基于无线传感器网络动态簇机制的目标跟踪和耗能优化方法研究

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21世纪中,随着无线通信技术、微电子技术以及计算机技术的迅速发展和进步,推动了无线传感器这一低功耗多功能新兴技术的迅速发展,这就在微小体积中实现了综合数据采集、数据处理和数据通信等诸多功能。无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)是新世纪顶尖的科学领域,由于其本身所具有的潜在的价值,已经受到了诸多国家工业以及学术界的高度重视。基于无线传感器网络所具有的潜在的价值,该技术在生活和工业以及军事等前沿领域都有着相当广泛的重要价值。在无线传感器网络技术中,目标定位和跟踪是研究的重要方面之一,这在各个领域都有着相当广泛的使用价值。WSN网路技术一般使用内置电池进行供电,一旦在检测区域中布点,由于布点的随机性,那么更换电池将是一个工程量巨大的任务,这是很难实现的工作。因此,WSN网络中,延长整个网络的使用寿命是WSN网络的重要特性之一,如何在保证跟踪精准度的同时,减少能耗,延长网络寿命是设计目标跟踪体系时所必须考虑的几个关键技术问题。因此,对于WSN网络中目标跟踪技术方面的研究工作还是具有重要的理论以及实际意义的。本文首先介绍WSN网络的概念以及其所具有的基本特性,其次阐述一下几种经典的目标跟踪算法,分析一下不同算法的原理和跟踪有效性以及能量的有效性。在此基础上,提出一种基于传感器节点半径分级的簇头轮转机制的目标跟踪算法,动态分簇成员节点采用最大似然法对目标位置进行跟踪计算,以确保精准度,传感器节点检测半径分级来减少整个网络的能耗。这样既能够减少簇头节点过长时间担当簇头而对节点能量的过度消耗,规避在某个区域中形成节点分布空洞,又能尽最大可能的实现目标的定位。所描述的问题可如下解释:在传感器布点区域中,假设跟踪物体缓慢移动或者是静止状态,簇头节点会很长时间内担当簇头,这就使其能量消耗过大,从而影响整个网络的定位精度,在目标丢失过程中,也不能够有效的对目标进行追踪。为了解决以上两个问题,本文提出了一种基于传感器节点半径分级的动态簇头轮流机制。首先所有的传感器节点都有高低功耗的半径,在目标跟踪过程中,所有节点根据传感器能量和目标的信号强度加入簇组,实时动态的进行调整,目标移动时,簇组实时调整并进行更新。在目标跟踪过程中,节点启用低功率半径,当目标丢失时,簇组节点启动高功率半径,门限之内未能追踪的话则进入休眠状态。使用matlab进行的仿真实验结果验证了本文所提出的算法的有效可行性。
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