)跟蹤基本流程

表4：傳送樹跟蹤的流程

技術(shù)人員還需要構(gòu)建節(jié)點(diǎn)喚醒機(jī)制，其主要在監(jiān)控區(qū)域中，并且其中的傳感節(jié)點(diǎn)還處于一種睡眠狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候節(jié)點(diǎn)的通訊模塊主要以時(shí)間T1 作為周期，然后對(duì)其中的信息內(nèi)容進(jìn)行偵聽，當(dāng)所接收到的其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送到特定信息時(shí)候，就會(huì)會(huì)喚醒其中的功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感模型的構(gòu)建，還能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整合，將其中的能量消耗降到最低，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效采取。

3.2 建立網(wǎng)絡(luò)模型

在對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，還需要注意網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，然后在此基礎(chǔ)上，保證節(jié)點(diǎn)部署后的有效性，明確坐標(biāo)的位置。在此過程中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行有效控制，從而保證網(wǎng)絡(luò)模型的安全性。如表2 所示。

4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤技術(shù)

4.1 單目標(biāo)跟蹤

首先是需要進(jìn)行雙元檢測(cè)協(xié)作跟蹤。在此過程中，需要注意雙元檢測(cè)的目標(biāo)，在對(duì)其進(jìn)行跟蹤的過程中，需要注意傳感器的偵測(cè)狀態(tài)：當(dāng)目標(biāo)處在傳感器偵測(cè)距離之內(nèi)的時(shí)候，然后建立雙元傳感器模型，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)其中實(shí)心點(diǎn)的整合，控制節(jié)點(diǎn)的偵測(cè)距離，避對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性帶來影響[4]。

同時(shí)，還需要注意雙元檢測(cè)傳感器是不可以檢測(cè)到目標(biāo)的距離，其只能判斷目標(biāo)是否在合理的范圍內(nèi)。其中所檢測(cè)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，一般所確定的目標(biāo)為圓形區(qū)域，可以多個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行協(xié)作，只有只有才能確定目標(biāo)中的位置信息。當(dāng)其中的目標(biāo)在進(jìn)入偵測(cè)區(qū)域后，還需要注意節(jié)點(diǎn)的密集情況，預(yù)防重疊區(qū)域?qū)δ繕?biāo)位置準(zhǔn)確性的影響。

此外，技術(shù)人員還需要在雙元檢測(cè)協(xié)作的跟蹤方式，優(yōu)化其流程，這種方式主要適用于簡(jiǎn)單和低廉的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以的通過大量的密集部署節(jié)點(diǎn)，對(duì)其中的跟蹤精度進(jìn)行確定，進(jìn)而保證位置信息的準(zhǔn)確性。如表3 所示。

在對(duì)信息驅(qū)動(dòng)協(xié)作跟蹤進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其主要是對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行偵測(cè)和分類的，更需要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效協(xié)作。對(duì)節(jié)點(diǎn)中的跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，然后不斷提高其跟蹤精度。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)是非常多的，需要進(jìn)行協(xié)作，才能夠更好地降低節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信量。

同時(shí)，這種方式還可以應(yīng)用傳感器的節(jié)點(diǎn)，對(duì)所偵測(cè)到的信息以及接收節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行判斷，然后獲得更準(zhǔn)確的目標(biāo)位置，喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上開展的跟蹤活動(dòng)。在此過程中，還需要注意預(yù)測(cè)機(jī)制，不斷減少節(jié)點(diǎn)間的通信量，避免能量資源以及通信資源的浪費(fèi)[5]。

如，在對(duì)某個(gè)信息驅(qū)動(dòng)中的協(xié)作跟蹤實(shí)例進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中主要包含兩類傳感器節(jié)點(diǎn)，其中的目標(biāo)還會(huì)穿過傳感器網(wǎng)絡(luò)中的軌跡，并且圓形的區(qū)域主要為傳感器節(jié)點(diǎn)的范圍，可以對(duì)其中信息進(jìn)行整合，分析目標(biāo)跟蹤的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的整合。

