 Software Engineering and Applications 软件工程与应用, 2013, 2, 35-41 http://dx.doi.org/10.12677/sea.2013.21007 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/sea.html) Target Tracking and Alarm Monitoring Research Based on Wireless Sensor Network* Chenghui Yang, Guofeng W an College of Electrical Engineering, Northwest University for Nationalities, Lanzhou Email: yangchenghui36@163.com Received: Oct. 30th, 2012; revised: Nov. 10th, 2012; accepted: Nov. 20th, 2012 Abstract: This paper describes an infinite network node sensor networks, architecture, features, and related technologies and issues. And gave details of the sensor network based on infinite target tracking and alarm monitoring: in target tracking introduces the main technical indicators and several points need to be addressed. And speak the target tracking algorithm on a number of location tracking and specific methods to analyze the advantages and disadvantages of each method of the Department. Less so false and simple analysis of the results. Key in the alarm monitoring system in wireless sensor networks are introduced in combination with other devices in the sensor area of monitoring and alarm monitoring. And focuses on monitoring and alarm system module introduces the various parts of the necessary components and software modules of the flow chart. Keywords: Wireless Sensor Networks; Target Tracking; Positioning; Alarm Monitoring 基于无线传感器网络(WSN)的目标跟踪和报警 监控系统的研究* 杨成慧，万国峰 西北民族大学电气工程学院，兰州 Email: yangchenghui36@163.com 收稿日期：2012 年10 月30日；修回日期：2012 年11月10 日；录用日期：2012 年11月20 日 摘 要：本文主要介绍了无限传感器网络的网络节点、体系结构、特点及相关的技术和问题，并详细介绍了基 于无限传感器网络的目标跟踪和报警监控：在目标跟踪中主要介绍目标跟踪技术指标和关于定位的一些算法及 具体的跟踪方法同时还提出了需要解决的几点问题。虚拟坐标定位标算法，它是由本文的传送树算法改进的， 具有反应速度快、耗能少、虚报少等特点可以对结果进行了简单的分析。在报警监控系统中介绍了无线传感器 网络中的传感器如何结合其它器件对监控区域进行实时监控和报警，重点介绍了监控报警系统的组成模块和所 需的元件以及软件程序设计。 关键词：无线传感器网络；目标跟踪；定位；报警监控 1. 引言 无线传感器网络作为一种新的领域正在推动科 技发展和社会进步，关系到国家经济和社会安全，已 成为国际竞争的制高点，引起了世界各国军事部门、 工业界和学术界的极大关注。本课题主要是研究无线 传感器网络对目标进行跟踪和报警监控，这是无线传 感器网络的一个非常重要的领域。