基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用層次邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)通訊層、應(yīng)用層，為了避免多目標(biāo)跟蹤過(guò)程中所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中的沖突，采用了一種基于任務(wù)的自適應(yīng)分簇節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略；提出了基于事件驅(qū)動(dòng)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(dāng)前狀態(tài)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的定位跟蹤。系統(tǒng)采用雙令牌工作方式并結(jié)合基于任務(wù)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配方法實(shí)時(shí)高效地完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。系統(tǒng)采用自適應(yīng)分簇的節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，能自動(dòng)將測(cè)量數(shù)據(jù)按照運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分簇，突破以往局限于單目標(biāo)跟蹤的工作模式，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤功能和基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程反饋控制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)、目標(biāo)定位跟蹤和網(wǎng)絡(luò)化反饋控制技術(shù)，特別涉及一種基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人，網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人置于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，作為移動(dòng)目標(biāo)和控制對(duì)象。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用基于事件驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波定位算法和自適應(yīng)分簇的調(diào)度策略，綜合運(yùn)用單向廣播時(shí)鐘同步、分時(shí)傳輸協(xié)議、測(cè)距與通信信道分開(kāi)、網(wǎng)格切換邊緣監(jiān)測(cè)保護(hù)等多種機(jī)制，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行基于事件驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)跟蹤定位，形成一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network, WSN)是21世紀(jì)的研究熱點(diǎn)。它是計(jì)算機(jī)、通信、控制和傳感器等多學(xué)科技術(shù)交叉結(jié)合的產(chǎn)物，也是集信息獲取、傳輸與處理三個(gè)過(guò)程于一體的復(fù)雜測(cè)控系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多在空間中分布的自動(dòng)裝置組成的一種無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況(比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物)。這些裝置稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)(mote)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信等功能，且具有體積小，功耗低等特點(diǎn)，容易快速得大面積部署到需要監(jiān)控的區(qū)域中。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器把物理信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，并以單跳或多跳的方式傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)相連來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)還能通過(guò)Internet把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的監(jiān)控中心來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
[0003]目標(biāo)定位和跟蹤是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要應(yīng)用。在定位跟蹤研究方面，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)來(lái)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤定位的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是1992年AT&T實(shí)驗(yàn)室的Cambridge開(kāi)發(fā)出室內(nèi)定位系統(tǒng)Active Badge系統(tǒng)，目標(biāo)自身需攜帶能夠發(fā)射信號(hào)的設(shè)備，服務(wù)器接收到信號(hào)后進(jìn)行分析得出目標(biāo)位置。基于RSSI的定位系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。但這一類(lèi)定位系統(tǒng)只能對(duì)已知目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，而不能跟蹤未知目標(biāo)，比如安防的防入侵系統(tǒng)，導(dǎo)彈的防御體系，對(duì)于需要跟蹤的目標(biāo)是不能進(jìn)行通信，這時(shí)候需要定位系統(tǒng)能夠進(jìn)行主動(dòng)定位。
[0004]根據(jù)跟蹤目標(biāo)的數(shù)目可以分為:單目標(biāo)跟蹤和多目標(biāo)跟蹤。單目標(biāo)跟蹤的研究在理論和工程上都已經(jīng)取得了很多的研究成果。新加坡南洋理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了利用超聲波傳感器進(jìn)行主動(dòng)式測(cè)量的定位系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境下能夠?qū)蝹€(gè)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，在低速運(yùn)行下跟蹤效果良好。多目標(biāo)跟蹤的研究很多只限于理論層面，建立了很多仿真平臺(tái)，如杭州電子科大的多機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法與仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)；東南大學(xué)的分布式多傳感器多目標(biāo)數(shù)據(jù)融合算法；國(guó)防科技大學(xué)的多雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤仿真系統(tǒng)；王換招等人提出了改進(jìn)的模糊聚類(lèi)平均算法，將每一批觀測(cè)數(shù)據(jù)按照航跡估計(jì)位置的關(guān)聯(lián)門(mén)限進(jìn)行劃分，然后分別對(duì)航跡和關(guān)聯(lián)門(mén)限內(nèi)的采集信息進(jìn)行模糊關(guān)聯(lián)，再把獲得的最大關(guān)聯(lián)度數(shù)據(jù)分配給各條航跡作為目標(biāo)的實(shí)際位置。