基于無線傳感器網絡的搜救研究

馬琳 吳斌

【摘 要】基于無線傳感器網絡自身特點，運用基于固定簇頭及多閾值加權質心跟蹤算法，討論了基于無線傳感器網絡的森林失聯(lián)人員搜救的可能性。在仿真環(huán)境中，驗證了基于無線傳感器網絡的森林失聯(lián)人員搜救的可能，并進行了仿真驗證。

【關鍵詞】無線傳感器網絡；失聯(lián)；搜救

中圖分類號：TP21.6 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0228-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.105

【Abstract】Based on Wireless Sensor Networkstrait， A way of information changing between neighbouring cluster is proposed considering of saving power and increasing networks using life. In the simulation environment， the possibility of rescue based on Wireless Sensor Networks has been validated.

【Key words】WSN； Rescue

0 引言

森林搜救往往因失聯(lián)人員位置信息不詳、森林覆蓋廣闊、救援平臺技術限制等因素，導致救援任務失敗，所以森林救援急需引進新的技術來提高救援效率。無線傳感器網絡作為一種新興技術，已經在醫(yī)療、森林滅火、軍事等方面得到應用，且取得了成效。本文旨在研究討論適用于森林救援的無線傳感器網絡技術應用，通過無線傳感網絡相關關鍵技術來克服失聯(lián)人員位置信息不詳，森林面積廣闊等難題，從而提高森林救援的效率。利用無線傳感器網絡跟蹤定位失聯(lián)人員首先要確立網絡的拓撲結構，即明確網絡的覆蓋范圍，感知信息的傳輸路徑，然后根據(jù)獲得的信息進行失聯(lián)人員的狀態(tài)估計。由于無線傳感器節(jié)點數(shù)量大、密度高，無線傳感器網絡常采用簇形結構分布式管理。目前無線傳感器網絡分簇算法主要可以分為集中式和分布式。然而，集中式跟蹤需要節(jié)點向管理節(jié)點發(fā)送信息，節(jié)點的大部分能量消耗在通信上。為了克服集中式跟蹤的缺點，很多學者研究利用分簇結構進行分布式跟蹤[1-5]，文獻[6]介紹了基于簇頭分布式調度，簇內節(jié)點集中式調度，利用多節(jié)點分時跟蹤的方法，該方法定位精度好，但對節(jié)點密度要求高。文獻[7]介紹了基于無線傳感器網絡動態(tài)分簇的構建方法。文獻[8]介紹了基于固定簇頭的無線傳感器網絡分簇方法。本文在文獻[9]的基礎上進行了利用無線傳感器網絡對失聯(lián)人員搜索定位跟蹤算法的研究。

1 固定簇的建立

網絡完成無線傳感器節(jié)點部署后，確定簇頭位置

（1）簇頭無線傳感器節(jié)點通過廣播自身為簇頭的信息

（2）非簇頭無線傳感器節(jié)點接收簇頭節(jié)點的廣播信息，并根據(jù)接收信號的強弱向信號強度最大的簇頭發(fā)送一個加入請求信息，此信息包括加入無線傳感器節(jié)點的位置信息、無線傳感器節(jié)點到對應簇頭的通信能耗值。

（3）建立數(shù)據(jù)傳輸路徑

下面將介紹一種失聯(lián)人員在簇間運動情況，并提出一種解決辦法。由于是簇頭是固定的，則簇的大小及簇內節(jié)點也是固定的，但是失聯(lián)人員的運動是隨機的，故會出現(xiàn)如圖1所示的一種情況

失聯(lián)人員恰好穿過兩個簇交聯(lián)的部分，此時僅靠一個簇來完成失聯(lián)人員的定位是不準確的，需要兩個簇頭協(xié)作定位。本文提出的解決辦法是，由探測到失聯(lián)人員簇的簇頭向鄰近簇頭發(fā)出詢問消息，鄰近簇是否發(fā)現(xiàn)失聯(lián)人員，該簇頭如果收到回復是的消息，則由探測到失聯(lián)人員簇內無線傳感器節(jié)點多的簇頭進行失聯(lián)人員定位，少的簇頭將本簇內探測到失聯(lián)人員的節(jié)點信息發(fā)送給該簇頭。需要說明的是，由于簇頭與簇內無線傳感器節(jié)點是異構的，簇頭攜帶能量及運算能力較大，不用考慮簇頭間傳輸信息的能量損耗。

2 無線傳感器網絡搜救結構

直升機平臺將N個傳感器撒布到需要搜救的區(qū)域，無線傳感器節(jié)點的通信半徑均為r，由文獻[5]，失聯(lián)人員的聲信號強度一般隨距離成指數(shù)衰減，當失聯(lián)人員進入監(jiān)視區(qū)域后，無線傳感器節(jié)點i在t時刻接收到聲強可表示為