无限传感器网络目 *项目资助：“中央高校基本科研业务费专项资金资助”(Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)，多目 标进化算法的 WSN 数据采集算法研究，项目编号：zyz2011052； “中央高校基本科研业务费专项资金资助 ”：ZYZ2012058；西北 民族大学 2011教育教学改革项目，开放性电子设计研究，(项目编 号：JG201135)。 Copyright © 2013 Hanspub 35  基于无线传感器网络(WSN)的目标跟踪和报警监控系统的研究 标跟踪和报警监控系统的研究可以很好的提高工作 效率和保证人民的财产。比如在目标跟踪和监控方面 可以提高工作效率，加强人员管理可以实现区域事物 的实时监控，及时了解事物的动态[1]。还可以在战场 上及时跟踪敌方的车辆的行进路线和兵力的调动情 况，将获取的战场信息及时发送回我方指挥中心。 在报警监控方面可以最大程度地保障地区的安 全性，及时的报警可以对意外事件做出最快的反应。 报警监控系统主要是电子设备，电子设备具有的严谨 性、实时性的特点。其优点是客观性和连续性。这样 可以避免人保状态下的各种主观性、突然性和不连续 性。 2. 无线传感器网络 2.1. 无线传感器网络节点结构与体系结构 无线传感器网络是由许许多多功能相同或不同 的无线传感器节点组成，每一个传感器节点由数据感 应模块、数据处理、控制模块、通信模块和电源模块 等组成。如图1。 无线传感器网络通常由传感器节点、管理节点、 汇聚节点(Sink Node)和互联网组成。体系结构如图 2。 Figure 1. Wireless sensor network node composition 图1. 无线传感器网络节点的组成 Figure 2. Wireless sensor network system structure 图2. 无线传感器网络的体系结构 2.2. 无线传感器网络的特点 无线传感器网络往往是为了某个特定的需要而 设计的具有特定功能的由多个传感器组成的网络，有 着独特的体系结构和应用背景，使它具有与其他网络 不同的许多特点[2]。 1) 网络自组织性：无线传感器网络可以在任何时 刻、任何地点、不需要任何基础网络设施的条件下， 由传感器节点本身自己组织形成独立网络。 2) 容错性和工作时间局限性：无线传感器网络容 错性和个体功能局限性是其安全性所面临的最大问 题。传感器节点受到体积的限制，使得节点的计算能 力、存储能力等局限性表现非常突出。节点能量主要 靠电池，又决定了它工作时间上的局限性这都是无限 传感器网络的不足。 3) 网络拓扑特点：无线传感器网络中的拓扑结构 变化主要由于可移动节点的移动和节点能量的耗尽 造成的，而网络拓扑结构比较稳定，一般网络中的拓 扑变化主要由节点的移动造成的。 4) 网络分布式特点：网络分布式特性基站节点与 传感器节点体现了使用集中式的控制结构，但各个传 感器节点之间，是一种无中心的分布式控制网络。 5) 无线传感器网络的安全特点：有严重的安全性 问题由于无限传感器自身无限信道、有限电源、分布 式控制等技术，网络主机更加容易受到窃听、主动入 侵、拒绝服务、剥夺睡眠时间等形式的各种网络攻击， 而且传感器节点往往直接暴露在外面容易损坏。 无线传感器网络目标跟踪大体分为单目标跟踪 与面目标跟踪。单目标跟踪主要采用双元检测协作跟 踪、信息驱动协作跟踪、传送树跟踪算法等方法。面 目标跟踪采用对偶空间转换算法等方法。 2.3. 无线传感器网络路由技术 无线传感器网络中的路由技术可分为层次型协 议和平面型协议两种，基本的思想是采用在节点和汇 聚节点间建立连接。 层次型协议[3,4]功能比较简单，不需要维护负责的 路由信息。其缺点是群头节点可能会成为网络的瓶 颈。优点是大大减少了网络中路由控制信息的数量， 有很好的可扩充性。主要有低能耗自适应分簇结构和 敏感门高消耗能传感器网络协议。 Copyright © 2013 Hanspub 36  基于无线传感器网络(WSN)的目标跟踪和报警监控系统的研究 平面型协议中，所有节点的地位是平等的，其缺 点是可扩充性差，维护动态变化的路由需要大量的控 制信息。但是不存在瓶颈，主要有洪泛、信息协商传 感器协议。定向扩散是一种典型的以数据为中心的路 由协议。 2.4. 无线传感器网络路由技术面问题 无线传感器网络路由技术设计的基本特点是能 量低、规模大、移动性强、拓扑易变化、使用数据融 合技术和通信的不对称，因此无线传感器网络路由技 术的设计要满足以下路由机制要求[5,6]。 1) 能量高效的问题 无线传感器网络节点能量储备低，且能源一般不 能补充。传感器网络节点一般是部署后独立工作，可 维护性很低，且无线通信部件的功耗很高，通信功耗 占了节点总功耗的大部分耗能。