陶良鵬等人[12]提出了根據(jù)監(jiān)聽(tīng)到的節(jié)點(diǎn)信號(hào)之間的相關(guān)性來(lái)解決目標(biāo)計(jì)數(shù)的問(wèn)題，利用節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行粗略分簇，使每個(gè)簇對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)相距較近的目標(biāo)，然后在簇內(nèi)計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)采集到的信號(hào)的相關(guān)度，將信號(hào)相關(guān)度較大的節(jié)點(diǎn)劃分為一組并對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)，以節(jié)點(diǎn)組的數(shù)目估計(jì)目標(biāo)個(gè)數(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、體積小、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)伴隨而來(lái)的是電池能量有限、計(jì)算資源和通信資源受限等缺點(diǎn)。所以在涉及到具有大量節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，怎樣進(jìn)行合理有效的資源調(diào)度和分配，讓節(jié)點(diǎn)在保證精度和實(shí)時(shí)性的同時(shí)，能夠進(jìn)行自組織的快速部署，以最大程度地達(dá)到節(jié)省能量的目的，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，成為了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)以最大程度地節(jié)省檢測(cè)層節(jié)點(diǎn)的能量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)層收發(fā)無(wú)線射頻信號(hào)的能量和通信帶寬?；谧赃m應(yīng)簇的節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略使得傳感器網(wǎng)絡(luò)中任何時(shí)刻工作的節(jié)點(diǎn)都是變化的，檢測(cè)工作與通信工作同時(shí)進(jìn)行，且相互獨(dú)立，可以極大地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作效率及其實(shí)時(shí)性。每個(gè)周期更新定位坐標(biāo)時(shí)，采用基于單點(diǎn)觀測(cè)值的改進(jìn)型擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，只需用當(dāng)前周期單個(gè)節(jié)點(diǎn)的單個(gè)測(cè)距值，即可實(shí)時(shí)更新移動(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明引用了自組織、自適應(yīng)簇的概念，使用基于自適應(yīng)簇的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略，并加入了合理的預(yù)測(cè)機(jī)制，通過(guò)卡爾曼算法進(jìn)行二次預(yù)測(cè)，防止了目標(biāo)丟失等情況的發(fā)生，也降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的總體功耗，節(jié)省節(jié)點(diǎn)有限的能量資源和通信資源。
[0006]本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，包括如下部分:分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)、基站、無(wú)線通信轉(zhuǎn)USB網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、輪式移動(dòng)機(jī)器人；所述分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)由12個(gè)兼具測(cè)量和無(wú)線通信功能的超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布而成，節(jié)點(diǎn)按3X4排列，其被分為6個(gè)網(wǎng)格，包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)；所述基站是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)中，負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源分配和信息解析；所述無(wú)線通信功能轉(zhuǎn)USB網(wǎng)關(guān)是負(fù)責(zé)基站和上位機(jī)之間的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)上下行雙向通信；所述的數(shù)據(jù)服務(wù)中心采集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量原始數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合定位算法得到目標(biāo)的位置信息，繪制目標(biāo)軌跡曲線并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，產(chǎn)生新的工作令牌通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳遞給基站。所述輪式移動(dòng)機(jī)器人接受基站的數(shù)據(jù)信息和控制指令，可在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)任意移動(dòng)。
[0007]所述的兼具測(cè)量和無(wú)線通信功能的超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)包括I個(gè)超聲波測(cè)距模塊、I個(gè)傳感器擴(kuò)展接口模塊、I個(gè)兼具無(wú)線通信功能的數(shù)據(jù)處理單元和I個(gè)電源模塊。
[0008]所述的兼具測(cè)量和無(wú)線通信功能的超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)，超聲波測(cè)距模塊采用6個(gè)SRF08超聲波傳感器，每個(gè)SRF08超聲波傳感器均有60度的有效測(cè)量角度，超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)平面范圍360度的全方位測(cè)距。傳感器擴(kuò)展接口模塊采用Crossbow公司的MDA100設(shè)備。兼具無(wú)線通信功能的數(shù)據(jù)處理單元采用Crossbow公司的MPR2400CA模塊，也稱(chēng)其為節(jié)點(diǎn)無(wú)線收發(fā)子站。
[0009]所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基站包括2個(gè)兼具通信功能數(shù)據(jù)處理單元MRP2400CA，分別與兩個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊相連，其中一個(gè)分管數(shù)據(jù)和信令的上行鏈路，用于接收來(lái)自所述分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)；另一個(gè)分管數(shù)據(jù)的下行鏈路，用于發(fā)送無(wú)線信號(hào)至分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)和所述輪式移動(dòng)機(jī)器人。
[0010]所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)模塊采用Crossbow公司的MIB520網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其能實(shí)現(xiàn)ZigBee - USB網(wǎng)關(guān)功能。
[0011]所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心采用搭載Ubuntul0.10版本Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的高性能計(jì)算機(jī)(PersonalComputer),基于Linux操作系統(tǒng)編寫(xiě)的上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制軟件運(yùn)行于該計(jì)算機(jī)上。
