無線傳感網(wǎng)多簇頭協(xié)助的目標(biāo)跟蹤

　　其中ci表示趨向因子，初始值為1.趨向因子表示目標(biāo)未來運動方向更趨向于哪個簇頭節(jié)點，若趨向于簇頭節(jié)點i,則簇頭節(jié)點i 周圍的預(yù)備簇頭節(jié)點將較早地監(jiān)測到目標(biāo)節(jié)點的信息，趨向因子由輔助簇頭接收到預(yù)備簇頭的個數(shù)決定.

　　初始時主簇頭由發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的哨兵節(jié)點擔(dān)當(dāng)；當(dāng)目標(biāo)丟失后利用恢復(fù)機制追蹤到目標(biāo)并重新建立跟蹤機制，此時主簇頭由發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的簇頭節(jié)點擔(dān)當(dāng).除上述兩種情況外，主簇頭均通過比較當(dāng)前各輔助簇頭的閾值，選取閾值較大的節(jié)點作為下一階段的主簇頭.主簇頭選定后，其鄰接簇頭節(jié)點作為輔助簇頭，輔助簇頭的鄰簇頭節(jié)點作為預(yù)備簇頭，建立起跟蹤機制，如圖2 所示.

　　三種簇頭完成不同的任務(wù).主簇頭主要完成簇內(nèi)節(jié)點信息的融合并對輔助簇頭信息進(jìn)行加權(quán)融合形成最終定位位置；輔助簇頭接收簇內(nèi)節(jié)點發(fā)來的信息進(jìn)行初次定位，并把定位結(jié)果發(fā)送給主簇頭；預(yù)備簇頭一方面做好監(jiān)測目標(biāo)的準(zhǔn)備，一方面防止目標(biāo)丟失，其簇內(nèi)節(jié)點處于休眠狀態(tài).當(dāng)預(yù)備簇頭感測到目標(biāo)信息時告知輔助簇頭，輔助簇頭將預(yù)備簇頭看做簇內(nèi)節(jié)點，融合預(yù)備簇頭發(fā)來的信息，并記錄預(yù)備簇頭的個數(shù)，在進(jìn)行主簇頭選舉時作為趨向因子的值.

　　3 目標(biāo)跟蹤算法

　　3.1 目標(biāo)監(jiān)測模型

　　采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)將整個監(jiān)測區(qū)域劃分為許多虛擬單元格，每個單元格內(nèi)的傳感器節(jié)點組成一個簇，當(dāng)簇頭節(jié)點能量小于某個閾值時進(jìn)行簇頭更換，且每個節(jié)點都有兩種狀態(tài)：監(jiān)聽和休眠狀態(tài).

　　節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中一個重要的評價指標(biāo)，許多學(xué)者從能量因素出發(fā)研究跟蹤算法.為了節(jié)省傳感器節(jié)點的能量，當(dāng)沒有目標(biāo)出現(xiàn)時應(yīng)使大部分節(jié)點處于休眠狀態(tài)，只需少量節(jié)點用于監(jiān)測目標(biāo)是否出現(xiàn).本文在監(jiān)測區(qū)域邊界設(shè)置哨兵節(jié)點（由邊界的簇頭節(jié)點充當(dāng)），用于偵測是否有目標(biāo)進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域.邊界簇頭周期性地隨機生成一個0~N 之間的數(shù)，若該數(shù)大于N/2（N 為邊界節(jié)點的總數(shù)），則該簇頭節(jié)點為哨兵節(jié)點，為防止哨兵節(jié)點能量殆盡，需要進(jìn)行簇頭選舉，比較哨兵節(jié)點的剩余能量和某個閾值的關(guān)系決定是否選舉簇頭.哨兵節(jié)點處于監(jiān)聽狀態(tài)，非邊界簇頭節(jié)點和簇內(nèi)節(jié)點處于休眠狀態(tài).當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)時由哨兵節(jié)點喚醒其鄰簇頭節(jié)點作為輔助簇頭，輔助簇頭節(jié)點喚醒其非主輔簇頭節(jié)點作為預(yù)備簇頭，建立監(jiān)測機制.

