一种无线多媒体传感器网络中的目标跟踪方法 技术领域 本发明涉及无线多媒体传感器网络中目标跟踪的解决方法， 主要解决无线多媒体 传感器网络中通过多种类型的传感器节点来实现目标跟踪的问题， 属于计算机网络与无线 通信的交叉领域。
背景技术 无线传感器网络 (Wireless Sensor Network， WSN) 被誉为全球未来三大高科技产 业之一， 它是由布署在监测区域中的大量传感器节点组成的自组织的无线网络系统， 网络 中各个传感器节点协作地感知、 采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息， 并将这些信 息发送给感兴趣的用户。
随着硬件技术的发展， 廉价的 CMOS 摄像头及麦克风的出现， 出现了无线多媒体传 感器网络 (Wireless Multimedia Sensor Network， WMSN)。无线多媒体传感器网络是一种 特殊的无线传感器网络， 是由一组具有感知、 计算和通信能力的多媒体传感器节点组成的 分布式传感器网络。它通过节点上多媒体传感器采集周边环境的多种媒体信息 ( 音频、 视 频、 图像等 )， 通过多跳方式将数据汇集到汇聚节点， 实现全面、 有效的环境监测， 可广泛应 用于战场可视化监控、 环境监测、 安全监控、 交通监控、 智能家居、 医疗卫生等领域， 具有广 阔的应用前景。
目标跟踪是无线传感器网络的主要应用之一。 无线传感器网络的目标跟踪与传统 的主动跟踪传感器不同， 传统的主动跟踪传感器 ( 如雷达 ) 发射功率大， 探测距离较远， 目 标 ( 如飞行器 ) 运动速度快， 因而传感器在目标速度和方向上预测的一个极小误差都可能 会导致目标状态的极大偏差， 要求目标运动模型尽量准确贴近目标实际轨迹。而无线传感 器网络中的目标跟踪是一种被动跟踪， 目标运动速度相对较低， 节点探测距离有限， 节点分 布高度冗余， 目标丢失后容易恢复， 一定程度上可以弥补预测精度的不足。
无线传感器网络没有严格的控制中心， 所有节点地位平等， 是一个对等式网络。 而 在目标跟踪应用中， 由于节点能力的限制， 单个节点无法有效地跟踪目标， 需要多个节点进 行联合监测， 并对所获得的数据进行融合处理， 提取信息， 这样在目标跟踪过程中就有一个 局部节点组织和路由的问题。主要包括以下五种 ：
1) 集中式 所有参与监测的节点将数据通过多跳网络直接传送给服务器， 目标的 位置和轨迹在服务器中产生。 这种方法由于节点的通信量庞大、 延时大， 在无线传感器网络 中一般是不适用的。
2) 静态局部集中式 在网络中安排一定量具有较强处理能力的簇头节点， 普通节 点在获得测量数据后传到簇头节点， 簇头节点再对数据进行处理， 然后通过簇头间的路由 送到用户终端。
3) 动态局部集中式 簇头在目标跟踪过程中通过一定的准则动态产生， 其它节点 将数据传送给动态簇头 ； 在目标离开簇头监测范围后， 产生新的簇头， 原来的簇头恢复监测 状态。
4) 单点式 在目标跟踪的过程中， 始终只有一个动态头节点在跟随目标。它负责 获取测量值并更新目标位置。头节点从他的邻居节点中选取信息量最大的节点， 然后将信 息传给他。这个节点就成为下一时刻的头节点， 原先的节点回到空闲状态。这种方法有效 地减少了通信能量消耗。 但是当头节点损坏或数据丢失后， 跟踪就无法进行， 降低了跟踪系 统的稳定性。
5) 序贯式 测量值是通过代理来获取， 在获取过程中同时进行数据的融合。这种 方法精度和能量是自适应的， 在获得满足条件的数据后就可以进行下面的跟踪， 可以是用 户定制的， 但是在传输过程中要考虑代码传输的通信能量消耗。
无线传感器网络的目标跟踪方法必须尽可能地节约成本并减少网络中传感器节 点的能量消耗， 延长网络的寿命。 发明内容 技术问题 ： 本发明目的是提供一种用于无线多媒体传感器网络的目标跟踪方法， 该方法中使用普通传感器节点、 装有 GPS 模块的传感器节点和方向可调节的图像传感器节 点相互协作， 使用普通传感器节点完成异常的检测、 目标的定位及传输数据。装有 GPS 模块 的传感器节点完成节点自身位置的获取及普通传感器节点的功能、 图像传感器节点完成目 标的识别， 从而达到节约成本和节省节点能量消耗以延长网络寿命的目的。