[0012]所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)，超聲波測(cè)距模塊和傳感器擴(kuò)展接口模塊通過(guò)基于12C協(xié)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(cè)距模塊連接，3.3V電源與傳感器擴(kuò)展接口模塊連接。
[0013]所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基站，基站與分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間是通過(guò)基于ZigBee協(xié)議的空中接口連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。
[0014]所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，所述網(wǎng)關(guān)模塊和基站通過(guò)51Pin接口連接。網(wǎng)關(guān)模塊與所述數(shù)據(jù)融合中心的計(jì)算機(jī)及所述移動(dòng)機(jī)器人的主控制器通過(guò)USB通用接口連接，實(shí)現(xiàn)UART通信。
[0015]所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)工作方式，其特征在于系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中，所有的節(jié)點(diǎn)都必須在自己的時(shí)隙里完成自身的任務(wù)，在多目標(biāo)跟蹤過(guò)程中，基于任務(wù)的自適應(yīng)分簇節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略是允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)打開(kāi)超聲波進(jìn)行測(cè)距的。系統(tǒng)正常工作包括如下步驟:
[0016](I)布置無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括系統(tǒng)所需的軟硬件，將移動(dòng)機(jī)器人放置于檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的有效范圍內(nèi)；
[0017](2)開(kāi)啟所有電源，整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，之后所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠待機(jī)狀態(tài)；
[0018](3)開(kāi)啟數(shù)據(jù)服務(wù)中心的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制軟件，通過(guò)點(diǎn)擊操作界面的開(kāi)始按鈕來(lái)啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)服務(wù)中心下達(dá)時(shí)鐘同步指令，通過(guò)基站發(fā)送端廣播給節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站和移動(dòng)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(jié)點(diǎn)達(dá)到時(shí)鐘同步，以避免時(shí)序混亂；
[0019](4)數(shù)據(jù)服務(wù)中心向基站發(fā)出搜索目標(biāo)的初始化工作命令，基站收到命令后，根據(jù)基于任務(wù)的系統(tǒng)資源時(shí)隙分配方法產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)周期命令幀，其包含工作令牌和通信令牌及其相應(yīng)的時(shí)隙分配系列，即根據(jù)預(yù)先設(shè)置的網(wǎng)格號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)，按照先網(wǎng)格后節(jié)點(diǎn)的順序逐個(gè)、輪流觸發(fā)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)工作，并為其安排了具體的時(shí)隙；
[0020](5)節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站接收到基站廣播的搜索目標(biāo)命令，根據(jù)工作令牌和通信令牌確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否具有工作或通信的權(quán)限。若某節(jié)點(diǎn)具有工作權(quán)限，則通過(guò)I2C串行接口觸發(fā)該節(jié)點(diǎn)的超聲波傳感器模塊工作，待測(cè)距完成后儲(chǔ)存相應(yīng)數(shù)據(jù)，等待自己通信時(shí)隙到來(lái)時(shí)發(fā)送；若某節(jié)點(diǎn)具有通信權(quán)限且在自己通信時(shí)隙內(nèi)，則開(kāi)啟無(wú)線通信模塊，將該節(jié)點(diǎn)在上一工作周期儲(chǔ)存的測(cè)距值和其他相關(guān)參數(shù)經(jīng)過(guò)編碼后通過(guò)ZigBee協(xié)議空中接口發(fā)送至基站，基站解碼后將有效測(cè)量數(shù)據(jù)和時(shí)標(biāo)通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳遞給數(shù)據(jù)融合中心。
[0021](6)數(shù)據(jù)服務(wù)中心的搜索目標(biāo)命令將持續(xù)觸發(fā)并收集12個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)，若對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)3輪搜索工作后，每一輪上傳有效測(cè)量數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)都小于3時(shí)，則表示未在檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，所有節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省能耗；若在一輪搜索中上傳有效數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)不小于3，則表示成功發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，進(jìn)入下一步；
[0022](7)數(shù)據(jù)服務(wù)中心對(duì)通過(guò)UART串口接收到的多個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算，計(jì)算出當(dāng)前周期在網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)個(gè)數(shù)及其各自坐標(biāo)。具體步驟:1、當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)階段運(yùn)行周期未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，采用最小二乘法，利用目標(biāo)所在網(wǎng)格內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，確定目標(biāo)位置的初始值；2、當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行周期達(dá)到設(shè)定值后，則采用基于事件驅(qū)動(dòng)的卡爾曼濾波算法進(jìn)行定位，若目標(biāo)在網(wǎng)格邊緣區(qū)域還需綜合兩點(diǎn)畫(huà)圓求交點(diǎn)法和網(wǎng)格邊緣監(jiān)測(cè)保護(hù)策略進(jìn)行網(wǎng)格切換；3、若由于突發(fā)事件導(dǎo)致目標(biāo)的丟失，則利用最小二乘法配合相鄰網(wǎng)格掃描法尋回目標(biāo)；