　　通信過程中，傳感器節(jié)點只需進(jìn)行相鄰節(jié)點之間的通信，假設(shè)網(wǎng)格的邊長為r,則通信半徑為2r;輔助簇頭節(jié)點和主簇頭節(jié)點要對目標(biāo)進(jìn)行定位，則設(shè)傳感器的感知半徑2 r .簇頭的選舉均采用文獻(xiàn)11的策略，且各傳感器節(jié)點均具有簡單的計算能力，跟蹤算法監(jiān)測模型如圖2所示.

　　3.2 目標(biāo)偵測與定位

　　哨兵節(jié)點發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，立刻喚醒鄰簇頭節(jié)點，鄰簇頭節(jié)點相繼地喚醒簇內(nèi)節(jié)點進(jìn)行監(jiān)測.初始時哨兵節(jié)點作為主簇頭節(jié)點建立跟蹤機制，隨后主簇頭.輔助簇頭協(xié)同其簇內(nèi)節(jié)點開始監(jiān)測目標(biāo)發(fā)出的信號并進(jìn)行定位.

　　傳感器節(jié)點之間可以通過發(fā)射的信號來確定彼此之間的距離，其中可測距的算法包括TOA（Time Of Arrival）算法.TDOA（Time Difference Of Arrival）算法.AOA（AngleOf Arrival）和RSSI（Received Signal Strength）算法.由于傳感器節(jié)點自身會發(fā)出RSSI 信號，且根據(jù)信號的強弱可以獨立獲得距離值，所以本文采用RSSI 算法，其中感測節(jié)點根據(jù)測量的接收信號載波功率計算出與目標(biāo)之間的距離dij表示為：

　　其中d0=1 m,P0=-30 dBm,α=3.

　　簇內(nèi)節(jié)點接收到目標(biāo)信號后將信息發(fā)送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點利用多邊測量計算出目標(biāo)的坐標(biāo).設(shè)在t 時刻，簇頭節(jié)點i 內(nèi)有k 個傳感器節(jié)點，其坐標(biāo)分別為（x1,y1），（x2,y2），…，（xk,yk），監(jiān)測到與目標(biāo)節(jié)點（x,y）的距離分別為d1,d2,…，dk,根據(jù)多邊形的定位模型有：

　　由于存在測距誤差，因此加入隨機誤差向量ξ（ξ為n-1維），有AX + ξ = b .利用最小二乘算法取ξ最小值時的X值.設(shè) Q（X） = ξ2 = AX – b2 ,對X求導(dǎo)得到目標(biāo)的估計位置：

　　通過式（5），初步計算出目標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)，隨后輔助簇頭將定位信息發(fā)送到主簇頭節(jié)點，主簇頭融合n-1 個輔助簇頭發(fā)來的信息通過式（6）求其均值，得到最終的目標(biāo)位置.

　　在整個網(wǎng)絡(luò)工作中三種簇頭相互轉(zhuǎn)化.主簇頭判斷接收到的相鄰兩次信號差，若信號差小于零即表明目標(biāo)遠(yuǎn)離主簇頭節(jié)點，此時主簇頭節(jié)點發(fā)送重新選舉主簇頭的消息，收到此消息的輔助簇頭計算自己的閾值Ti并發(fā)送給主簇頭節(jié)點，主簇頭節(jié)點選擇閾值最大的節(jié)點作為下一次的主簇頭節(jié)點，自己退卻為輔助簇頭節(jié)點，更新跟蹤機制；當(dāng)輔助簇頭節(jié)點及其簇內(nèi)節(jié)點接收不到目標(biāo)信號時，該輔助簇頭的簇內(nèi)節(jié)點睡眠，自己變?yōu)轭A(yù)備簇頭；預(yù)備簇頭若接收到目標(biāo)的信號，且跟蹤機制更新使它的一個鄰節(jié)點成為主簇頭節(jié)點時，預(yù)備簇頭轉(zhuǎn)化為輔助簇頭，喚醒簇內(nèi)節(jié)點進(jìn)行定位；但當(dāng)預(yù)備簇頭發(fā)現(xiàn)其鄰簇頭節(jié)點為預(yù)備簇頭或普通簇頭時，則停止工作變?yōu)槠胀ù仡^節(jié)點.