因此，研究低能耗的 路由协议非常重要。 2) 数据融合技术的问题 在无线传感器网络中，为了减少流量和耗能，传 输过程中的转发节点经常将不同的入口的报文融合 成数目较少的出口报文转发给下一跳，这就是数据融 合的基本含义。采用数据融合技术意味着路由协议需 要做出相应的调整。这样可以减少信息的传输次数减 少节点能量消耗。 3) 通信不对称，流量分布不均匀的问题 无线传感器网络是一个数据采集网络，绝大部分 流量是由各个传感器流向汇聚节点，因此，流量分布 极不均匀。体现在源节点和目的节点不对称，源节点 众多而目的节点单一；传输方向不对称，以汇聚节点 为目的的数据流远远超过以它为源节点的控制流。 3. 目标跟踪的实现 3.1. 目标定位算法 在无线传感器网络的许多实际应用中，跟踪运动 目标是一项基本功能。由于传感器节点体积小、价格 低廉、采用无线通信方式，以及传感器网络部署随机， 具有自组织性、鲁棒性和隐藏性等特点，无线传感器 网络非常适合于移动目标的定位和跟踪。无线传感器 网络目标定位方式主要如下： 1) 主动模式 基于距离的定位：测量节点间距离或方位时采用 的方法有：到达时间 T0A(TOA, Time Of Arrive)，到 达时间差 TDOA 到达角度 AOA，接收信号强度指示 RSSI。目前常选择 RSSI 来进行跟踪定位。基于距离 的定位方法虽然能够达到很好的精度，但共同缺点都 是需要节点间的严格同步，且能量消耗大。 2) 被动模式 与距离无关的定位中，一种方法是对节点到目标 间的距离进行估计，然后通过三边测量法或极大似然 估计法进行定位。还有一种方法是将包含目标的区域 中心或离目标最近的节点位置作为目标位置。 3) 基于声波衰减模型的定位 这种方法需要根据经验测量获得比较接近实际 的模型，因此在定位误差上有待提高。 如何提高移动目标的定位和跟踪准确度、改善无 线传感器网络的能量有效性是无线传感器网络的移 动目标定位和跟踪研究的关键技术。目标定位是实现 移动目标跟踪的前提和基础。无线传感器网络的目标 定位方法有许多种，但万变不离其宗。我们前面介绍 了一些算法。这些算法都有优缺点。本文在原有定位 算法上提出了虚拟坐标定位算法。这种算法首先利用 节点采集的目标信号强度计算出节点的虚拟坐标，在 此基础上再利用质心算法对目标进行定位。该种算法 一方面利用分簇方法解决了单链问题，在簇内为每个 节点建立两元组的虚拟坐标。另一方面，在考虑网络 连通的情况下，每个节点周期性地判断自己需要处于 工作状态还是睡眠状态，同时，在工作状态节点中完 成路由发的选择。为了均衡利用能量，延长网络周期， 工作状态的节点在一段时间后自动地进入睡眠状态。 算法原理[7,8]示意图如图 3虚拟坐标算法原理图。 在图 3中，参与追踪的节点为A、B、C···H，目 标为 M。因为各节点到目标的距离不等，节点采集的 目标信号强度大小也会不一样。这里选取信号最强的 N节点为锚节点，其余节点在计算虚拟坐标的时候指 向锚节点，而虚拟坐标偏移节点自身坐标的距离依据 节点采集的目标信号强度计算得出。每个追踪的节点 对应一个虚拟坐标，最后对所有节点的虚拟坐标取平 均值作为目标在某一时刻的位置估计[9,10]。虚拟坐标 的计算由下面的公式给出： max 1 ii WEEa (3-1) Copyright © 2013 Hanspub 37  基于无线传感器网络(WSN)的目标跟踪和报警监控系统的研究 A B C D E F G H M N Figure 3. Virtual coordinate algorithm principle diagram 图3. 虚拟坐标算法原理图 iHii X XXW (3-2) iHi YYYW i (3-3) ii X X X (3-4) ii YY Y (3-5) i T X X N (3-6) i T Y Y N (3-7) i W代表第 i号节点的权重。 为目标与节点距离为 零时节点测量到的信号强度。为第 i号节点某时刻 测量的信号强度。α为调整参数， max E i E i X 、为第i号跟 踪节点坐标。( i Y H X 、 H Y)为锚节点的坐标。 i X 、i Y 为第 i号节点计算虚拟坐标的位移变化量。(i X 、i Y ) 为第 i号节点的虚拟坐标，(T X 、)为目标的位置估 计坐标。 T Y 3.2. ABVCap_UE路由算法 该文章做出以下的假设：1) 每个节点不可以移动 并且有唯一的 ID；2) 节点初始时具有一定的能量， 并且在任意时候节点的生育能量是知道的；3) 每个节 点u都知道邻居节点的相关信息；4) 网络图式连接图。 虚拟坐标的建立：ABVCap_UE算法为每个节点 分配两元组的坐标(经度，纬度)，来确定簇点内的相 关位置。 