[0023](8)數(shù)據(jù)服務(wù)中心將計(jì)算所得移動(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo)信息保存，并自動(dòng)輸出至TXT文本文檔備份，且在上位機(jī)基于Linux操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)與控制操作軟件上以圖形和文本方式實(shí)時(shí)顯示移動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前周期的坐標(biāo)信息和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0024](9)數(shù)據(jù)服務(wù)中心根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前周期的位置等狀態(tài)信息，采取基于自組織自適應(yīng)簇的調(diào)度策略:基于目標(biāo)當(dāng)前周期的狀態(tài)信息，綜合運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)目標(biāo)下一周期的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終確定目標(biāo)所在網(wǎng)格中最近鄰的2?4個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一周期的任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇。確定下一周期任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇的原則如下:將運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)目標(biāo)預(yù)測(cè)得到的下一周期的任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇與當(dāng)前周期實(shí)際工作的任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇進(jìn)行比較:1、若預(yù)測(cè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)中與當(dāng)前工作節(jié)點(diǎn)一致的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于或等于預(yù)測(cè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前工作節(jié)點(diǎn)不一致的個(gè)數(shù)，則下一周期使用預(yù)測(cè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)，形成工作令牌和通信令牌；2、若小于，則下一周期繼續(xù)使用當(dāng)前工作節(jié)點(diǎn)，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(guò)基站發(fā)送端廣播給節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站；
[0025](10)通過(guò)點(diǎn)擊操作界面的啟動(dòng)機(jī)器人、同相位協(xié)同控制、反相位協(xié)同控制或停止機(jī)器人等控制按鈕，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)中心下達(dá)對(duì)機(jī)器人的控制指令，通過(guò)基站發(fā)送端廣播給移動(dòng)接收子站；
[0026](11)基站發(fā)送端將數(shù)據(jù)服務(wù)中心的最新生成的工作令牌、通信令牌等相關(guān)數(shù)據(jù)，以及來(lái)自對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制指令，廣播至節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站和移動(dòng)接收子站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下行傳輸；
[0027](12)節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站接收到基站廣播的指令，根據(jù)工作令牌和通信令牌確定節(jié)點(diǎn)自身在當(dāng)前工作周期內(nèi)是否具有工作或通信的權(quán)限。若某節(jié)點(diǎn)具有工作權(quán)限，則等待自己的工作時(shí)隙到來(lái)時(shí)觸發(fā)該節(jié)點(diǎn)的超聲波傳感器模塊工作，待測(cè)距完成后儲(chǔ)存相應(yīng)數(shù)據(jù)；若某節(jié)點(diǎn)具有通信權(quán)限，則等待自己的通信時(shí)隙到來(lái)時(shí)開(kāi)啟無(wú)線通信模塊，將該節(jié)點(diǎn)在上一周期儲(chǔ)存的測(cè)距值和其他相關(guān)參數(shù)發(fā)送至基站，供數(shù)據(jù)服務(wù)中心融合數(shù)據(jù)給目標(biāo)定位所用；
[0028](13)獲得工作令牌或通信令牌權(quán)限的工作節(jié)點(diǎn)，在測(cè)距完成或通信完成后，則查詢(xún)自身在本工作周期內(nèi)是否還有待完成的任務(wù)，如果則繼續(xù)等待相應(yīng)時(shí)間片的到來(lái)；否則休眠等待下一個(gè)工作周期的到來(lái)；
[0029](14)基站接收端接收自節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上行傳輸。數(shù)據(jù)接收完畢后，通過(guò)UART串口上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，進(jìn)入下一輪的工作周期；
[0030](15)重復(fù)執(zhí)行步驟(9)?(14)，持續(xù)監(jiān)測(cè)與控制網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)機(jī)器人，系統(tǒng)形成一個(gè)實(shí)時(shí)跟蹤反饋控制網(wǎng)絡(luò)。
[0031]所述步驟(4)中基于任務(wù)的分布式系統(tǒng)資源時(shí)隙分配方法包括下列步驟:[0032]4.1、根據(jù)分布式測(cè)量系統(tǒng)需要周期性進(jìn)行時(shí)間同步的特點(diǎn)，將系統(tǒng)時(shí)間軸分割成N*Uk)，N為自然數(shù)，取決于系統(tǒng)時(shí)間長(zhǎng)短，記Uk)為系統(tǒng)第k個(gè)時(shí)間同步周期，k =1，2，...，N。
[0033]4.2、在TeyeleGO開(kāi)始時(shí)，分配Tsyn。(k) = 5ms，作為時(shí)鐘同步工作所需時(shí)間，同時(shí)分配TA (k) =IOms,作為超前檢測(cè)工作時(shí)間提前量，剩下時(shí)間記為時(shí)間片輪轉(zhuǎn)總量Trotate (k)，Tcycle (k) = Tsync (k) +TA (k) +Trotate (k)；
[0034]4.3、根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的任務(wù)負(fù)荷動(dòng)態(tài)切割Trotate (k)，任務(wù)負(fù)荷量是由自適應(yīng)分簇節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略決定的，記當(dāng)前Tqjk)內(nèi)分簇?cái)?shù)量為N—(k)，每個(gè)分簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為 Nnode(k)，則 Trotate(k) = Nnode(k)*Ncluster(k)*(Tcomm+Tidle) + A (0)，其中△ (O)冗余時(shí)間量，為單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸一幀數(shù)據(jù)所需的額定通信時(shí)間，Tidle信道隔離量，但是由于分簇調(diào)度是動(dòng)態(tài)的，每一步執(zhí)行的分簇結(jié)果有可能是不一樣的，因此上式可寫(xiě)成
【權(quán)利要求】