式中：s表示失聯(lián)人員信號源的聲強，di（t）是t時刻失聯(lián)人員與無線傳感器節(jié)點i的距離，α是衰減指數(shù)，一般取2，εi是背景噪聲，可以近似為高斯白噪聲，。無線傳感器節(jié)點采用三閾值檢測，檢測閾值分別記為E1，E2，E3。當失聯(lián)人員經過無線傳感器節(jié)點i時，其過程一般是從靠近到遠離。根據(jù)式（1），無線傳感器節(jié)點i的探測信號強度也會是一個從弱到強再到弱的過程，信號強度的峰值則表示此時失聯(lián)人員處在與無線傳感器節(jié)點i最近的距離上。

3 失聯(lián)人員狀態(tài)計算過程

即得失聯(lián)人員的位置，如圖2。然而求出的失聯(lián)人員位置與失聯(lián)人員實際位置存在較大的誤差，并且失聯(lián)人員處在閾值內的無線傳感器節(jié)點或許存在多個，上述算法會使無線傳感器節(jié)點的大部分能量消耗在計算失聯(lián)人員位置上，使無線傳感器節(jié)點的能量提前耗盡，因此提出基于多閾值失聯(lián)人員跟蹤算法，從而避免大量運算，節(jié)約無線傳感器節(jié)點的能量。

利用質心算法并進行加權，如式6，無線傳感器節(jié)點均勻分布

將上述兩式所求的坐標求和取中點可解決定位誤差較大的問題，所求的的失聯(lián)人員最終位置如下

當失聯(lián)人員經過無線傳感器節(jié)點時，無線傳感器節(jié)點記錄所獲取聲強最大值及最小值，同時發(fā)送給本簇簇頭，簇頭根據(jù)所獲得的的信息篩選出最大值以及最小值。當有無線傳感器節(jié)點探測到的最大值大于之前簇頭選取的最大值時，或最小值小于之前簇頭選取的最小值時，簇頭將采用此無線傳感器節(jié)點的最大值或最小值用來重新計算E1，E2，E3，R，并發(fā)送消息給簇內無線傳感器節(jié)點，通知改變閾值。

4 失聯(lián)人員跟蹤性能仿真及結論

模擬仿真環(huán)境設置如下，1000個無線傳感器節(jié)點在的區(qū)域內均勻撒播，無線傳感器節(jié)點的傳輸半徑r=20m，信號強度s∈[6，100]，衰減系數(shù)α=2，背景噪聲均值ε=4，失聯(lián)人員速度設為5m/s。

由圖可看出，多閾值定位誤差均在1～7m左右，而單閾值則相對來說定位誤差大一些。對于在500×500m的監(jiān)測范圍內，此誤差是可以接受的，同時，圖中有些定位誤差點會出現(xiàn)陡增陡降的情況，這是因為探測到節(jié)點的數(shù)目決定的，理論上來說，探測到節(jié)點的數(shù)量越多，其定位誤差越小。

5 結束語

結合無線傳感器網絡自身特點，探索研究了基于無線傳感器網絡對失聯(lián)人員定位跟蹤的可行性研究，結果表明，基于無線傳感器網絡的失聯(lián)人員定位跟蹤是可行的，為今后相關設備的研制提供了理論依據(jù)。同時仿真環(huán)境設置簡單，未考慮到真實森林環(huán)境充滿復雜噪聲，以后的工作重點將向減弱噪聲干擾方面傾斜。

【參考文獻】

[1]Zhao Feng，Liu Juan.Information-Driven Dynamic Sensor Collaboration[J].IEEE Signal Processing Magazine，2002，19（2）：61-72.

[2]Li d，Hu Y H，Energy based collaborative source localization using acoustic micro-sensor array[J].Journal EUROSIP Applied Signal Processing，2003，（4）：321-337.

[3]Jing T，Hichem S，Cedric R. Binary variational filtering for target tracking in sensor networks[C].Proc of 14th IEEE/SP Workshop on Statistical Signal Processing.Madsion，2007：685—689.

[4]Duric P M， Vemula M， Bugullo M F. Target tracking by particle filtering in binary sensor networks[J]. IEEE Trans on signal Processing， 2008，56（6）：2229—2238.

[5]孫超，趙路路，張影等.無線傳感器網絡分簇拓撲的覆蓋區(qū)域節(jié)點調度優(yōu)化算法[J].傳感技術學報，2010（1）：166-121.

[6]衣曉，鄧露，劉瑜.基于基站劃分網格的無線傳感器網絡分簇算法[J].控制理論與應用， 2012， 29（2）： 145-150.

[7]李迅，李洪峻.基于簇結構的無線傳感器網絡移動目標精確跟蹤[J].傳感技術學報，2009，22（12）：1814—1817.

[8]鄧克波，劉中.基于無線傳感器網絡動態(tài)簇的目標跟蹤[J].兵工學報，2008，29（10）：1197—1202.

[9]吳斌，衣曉.基于動態(tài)簇的無線傳感器網絡目標跟蹤算法[J].中國電子科學研究院學報，2015，8（4）：354—360.