在网络拓扑图 G中，对于两条邻居内具有最小的 ID 号的节点 u，首先将自己的簇号设为自己的 ID 号， 然后广播发起一个将要建簇的信息，信息中包括u的 ID 号。一旦有节点 v通过双链接路径收到这个建簇信 息，此时将自己的簇号设定为 u的ID 号。如果节点v 收到多个建簇消息，那么选择其中最小的一个 ID 号 作为自己的簇号。在建簇的过程中，只有双链的邻居 节点才能收到建簇的消息，从而保证了一个簇内，任 何两个节点都能够通信。在建簇消息完成后，整个网 络被划分成若干个簇。在一个簇内，本身 ID 号为簇 号的节点作为这一个簇的簇头节点。在一个簇内发起 建簇消息的节点应该会由很多个，但是最终选择这个 簇内的最小的节点最为簇头。在整个的建簇算法中， 每个节点的存储簇号也是簇头节点的 ID号。 在确定点的虚拟坐标时，首先在每个簇内，根据 ABVCap算法选择四个节点，分别取记号为X、Y、Z、 Z'，在通过洪泛法，将每个节点记下到定位点得最小 跳数。然后，X到Y路径上的点构成经度轴。精度轴 上的每一个节点，将自己的经度坐标值记到X点的最 小跳数，纬度坐标记为 0.在经度轴上的每一个节点 u(经度的坐标为K)分别建立到 Z和Z'点的坐标轴，称 作纬度轴。轴上的每个节点设置经度坐标值等于 K， 前者纬度坐标值等于 u到Z的跳数减去自己到 Z的跳 数，后者则相反。对于非轴上的节点的坐标等于它距 离最近节点的坐标。为了使每个节点都公平性地担任 网络连将数据发送给本簇内的簇内的簇间使者节点， 他将数据转发给对象节点，当数据到达目的节点所在 通的任务，协调节点周期性地检查自己是否可以成为 非协调点。原则是他的任何两个邻居节点都可以直接 成为通信或者经过一两协调点通信。 路由选择：在 ABCap_UE 算法为每个节点建立了 虚拟坐标和协调点选取的前提下，以下路由协议进行 数据传输。根据文献源节点可以得到目的节点的唯一 虚拟坐标和目的节点的簇号。路由协议分为以下两种 情况：1) 若目的节点与源节点在一个簇内(根据每个 节点的簇ID 可判断)，直接用下述路由算法；2) 否则， 的簇时，按下述路由算法[11]。 1) 修改状态，源节点与目的节点要收发数据，所 以将设为协调节点。 2) 选择下一跳节点 u在邻居协调节点集合中做 以下判断(避免进入死循环)；If(所有的邻居协调节点 转发过此数据包)则将数据缓存在它邻居的非协调节 Copyright © 2013 Hanspub 38  基于无线传感器网络(WSN)的目标跟踪和报警监控系统的研究 点，等待非协调节点唤醒时再转发数据，对于这一非 协调节点，如果频繁收到数据缓存于该节点，将变为 协调节点，以减少转发延时。Else：节点 u在它的协 调节点集合中(不含转发此包得协调节点)选择对最小 的作为下一跳节点。U标记自己转发过此数据包。 3) 判断 If(当前节点为目的节点)算法结束。Else 重复步骤2)。 3.3. 跟踪状态下的节点唤醒 传送树结构：目前大多数传感器网络跟踪算法都 是集中式的，跟踪信息需传送到数据中心去进行综合 处理。基于传送树的跟踪算法是一种分布式算法，节 点只在本地收集数据并通过局部节点交换信息以完 成目标跟踪。当目标进入监测区域的时候，只有当目 标进出传感器的监测范围的传感器才有响应。也就是 说检测到目标的传感器只有目标周围的传感器。我们 经这些传感器统一的分为：目标前放传感器和目标后 放传感器。在目标后方的传感器检测到目标的信息越 来越弱。而目标前方的传感器的信号越来越强。这样 目标的运动的方向就大致可以确定。这样我们就可以 唤醒目标运动方向的前方的少数节点对目标进行跟 踪。并且目标运动方向的信号强度也会越来越强。当 目标前方的传感器的信号强度大于我们设定的阀值 M时。这个传感器就向周围以广播的形式唤醒其周围 的节点，使其从休眠状态转为侦测状态。为了传感器 节省能量，所以传感器在一定的时间只被唤醒一次 [11]。(这里限定一定时间的原因是防止目标突然转向而 检测节点又没法唤醒的情况)而再传感器后面的节点 则随着信号的减弱自动转入休眠状态。移动目标附近 的节点通过传送树结构进行协作跟踪，在保证对目标 进行高效跟踪的同时减少节点间的通信开销。这样不 必经过簇头减少了信号的传递级，从而节省了能量。 跟踪过程图如图4。 3.4. 目标追踪流程 为了节省传感器节点的能量，传感器网络采用网 格状的分簇结构。如图5所示。当目标出现时传感器 网络节点监测目标是否出现，若目标出现则唤醒周围 节点跟踪并将向好强度值传送至簇头进行分析并计 算锚头节点的位置。判断目标的运动方向唤醒前方的 Figure 4. Node conversion strategy map 图4. 