技术方案 ： 本发明是一种无线多媒体传感器网络中的目标跟踪方法， 考虑到各种 节点的成本、 处理能力、 存储容量、 能量消耗等存在较大的区别， 在网络中同时布署这些节 点， 其中使用图像传感器节点来实现监测区域中目标的识别， 其它节点负责目标的定位与 跟踪。
由于图像传感器节点的成本较高， 所以采用了方向可调节的图像传感器节点来完 成目标的识别， 从而节约成本， 并不会影响目标识别的效果。 图像传感器节点上摄像头的方 向是可以全方位调节的， 在图像传感器的摄像头下方装了可根据接收到的目标位置自动调 节摄像头方向的装置， 一旦收到目标位置， 则摄像头自动调节到目标所在方向。
本发明提出了一种无线多媒体传感器网络中的目标跟踪方法， 包括以下步骤 ：
步骤 1) 网络中的节点类型及其功能网络主要由三种节点组成， 其中普通传感器 节点主要功能为异常的检测、 目标的定位及传输数据 ； 装有 GPS 模块的传感器节点主要功 能为获取节点自身的位置以及充当普通传感器节点的功能 ； 图像传感器节点的主要功能为 目标识别。
步骤 2) 在图像传感器节点上建立目标特征数据库， 目标特征数据库中存放的是 系统感兴趣的目标的信息。
步骤 3) 在监测区域中布署节点。
步骤 4) 节点布署好后， 对网络中的节点进行初始化， 并确定各个节点的位置。
步骤 5) 根据 GAF(Geographical Adaptive Fidelity) 算法对网络中节点进行分 簇。
步骤 6) 每个簇内的所有节点向簇头节点报告自己的 ID 号和位置。
步骤 7) 簇头节点收到簇内节点的信息后， 保存节点信息， 并使簇内节点按动态休 眠调度机制进入休眠状态。
步骤 8) 处于监测状态的节点对监测区域进行检测， 一旦发现异常则对目标进行 标记， 并利用目标周围的节点对目标进行定位， 将目标的标记及计算出来的目标位置报告 给簇头节点， 转步骤 9)， 否则继续监视。
步骤 9) 簇头节点接收到数据后， 唤醒离目标所在位置最近的图像传感器节点。
步骤 10) 图像传感器节点被唤醒后， 通过调节方向将图像传感器的方向调节到目 标所在的位置。
步骤 11) 图像传感器开始采集目标的图像， 将获得的目标图像与目标特征数据库 中的信息进行特征匹配， 看是否为系统感兴趣的目标。若不是系统感兴趣的目标则报告 给簇头节点， 此目标不必再跟踪， 图像传感器节点转入休眠状态， 转步骤 12)， 否则转步骤 13)。
步骤 12) 簇头节点接收到信息后， 立即告诉簇内节点及别的簇头节点此目标不必 再跟踪， 别的簇头节点对簇内节点进行广播， 转步骤 8)。
步骤 13) 当目标离开图像传感器节点的监测范围时， 图像传感器节点将检测到目 标的时间和位置及目标的当前位置报告给簇头节点。
步骤 14) 簇头节点接收到目标的位置信息后， 通过簇头节点之间的数据传输将节 点传输过来的信息发送给基站， 同时判断目标是否即将离开监测区域， 若是则转步骤 16)， 否则， 唤醒相应的节点来确定目标的下一位置， 转步骤 15)。
步骤 15) 普通传感器节点对目标进行定位后将目标位置报告给簇头节点， 转步骤 14)。
步骤 16) 基站接收到簇头节点传过来的数据后对数据进行处理， 计算出目标在监 测区域中的轨迹并保存。
有益效果 ： 本发明提出了一种应用于无线多媒体传感器网络的目标跟踪方法， 该 方法中使用普通传感器节点、 装有 GPS 模块的传感器节点和方向可调节的图像传感器节点 共同完成目标的监测、 识别与跟踪， 具有如下几个优点 ：
(1) 多种类型的节点相互协作 由于普通传感器节点的能量消耗比图像传感器节 点的能量消耗小且成本比图像传感器节点的成本要低， 故在网络中同时布署普通传感器节 点、 装有 GPS 模块的传感器节点和方向可调节的图像传感器节点。普通传感器节点负责异 常的检测、 目标的定位及传输数据， 装有 GPS 模块的传感器节点的主要功能为获取节点的 位置， 然后还可以发挥普通传感器节点的功能， 图像传感器节点负责目标识别。
(2) 由于普通传感器节点对目标的识别的能力有限， 且图像传感器节点的成本较 高， 故在进行目标识别时选择了具有方向调节功能的图像传感器节点， 从而保证了目标识 别的准确性且节约了成本。
(3) 图像传感器节点只在发现异常后才被唤醒， 否则处于休眠状态， 这样很好地 保证了图像传感器节点的使用寿命， 并且当图像传感器节点发现目标不是所感兴趣的目标 时， 就立刻休眠， 也节约能量。