1.基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，包括:分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)、基站、無(wú)線通信轉(zhuǎn)USB網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)服務(wù)中心和輪式移動(dòng)機(jī)器人；所述分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)由12個(gè)兼具測(cè)量和無(wú)線通信功能的超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布而成，節(jié)點(diǎn)按3X4排列，其被分為6個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格包含4個(gè)節(jié)點(diǎn)；所述基站是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)中，負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源分配和信息解析；所述無(wú)線通信功能轉(zhuǎn)USB網(wǎng)關(guān)是負(fù)責(zé)基站和上位機(jī)之間的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)上下行雙向通信；所述的數(shù)據(jù)服務(wù)中心采集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量原始數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合定位算法得到目標(biāo)的位置信息，繪制目標(biāo)軌跡曲線并存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，產(chǎn)生新的工作令牌通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳遞給基站；所述輪式移動(dòng)機(jī)器人接受基站的數(shù)據(jù)信息和控制指令，可在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)任意移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述兼具測(cè)量和無(wú)線通信功能的超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)包括超聲波測(cè)距模塊、傳感器擴(kuò)展接口模塊、數(shù)據(jù)處理單元和電源模塊； 所述超聲波測(cè)距模塊采用6個(gè)SRF08超聲波傳感器，每個(gè)SRF08超聲波傳感器均有60度的有效測(cè)量角度，超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)平面范圍360度的全方位測(cè)距；傳感器擴(kuò)展接口模塊采用Crossbow公司的MDA100設(shè)備，兼具無(wú)線通信功能的數(shù)據(jù)處理單元采用Crossbow公司的MPR2400CA模塊，也稱(chēng)其為節(jié)點(diǎn)無(wú)線收發(fā)子站； 所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基站包括2個(gè)兼具通信功能數(shù)據(jù)處理單元MRP2400CA，分別與兩個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊相連，其中一個(gè)分管數(shù)據(jù)和信令的上行鏈路，用于接收來(lái)自所述分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)；另一個(gè)分管數(shù)據(jù)的下行鏈路，用于發(fā)送無(wú)線信號(hào)至分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)和所述輪式移動(dòng)機(jī)器人； 所述網(wǎng)關(guān)模塊采用Crossbow公司的MIB520網(wǎng)關(guān)設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)ZigBee-USB網(wǎng)關(guān)； 所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心采用搭載Ubuntul0.10版本Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的高性能計(jì)算機(jī)，基于Linux操作系統(tǒng)編寫(xiě)的上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制軟件運(yùn)行于該計(jì)算機(jī)上； 所述超聲波測(cè)距模塊和傳感器擴(kuò)展接口模塊通過(guò)基于I2C協(xié)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(cè)距模塊連接，3.3V電源與傳感器擴(kuò)展接口模塊連接； 所述基站與分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間是通過(guò)基于ZigBee協(xié)議的空中接口連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信； 所述網(wǎng)關(guān)模塊和基站通過(guò)51Pin接口連接，網(wǎng)關(guān)模塊與所述數(shù)據(jù)融合中心的計(jì)算機(jī)及所述移動(dòng)機(jī)器人的主控制器通過(guò)USB通用接口連接，實(shí)現(xiàn)UART通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)工作方式，其特征在于，系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中，任何一項(xiàng)工作都只能在自己的時(shí)隙里完成自身的任務(wù)，在多目標(biāo)跟蹤過(guò)程中，基于任務(wù)的自適應(yīng)分簇節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)打開(kāi)超聲波進(jìn)行測(cè)距的；系統(tǒng)正常工作包括如下步驟: (1)布置無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括系統(tǒng)所需的軟硬件，將移動(dòng)機(jī)器人放置于檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的有效范圍內(nèi)； (2)開(kāi)啟所有電源，整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，之后所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠待機(jī)狀態(tài)；(3)開(kāi)啟數(shù)據(jù)服務(wù)中心的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制軟件，通過(guò)點(diǎn)擊操作界面的開(kāi)始按鈕來(lái)啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)服務(wù)中心下達(dá)時(shí)鐘同步指令，通過(guò)基站發(fā)送端廣播給節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站和移動(dòng)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(jié)點(diǎn)達(dá)到時(shí)鐘同步，以避免時(shí)序混亂； (4)數(shù)據(jù)服務(wù)中心向基站發(fā)出搜索目標(biāo)的初始化工作命令，基站收到命令后，根據(jù)基于任務(wù)的系統(tǒng)資源時(shí)隙分配方法產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)周期命令幀，其包含工作令牌和通信令牌及其相應(yīng)的時(shí)隙分配系列，即根據(jù)預(yù)先設(shè)置的網(wǎng)格號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)，按照先網(wǎng)格后節(jié)點(diǎn)的順序逐個(gè)、輪流觸發(fā)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)工作，并為其安排了具體的時(shí)隙； (5)節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站接收到基站廣