节点转换策略图 Figure 5. Points cluster network structure diagram 图5. 分簇网络结构示意图 节点。当该网络没有侦测事件发生时，只有簇头节点 处于工作状态，普通节点则处于休眠状态。当移动目 标进入网格时，簇头节点负责唤醒单元格中的其他节 点。下面给出了节点侦测流程图如图 6和跟踪数据处 理流程如图 7及分簇结构原理图 5。 4. 报警监控 4.1. 系统的硬件结构 系统主要由处理器模块、温度采集模块(传感器和 ADC0809)、显示模块报警模块和喇叭六部分组成。 如图 8为系统的结构框图。 电源模块：交流电压 220 V 通过变压器，得到 16 V和7 V 的交流电压，再通过全波整流、滤波电容滤 波后供给集成稳压块 7815、7915、7805，得到+5 V、 +15 V或−15 直流电压[12]。 Copyright © 2013 Hanspub 39  基于无线传感器网络(WSN)的目标跟踪和报警监控系统的研究 Figure 6. Node detection flow chart 图6. 节点侦测流程图 微处理器：AT 89 C5 1是一种低功耗、高性能 CMOS 8位微控制器，具有 8 K在系统可编程 Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术 制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程 器[13,14]。在单芯片上，拥有灵巧的 8位CPU 和在系统 可编程 Flash，使得AT8 9c 51在众多嵌入式控制应用 系统中得到广泛应用。 ADC0809:ADC0809 是美国国家半导体公司生产 的CMOS 工艺8通道，8位逐次逼近式A/D 转换器。 其内部有一个 8通道多路开关，它可以根据地址码锁 存译码后的信号，只选通 8路模拟输入信号中的一个 进行 A/D 转换。是目前国内应用最广泛的8位通用 Figure 7. Tracking data processing flow chart 图7. 跟踪数据处理流程图 温度采集模块 ADC0809 传感器 数据处理模块 AT89C51 CPU 温度显示模块 报警模块 LED 显示器 高温报警 喇叭 Figure 8. Alarm system design 图8. 报警系统设计 A/D 芯片传感器模块：这里传感器模块根据情况的不 同含有多种传感器主要有：微波多普勒效应探头、微 波红外复用探头、红外热释电传感器人体都有恒定的 体温[15]，一 般在37℃左右，会发出 10 mm 左右特定波 Copyright © 2013 Hanspub 40  基于无线传感器网络(WSN)的目标跟踪和报警监控系统的研究 Copyright © 2013 Hanspub 41 5. 总结 长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的 红 外线而进行工作的。离子烟感器和半导体气敏传感器 用于监视火警 及煤气泄漏。在这里我 们用温度传感器。 以往的目标跟踪方法延时比较大，不适应高速运 动的目标跟踪。跟踪精度也不好，有的算法需要所有 节点参与跟踪浪费节点的能量。目前，最常用的粒子 滤波算法效果也不是很好，传送树跟踪算法使用了基 于簇的节点自组织策略，但是根节点的选举以及移交 阶段通信量急剧增加，目标跟踪任务还要暂停，对于 高速运动的目标，难免导致目标丢失。虚拟坐标定位 算法则不存在以上问题，并且传感器网络跟踪系统具 有良好的可扩展性、可靠性、实时性、节能效率高、 自适应性和鲁棒性。本文的报警监控系统实现简单， 且报警及时能很好的保证家庭和地区的安全。 4.2. 系统的工作原理 如图 8所示，传感器将采集的温度信号先转换成 电流信号，再转换为电压信号，最后送入 D/A 变换器 ADC0809中，输出 BCD 码送入AT 89 C51单片机中， 处理器中运算控制器根据接收数据进行处理同时将 数据保存，通过软件对所测电压进行数字非线性校 正，同时由显示器进行实时显示。根据系统程序温度 高于 65 摄氏度时发生报警。 4.3. 系统电路图 参考文献 (References) 当电路没有运行时AT 8 9 C 5 1和ADC0809的各个 引脚呈灰色，表明电路没有运行。当电路运行单位报 警时 AT8 9 C 51和ADC0809 的各引脚呈红色并闪烁， 当电路报警时报警灯闪烁喇叭发出响声后系统电路 图如图 9所示。 [1] 陈瑞, 王青云. 无线传感器网络的路由协议研究[J]. 现代电 子技术, 2006, 29(17): 15-17. 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