(4) 目标运动轨迹由基站计算 当目标离开监测区域后， 基站将接收到的关于某 个目标的信息进行综合计算得出目标的运动轨迹， 而不是由网络中的节点来完成目标轨迹 的计算， 从而延长了网络寿命。附图说明 图 1 是无线多媒体传感器网络中目标运动轨迹跟踪示意图 ； 其中有 ： 普通传感器 节点、 带 GPS 模块的传感器节点、 可调节方向的图像传感器节点、 目标 4、 基站节点 5、 接入节 点 6。图 2 是本发明中的目标跟踪方法流程图。
具体实施方式
本发明采用普通传感器节点、 装有 GPS 模块的传感器节点和方向可调节的图像传 感器节点相互协作来完成目标跟踪。在网络中各节点均能发挥自身的优点， 从而节约成本 及延长网络寿命， 并能实时完成目标的跟踪。
本发明提出的无线多媒体传感器网络中的目标跟踪方法有以下步骤 ：
步骤 1) 网络中的节点类型及其功能网络中主要布署普通传感器节点、 装有 GPS 模 块的传感器节点和方向可调节的图像传感器节点这三种节点， 普通传感器节点主要功能为 异常的检测、 目标的定位及传输数据 ； 装有 GPS 模块的传感器节点主要功能为获取节点自 身的位置及普通传感器节点的功能 ； 图像传感器节点主要功能为目标的识别， 即检查网络 中发现的异常是否是系统所感兴趣的。 步骤 2) 在图像传感器节点上建立目标特征数据库， 目标特征数据库中存放的是 系统感兴趣的目标的信息。
步骤 3) 对要监测的区域根据无线传感器网络完全覆盖模型进行估算要布署的图 像传感器节点的数量及装有 GPS 模块的传感器节点的数量， 尽量减少成本， 在区域中布署 这三种节点， 由于普通传感器节点的成本较低， 所消耗的能量较小， 可以大量布署。
步骤 4) 节点布署好后， 对网络中的节点进行初始化， 装有 GPS 模块的传感器节点 首先获取自身的位置， 然后将自己的位置广播给其它节点， 其它节点根据装有 GPS 模块的 传感器节点的位置计算出自己在网络中的位置。装有 GPS 模块的传感器节点随即开始发挥 普通传感器节点的功能， 以使其得到充分的利用。
步骤 5) 根据 GAF 算法对网络中的节点进行分簇， 当簇头节点死亡或者设置一个时 钟， 当时间到则重新分簇。
步骤 6) 每个簇内的所有节点向簇头节点报告自己的 ID 号和位置。网络中的普通 传感器节点和装有 GPS 模块的传感器节点的 ID 号均以字母 c 打头， 图像传感器节点的 ID 号以字母 m 打头， 以便于区分网络中的节点。
步骤 7) 簇头节点收到簇内节点的信息后， 保存节点信息， 并使簇内节点按动态休 眠调度机制进入休眠状态。
步骤 8) 处于监测状态的节点对监测区域进行检测， 一旦发现异常则对目标进行 标记， 并利用目标周围的节点对目标进行定位， 将目标的标记及计算出来的目标位置报告 给簇头节点， 转步骤 9)， 否则继续监视。
步骤 9) 簇头节点接收到数据后， 唤醒离目标所在位置最近的以 m 打头的图像传感 器节点。
步骤 10) 图像传感器节点被唤醒后， 通过调节方向将图像传感器的方向调节到目 标所在的位置。
步骤 11) 图像传感器开始采集目标的图像， 将获得的目标图像与目标特征数据库
中的信息进行特征匹配， 看是否为系统感兴趣的目标。若不是系统感兴趣的目标则报告 给簇头节点， 此目标不必再跟踪， 图像传感器节点转入休眠状态， 转步骤 12)， 否则转步骤 13)。
步骤 12) 簇头节点接收到信息后， 立即告诉簇内节点及别的簇头节点此目标不必 再跟踪， 别的簇头节点对簇内节点进行广播， 转步骤 8)。
步骤 13) 当目标离开图像传感器节点的监测范围时， 图像传感器节点将检测到目 标的时间和位置及目标的当前位置报告给簇头节点。
步骤 14) 簇头节点接收到目标的位置信息后， 通过簇头节点之间的数据传输将节 点传输过来的信息发送给基站， 同时判断目标是否即将离开监测区域， 若是则转步骤 16)。 否则， 若目标还在本簇的范围内则首先唤醒目标所在区域的普通传感器节点对目标的下一 位置进行定位 ； 若已到达本簇的边缘位置， 则将目标位置报告给相邻簇的簇头节点， 由下一 簇对目标进行定位， 转步骤 15)。
步骤 15) 普通传感器节点对目标进行定位后将目标位置报告给簇头节点， 转步骤 14)。
步骤 16) 基站接收到簇头结点传过来的数据后对数据进行处理， 计算出目标在监 测区域中的轨迹并保存。