播的搜索目標(biāo)命令，根據(jù)工作令牌和通信令牌確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否具有工作或通信的權(quán)限；若某節(jié)點(diǎn)具有工作權(quán)限，則通過(guò)I2C串行接口觸發(fā)該節(jié)點(diǎn)的超聲波傳感器模塊工作，待測(cè)距完成后儲(chǔ)存相應(yīng)數(shù)據(jù)，等待自己通信時(shí)隙到來(lái)時(shí)發(fā)送；若某節(jié)點(diǎn)具有通信權(quán)限且在自己通信時(shí)隙內(nèi)，則開(kāi)啟無(wú)線通信模塊，將該節(jié)點(diǎn)在上一工作周期儲(chǔ)存的測(cè)距值和其他相關(guān)參數(shù)經(jīng)過(guò)編碼后通過(guò)ZigBee協(xié)議空中接口發(fā)送至基站，基站解碼后將有效測(cè)量數(shù)據(jù)和時(shí)標(biāo)通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳遞給數(shù)據(jù)融合中心； (6)數(shù)據(jù)服務(wù)中心的搜索目標(biāo)命令將持續(xù)觸發(fā)并收集12個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)，若對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)3輪搜索工作后，每一輪上傳有效測(cè)量數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)都小于3時(shí)，則表示未在檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，所有節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省能耗；若在一輪搜索中上傳有效數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)不小于3，則表示成功發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，進(jìn)入下一步； (7)數(shù)據(jù)服務(wù)中心對(duì)通過(guò)UART串口接收到的多個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算，計(jì)算出當(dāng)前周期在網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)個(gè)數(shù)及其各自坐標(biāo)；具體步驟為: i、當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)機(jī)階段運(yùn)行周期未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，采用最小二乘法，利用目標(biāo)所在網(wǎng)格內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，確定目標(biāo)位置的初始值； I1、當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行周期達(dá)到設(shè)定值后，則采用基于事件驅(qū)動(dòng)的卡爾曼濾波算法進(jìn)行定位，若目標(biāo)在網(wǎng)格邊緣區(qū)域還需綜合兩點(diǎn)畫(huà)圓求交點(diǎn)法和網(wǎng)格邊緣監(jiān)測(cè)保護(hù)策略進(jìn)行網(wǎng)格切換； II1、若由于突發(fā)事件導(dǎo)致目標(biāo)的丟失，則利用最小二乘法配合相鄰網(wǎng)格掃描法尋回目標(biāo)； (8)數(shù)據(jù)服務(wù)中心將計(jì)算所得移動(dòng)目標(biāo)的坐標(biāo)信息保存，并自動(dòng)輸出至TXT文本文檔備份，且在上位機(jī)基于Linux操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)與控制操作軟件上以圖形和文本方式實(shí)時(shí)顯示移動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前周期的坐標(biāo)信息和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡； (9)數(shù)據(jù)服務(wù)中心根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)當(dāng)前周期的位置等狀態(tài)信息，采取基于自適應(yīng)分簇的調(diào)度策略:基于目標(biāo)當(dāng)前周期的狀態(tài)信息，綜合運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)目標(biāo)下一周期的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終確定目標(biāo)所在網(wǎng)格中最近鄰的2~4個(gè)節(jié)點(diǎn)作為下一周期的任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇；確定下一周期任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇的原則如下:將運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)目標(biāo)預(yù)測(cè)得到的下一周期的任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇與當(dāng)前周期實(shí)際工作的任務(wù)節(jié)點(diǎn)簇進(jìn)行比較: A、若預(yù)測(cè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)中與當(dāng)前工作節(jié)點(diǎn)一致的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于或等于預(yù)測(cè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前工作節(jié)點(diǎn)不一致的個(gè)數(shù)，則下一周期使用預(yù)測(cè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)，形成工作令牌和通信令牌； B、若小于，則下一周期繼續(xù)使用當(dāng)前工作節(jié)點(diǎn)，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(guò)基站發(fā)送端廣播給節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站；(10)通過(guò)點(diǎn)擊操作界面的啟動(dòng)機(jī)器人、同相位協(xié)同控制、反相位協(xié)同控制或停止機(jī)器人等控制按鈕，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)中心下達(dá)對(duì)機(jī)器人的控制指令，通過(guò)基站發(fā)送端廣播給移動(dòng)接收子站； (11)基站發(fā)送端將數(shù)據(jù)服務(wù)中心的最新生成的工作令牌、通信令牌等相關(guān)數(shù)據(jù)，以及來(lái)自對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制指令，廣播至節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站和移動(dòng)接收子站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下行傳輸; (12)節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站接收到基站廣播的指令，根據(jù)工作令牌和通信令牌確定節(jié)點(diǎn)自身在當(dāng)前工作周期內(nèi)是否具有工作或通信的權(quán)限；若某節(jié)點(diǎn)具有工作權(quán)限，則等待自己的工作時(shí)隙到來(lái)時(shí)觸發(fā)該節(jié)點(diǎn)的超聲波傳感器模塊工作，待測(cè)距完成后儲(chǔ)存相應(yīng)數(shù)據(jù)；若某節(jié)點(diǎn)具有通信權(quán)限，則等待自己的通信時(shí)隙到來(lái)時(shí)開(kāi)啟無(wú)線通信模塊，將該節(jié)點(diǎn)在上一周期儲(chǔ)存的測(cè)距值和其他相關(guān)參數(shù)發(fā)送至基站，供數(shù)據(jù)服務(wù)中心融合數(shù)據(jù)給目標(biāo)定位所用； (13)獲得工作令牌或通信令牌權(quán)限的工作節(jié)點(diǎn)，在測(cè)距完成或通信完成后，則查詢(xún)自身在本工作周期內(nèi)是否還有待完成的任務(wù)，如果有，則繼續(xù)等待相應(yīng)時(shí)間片的到來(lái)；否則休眠等待下一個(gè)工作周期的到來(lái)； (14)基站接收端接收自節(jié)點(diǎn)收發(fā)子站的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上行傳輸，數(shù)據(jù)接收完畢后，通過(guò)UART串口上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，進(jìn)入下一輪的工作周期； (15)重復(fù)執(zhí)行步驟(9)~(14)，持續(xù)監(jiān)測(cè)與控制網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)機(jī)器人，系統(tǒng)形成一個(gè)實(shí)時(shí)跟蹤反饋控制網(wǎng)絡(luò)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟(4)中基于任務(wù)的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配方法包括下列步驟: (4.1)根據(jù)分布式測(cè)量系統(tǒng)需要周期性進(jìn)行時(shí)間同步的特點(diǎn)，將系統(tǒng)時(shí)間軸分割成Ν*?^1ε(10，Ν為自然數(shù)，取決于系統(tǒng)時(shí)間長(zhǎng)短，記Uk)為系統(tǒng)第k個(gè)時(shí)間同步周期，k =I,2,..., N ； (4.2)在Teyele(k)開(kāi)始時(shí)，分配Tsyne(k) = 5ms，作為時(shí)鐘同步工作所需時(shí)間，同時(shí)分配TA (k) =IOms,作為超前檢測(cè)工作時(shí)間提前量，剩下時(shí)間記為時(shí)間片輪轉(zhuǎn)總量Trotate (k)，Tcycle (k) = Tsync (k) +TA (k) +Trotate (k)； (4.3)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的任務(wù)負(fù)荷動(dòng)態(tài)切割TrotatJk),任務(wù)負(fù)荷量是由自適應(yīng)分簇節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略決定的，記當(dāng)前Tctc^ (k)內(nèi)分簇?cái)?shù)量為Nduste (k)，每個(gè)分簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)^ Nnode(k),則 Trotate(k) = Nnode(k)*Ncluster(k)*(TCOfflffl+Tidle) + Δ (O),其中，Λ(Ο)冗余時(shí)間量，Iramm為單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸一幀數(shù)據(jù)所需的額定通信時(shí)間，Tidle信道隔離量，但是由于分簇調(diào)度是動(dòng)態(tài)的，每一步執(zhí)行的分簇結(jié)果有可能是不一樣的，因此上式可寫(xiě)成
thresholdTra,a,Ak)= Σ noAS)* NclusM* (Τ,ο?,η, + T?l>e )] + Δ(^) thr θ stlO I d 為 Tcycle ⑵內(nèi)進(jìn)行分簇調(diào)度的總步數(shù)； (4.4)為了提高系統(tǒng)資源使用效率，不同分簇間且不在干擾域的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)工作，同時(shí)所有節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)任務(wù)和通信任務(wù)是獨(dú)立的，基于這個(gè)特點(diǎn)系統(tǒng)采用雙通道并行工作方式，分別為檢測(cè)通道和通信通道；系統(tǒng)進(jìn)行第s步分簇后，系統(tǒng)需要完成Νη_(8)*Ν—“8)個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)任務(wù)和通信任務(wù)，因?yàn)椴煌执亻g的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)工作，可將以上節(jié)點(diǎn)分為Nnode (s)組,每一組包含Ndustw(S)個(gè)節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)是按組完成檢測(cè)工作的；(4.5)在第s步分簇后至第s+1步分簇前的檢測(cè)通道時(shí)間軸上，記為t (s，s+1)可切割成NntxJs)個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片長(zhǎng)度為 r^sonarwork? ^sonarwork ^tof^^write+Tidle，其中Tttjf為超聲回波所耗時(shí)間，Twrite為節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間； (4.6)在第s步分簇后至第s+1步分簇前的通信通道時(shí)間軸上，記為t (s，s+1)可切割成Nnode (s) *Ncluster (s)個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片長(zhǎng)度為T(mén)c_+Tidle ； (4.7)至此時(shí)間分割已完成，切割完后的每一個(gè)時(shí)間片，其所承擔(dān)的任務(wù)也就確定了。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟(3)中時(shí)鐘同步指令采用單向廣播同步的方式，確?；竞退泄?jié)點(diǎn)之間達(dá)到時(shí)鐘同步；基站在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)接收到此數(shù)據(jù)包時(shí)，記錄下各自的本地時(shí)間h，作為各自的參考時(shí)間，一旦所有節(jié)點(diǎn)都把當(dāng)前本地時(shí)間作為參考時(shí)間，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步就實(shí)現(xiàn)了，此后，各節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘都用相對(duì)時(shí)間At表示，At=t—A，其中，tcurrent為各節(jié)點(diǎn)晶振分頻之后的脈沖數(shù)累計(jì)時(shí)間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟(4)中工作令牌用于決定網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)獲得工作的權(quán)限；通信令牌用于決定網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)獲得通信的權(quán)限；同一個(gè)時(shí)隙中可以有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施檢測(cè)任務(wù)，但是在同一個(gè)時(shí)隙中只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有通信權(quán)，檢測(cè)任務(wù)和通信任務(wù)是相互獨(dú)立的，也就是工作令牌與通信令牌是相互獨(dú)立的；所述步驟(15)中數(shù)據(jù)的上行傳輸和所述步驟(12)中數(shù)據(jù)的下行傳輸是相互獨(dú)立的，上行和下行數(shù)據(jù)的信道分開(kāi)，分別由基站接收端和基站發(fā)送端負(fù)責(zé)，避免了沖突。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟(7)中基于事件驅(qū)動(dòng)的卡爾曼濾波定位算法包括下列步驟: (7.1)根據(jù)目標(biāo)所在區(qū)域的環(huán)境和運(yùn)動(dòng)特性綜合考慮選擇卡爾曼濾波的觀測(cè)方程，根據(jù)不同的觀測(cè)量和觀測(cè)矩陣執(zhí)行下列卡爾曼濾波迭代算法； (7.2)預(yù)測(cè)現(xiàn)在系統(tǒng)狀態(tài):