但是，受到一些客觀因素的影響，其會(huì)隨著目標(biāo)移動(dòng)發(fā)生變化。目前，跟蹤節(jié)點(diǎn)所負(fù)責(zé)的喚醒跟蹤信息，然后將其傳遞給下一個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效性。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入傳感器區(qū)域的時(shí)，其離目標(biāo)比較近的節(jié)點(diǎn)a，會(huì)獲得目標(biāo)位置中的初始估計(jì)值，然后在此基礎(chǔ)上計(jì)算出下一時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)b，最后在對(duì)其進(jìn)行跟蹤，從而保證偵測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和的精度，使其中的信息可以到節(jié)點(diǎn)b，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤節(jié)點(diǎn)的有效控制。

4.2 傳送樹跟蹤算法

現(xiàn)如今，大多數(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行中所應(yīng)用的跟蹤算法一般是集中式，并且其中的跟蹤信息還需要傳送到數(shù)據(jù)中心，然后對(duì)其進(jìn)行綜合性處理，對(duì)其中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的收集，通過對(duì)局部節(jié)點(diǎn)信息的整合，完成目標(biāo)跟蹤任務(wù)。如表4 所示。

傳送樹屬于一種由移動(dòng)目標(biāo)，其附近的節(jié)點(diǎn)可以組成動(dòng)態(tài)的樹型結(jié)構(gòu)，其還會(huì)受到目標(biāo)動(dòng)態(tài)移動(dòng)的影響，然后地添加，或者是刪除其中的一些節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送樹結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對(duì)其進(jìn)行協(xié)作性的跟蹤，從而不斷減少節(jié)點(diǎn)之間的通信開銷。

4.3 實(shí)現(xiàn)區(qū)域查詢

無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在初始化時(shí)，其中的權(quán)重值初始化為0。同時(shí)，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入到一塊區(qū)域后，才會(huì)離開該區(qū)域，這個(gè)時(shí)候并不會(huì)造成區(qū)域權(quán)值的實(shí)際變化。因此，需要通過對(duì)一塊區(qū)域，對(duì)邊權(quán)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和判斷， 主要檢查結(jié)果是否為0，如果其為0，就說明該區(qū)域中并不存在需要監(jiān)控的目標(biāo)[6]。

此外，在特殊的情況下，還需要對(duì)此區(qū)域中的目標(biāo)個(gè)數(shù)， 或者是相關(guān)的身份信息進(jìn)行有效確認(rèn)，優(yōu)化其流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域不同信息內(nèi)容的查詢，積極發(fā)揮目標(biāo)跟蹤技術(shù)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的作用。

4.4 面目標(biāo)跟蹤算法

在對(duì)無線的傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多情況下需要跟蹤面積較大的目標(biāo)。如果在此過程中，僅僅通過局部節(jié)點(diǎn)協(xié)作是不能偵測(cè)到準(zhǔn)確的目標(biāo)移動(dòng)軌跡的。因此，需要應(yīng)用對(duì)偶空間轉(zhuǎn)換方法，保證節(jié)點(diǎn)參與跟蹤的有效性，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)移動(dòng)軌跡的全面?zhèn)蓽y(cè)。

此外，加強(qiáng)對(duì)對(duì)偶跟蹤方法的應(yīng)用，不僅可以有效地解決跟蹤問題，還能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換到在對(duì)偶空間中的，幫助操作人員可以更加快速地尋找包括目標(biāo)邊界中的映射點(diǎn)子區(qū)域。在此過程中，其目標(biāo)移動(dòng)的時(shí)候，映射點(diǎn)就會(huì)進(jìn)入其他子區(qū)域，這個(gè)時(shí)候所需要喚醒新區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，然后對(duì)其進(jìn)行跟蹤，主要目的是讓原有區(qū)的域中，不再是新區(qū)域的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，將其更好地轉(zhuǎn)入到休眠狀態(tài)中。

5 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，要想保證無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，加強(qiáng)對(duì)目標(biāo)跟蹤技術(shù)的有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)信息跟蹤，保證目標(biāo)位置的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的全面整合，減少節(jié)點(diǎn)之間的能量消耗，從而不斷提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行效率。