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目标跟踪WMSN的定位方法与动态分簇研究

唐军  
【摘要】: 无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSN)是随着半导体技术的发展,在无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)中引入低功耗视频和音频传感器而形成的。无线多媒体传感器网络由于丰富的传感信息已经成为一个研究热点,被广泛应用于图像注册、分布式视频监控、环境监控以及目标跟踪等项目中。 由于传感器类型的变化,在基于无线多媒体传感器网络的目标跟踪过程中,需要采用不同于传统无线传感器网络的新方法和策略。本文提出了目标定位方法和基于动态分簇的目标跟踪架构,以提高目标跟踪的性能。 在提出的目标定位方法中,首先分析了无线音频传感器的信号衰减特性和传感器分布位置对目标定位精度的影响,形成目标跟踪的传感器节点选择原则。然后,分析了现有计算机视觉领域的摄像头标定技术和无线视频传感器节点的特点,利用监控区域有限点的位置坐标,通过CamShift单目标跟踪和双节点的平移特性,求解出摄像头标定的旋转矩阵R与内部参数矩阵K,从而通过视频传感器节点以低复杂度的方法完成了目标定位。 在动态分簇研究中,提出了基于动态分簇的目标跟踪架构,通过设计架构中的动态分簇算法以及路由协议,提高了目标跟踪的鲁棒性和精度,降低了目标跟踪的能量消耗。动态分簇算法基于运动目标的历史轨迹数据,对目标的将来轨迹和当前速度进行预测。通过预测结果优化选择簇头和簇半径,并以簇内节点完成目标跟踪。簇内普通节点完成目标的感知后,将数据发送给簇头。簇头完成目标定位,再将位置坐标发送给汇聚节点以完成目标跟踪。为了保证目标跟踪数据传输的可靠性,降低链路的丢包率,基于蚁群算法设计了最小能量消耗率路由协议,对链路的最大负载进行限制。 在具有安全机制的动态分簇协作处理研究中,首先利用节点的自定位功能,提出了基于位置坐标的任务分配算法TAAC。TAAC以最小的能量消耗为目的,以任务处理的实时性为限制条件,将计算与通信任务分配给目标附近的传感器节点,通过传感器节点的并行计算提高网络的处理能力,降低网络能量消耗。为了保证协作处理的安全,针对两跳分簇协作处理架构,提出一种新的密钥管理协议。通过建立簇密钥对,降低了密钥存储开销,解决了密钥对建立和更新过程中通信开销大的问题。具有安全机制的协作处理的研究,既提高了目标跟踪的实时性,又为网络提供了安全保证。 最后,本文设计并实现了小规模的目标跟踪无线多媒体传感器网络。主要包括低功耗无线图像传感器节点、无线温度传感器节点和服务器的软硬件设计与实现。相比现有的同类型传感器节点,本文的节点提高了处理速度和传输带宽,降低了能量消耗。网络能支持温度和图像数据的多跳传输,错包率低。无线图像传感器节点感知目标的出现后将图像数据发送给汇聚节点,并通过Shape Matching算法对目标进行匹配,减少同一个目标数据的重复发送,降低网络的能耗。


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