X (kIk-1) = AX (k-11k-1)+Bu(k)， (7.3)預(yù)測(cè)現(xiàn)在系統(tǒng)協(xié)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(jù)權(quán)利要求3所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟(7)中目標(biāo)尋回機(jī)制:相鄰網(wǎng)格掃描法，包括下列步驟: (1)首先基站通過(guò)廣播命令喚醒丟失目標(biāo)所在網(wǎng)格內(nèi)睡眠的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在喚醒之后搜索其監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的目標(biāo)信息，并收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心； (2)數(shù)據(jù)服務(wù)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，判斷是否有目標(biāo)重新出現(xiàn)的信息:若有，則休眠不相關(guān)節(jié)點(diǎn)并繼續(xù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行追蹤；若沒(méi)有，則重新廣播搜索命令消息至與之相鄰的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，并休眠本網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點(diǎn)； (3)相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在接受到搜索命令之后，喚醒并進(jìn)行搜索工作，并重復(fù)上面的操作，若還是沒(méi)有重新發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，則結(jié)束搜索工作，休眠各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點(diǎn)，各網(wǎng)格繼續(xù)輪詢(xún)偵察，直至尋回目標(biāo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟(7)中網(wǎng)格邊緣監(jiān)測(cè)保護(hù)策略運(yùn)用于移動(dòng)機(jī)器人在網(wǎng)絡(luò)中穿越不同網(wǎng)格前后，在經(jīng)過(guò)網(wǎng)格的邊緣區(qū)域時(shí)，運(yùn)用單個(gè)觀測(cè)值的擴(kuò)展卡爾曼濾波預(yù)測(cè)方法沒(méi)有順利完成網(wǎng)格切換的時(shí)候，判斷移動(dòng)機(jī)器人所在的網(wǎng)格，保障實(shí)時(shí)完成目標(biāo)跟蹤的網(wǎng)格切換；包括下列步驟: (i )當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)到網(wǎng)格Gl與網(wǎng)格G2的邊緣區(qū)域，系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)中心通過(guò)雙數(shù)據(jù)處理通道分別基于單個(gè)觀測(cè)值擴(kuò)展卡爾曼濾波算法和兩點(diǎn)定位算法來(lái)得到目標(biāo)位置信息，若兩者得到的位置信息相差達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，則通過(guò)兩點(diǎn)定位算法得到的最新位置信息糾正卡爾曼濾波中的當(dāng)前狀態(tài)值，從而加快卡爾曼預(yù)測(cè)的更新速度，保障跟蹤目標(biāo)的實(shí)時(shí)性；若通過(guò)以上方法得到的目標(biāo)位置還在網(wǎng)格Gl范圍內(nèi)，下一周期有可能跨入網(wǎng)格G2區(qū)域，則開(kāi)啟網(wǎng)格邊緣監(jiān)測(cè)保護(hù)策略； (? )開(kāi)啟網(wǎng)格G2中移動(dòng)機(jī)器人對(duì)面的兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的超聲波傳感器，單個(gè)超聲波傳感器的有效測(cè)距角 度為60°，兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可獲得有效測(cè)量范圍，并被納入到當(dāng)前的工作令牌中； (iii)若在某兩個(gè)連續(xù)的測(cè)量周期中發(fā)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人已進(jìn)入兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的有效測(cè)量范圍，即認(rèn)定移動(dòng)機(jī)器人已移動(dòng)到網(wǎng)格G2;若目標(biāo)物體未進(jìn)入有效測(cè)量區(qū)域，則一直將兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)納入工作令牌當(dāng)中，直至監(jiān)測(cè)策略停止，即目標(biāo)物體移出網(wǎng)格邊緣區(qū)域?yàn)橹梗? (iv)若認(rèn)定目標(biāo)物體已移動(dòng)到網(wǎng)格G2后，即關(guān)閉兩個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)束監(jiān)測(cè)策略；否則，重復(fù)執(zhí)行步驟(1)~(4)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟(9)中自適應(yīng)簇調(diào)度策略是將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的測(cè)量節(jié)點(diǎn)按照自身擺放的位置與相鄰的節(jié)點(diǎn)自組織的生成一個(gè)簇，同一個(gè)簇中的節(jié)點(diǎn)共同協(xié)作完成對(duì)移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)跟蹤的任務(wù)；簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容是會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化的，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人在網(wǎng)格中進(jìn)行切換時(shí)或者在同一網(wǎng)格中發(fā)生區(qū)域類(lèi)型變化時(shí)，不需要工作的節(jié)點(diǎn)退出簇，而簇內(nèi)也會(huì)加入新的節(jié)點(diǎn)成員；自適應(yīng)簇調(diào)度策略中加入了保證新加入的工作節(jié)點(diǎn)能快速可靠測(cè)量的機(jī)制；在多移動(dòng)機(jī)器人跟蹤過(guò)程中，不同任務(wù)之間的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間會(huì)產(chǎn)生干擾；當(dāng)多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人非?？拷臅r(shí)候，更有同一測(cè)量節(jié)點(diǎn)在不同簇內(nèi)同時(shí)工作的情況；簇間協(xié)商的機(jī)制是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人目標(biāo)跟蹤的保證；從不同簇中選取出一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)，組合成一次測(cè)量的工作令牌，若兩者同時(shí)測(cè)量會(huì)互相干擾，則把其中一個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)延時(shí)一個(gè)測(cè)量周期進(jìn)行測(cè)量，以此避免測(cè)量過(guò)程中超聲波之間的干擾。
【文檔編號(hào)】H04W64/00GK103716867SQ201310513775
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】蘇為洲, 葉景志, 羅振華, 羅汶鋒, 余輝榮 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)