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1、基于声音的无线传感器网络单目标跟踪研究与应用摘要无线传感器网络是由大量智能传感器节点以无线通信方式融合在一起，并能对周围的某些物理现象进行协同感知的自组织网络。目标跟踪是无线传感器网络的重要应用，目前基于无线传感器网络的目标跟踪研究主要集中在单目标跟踪，现有的节点自组织策略和目标定位算法，对高速运动的目标，存在定位精度和能耗不可调节、容错性差、目标丢失等问题。如何解决这些问题，是一个值得深入研究的课题。本文以车辆跟踪应用为背景，详细分析了基于无线传感器网络单目标跟踪中的跟踪和定位问题，修改并提出了一套基于声音能量的无线传感器网络单目标跟踪和定位算法。本文主要工作如下：1、在CACFAR基础上，
2、提出了WCACFAR单节点目标检测算法，该算法使用节点自身的历史数据和“将来”数据动态调节目标检测阀值。2、 改进了一个基于声音能量的传感器节点自组织策略。在簇首领节点选举和移交算法中，使用节点检测到的目标声音能量值作为首领选择的依据。3、 提出了加权质心目标定位算法。根据声音能量传播模型，节点侦测到的目标声音能量值和节点到目标距离的平方成反比。因此，在使用节点坐标估计目标位置时，将节点侦测到的目标声音能量值的平方根作为该节点的权重。4、 在Windows操作系统平台上，使用Visual C卜60和MATLAB 65开发了一个基于声音的无线传感器网络单目标跟踪仿真实验平台WinWSNSim，并
3、在该平台上，对基于声音能量的传感器网络节点自组织策略、加权质心定位算法以及三边测量定位算法进行了仿真实验。实验表明，基于声音能量的传感器节点自组织策略以及加权质心定位算法具有较高的定位精度和较低的能耗。关键词：无线传感器网络，定位，目标跟踪，声音能量，车辆跟踪Exploring Single Target Tracking Using Acoustic WirelessSensor NetworksABSTRACTWireless sensor network isaself-organizing network which consists of largenumber of intelli
4、gent nodes；it has ability of sensing the surrounding cooperativelySingle target tracking is ahotspot in wireless sensor networks，however,existing nodegroup management and target localization algorithms face some difficult problemssuch asbalance between energy consumption and localization accuracy, f
5、aulttolerance，target lost etc，especially for highspeed target，it isagreat challenge tosolve these problems in target tracking based on acoustic wireless sensor networksAfter adeep study about the single target positioning and tracking in acousticwireless sensor networks based on the vehicle tracking
6、，a positioning and trackingalgorithm for single target tracking on acoustic wireless sensor networks is proposedThe main contributions of this paper are：1Proposes aWCA-CFAR target detection algorithm for single node based onCACFAR2Improves anode self-organizing algorithm for single target tracking o
7、f acousticwireless sensor networks which elects and transfers cluster head in terms of theacoustic energy detected by sensor nodes3Proposes aweightedcentroid target localization algorithm based ontheconception that the energy received by node is inversely proportional tothe square ofthe distance bet
8、ween the node and target4Develops an emulator for single target tracking of acoustic wireless sensornetworks in Visual C+60 and MATLAB 65and extensive simulations have beenconducted tocharacterize performance of the node self-organizing algorithm，weightedcentroid target localization algorithm and tr
9、ilaterationIISimulations results show the node self-organizing algorithm and weightedcentroid target localization algorithm have higher localization accuracy and lowerenergy consumptionKeywords：Wireless Sensor Networks，Localization，Target Tracking，AcousticsEnergy,Vehicle TrackingIII西北大学学位论文知识产权声明书本人
10、完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。墨差蓑妻嚣萎裹墨一指导教师签名：鳓 学位论文作者签名：彩盔阻指导教师签名：趔h 侧晕厶月-r-IEl 缈白纱日西北大学学位论文独创性声明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标
11、注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意中朋 窈月 名年签f秘“作y文l_沦 位 学第一章绪论11研究背景与意义第一章绪论无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)【1】【21是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合性学科。2000年以后，随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进步，制造廉价、微型、低功耗、多功能的传感器节点成为可能。无线传感器网络可广泛应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能
12、到达的区域，如受到污染、环境被破坏或敌对区域和一些临时场合，如发生自然灾害，固定通信网络被破坏等。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点。可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域，是信息感知和采集的一场革命，被认为是21世纪最重要的技术之一【3】，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。2003年2月份的美国技术评论(Technology Review)杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一；美国商业周刊认为，传感器网络是全球未来四大高技术产业之一；美国今日防务杂志更认为无
13、线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革：2004年IEEE Spectrum杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用：近几年来在美国国防部高级规划署(DARPA)、美国自然科学基金委员会和其它军事部门的资助下，美国科学家正在对无线传感器网络所涉及的各个方面进行深入研究。可以预见，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。在无线传感器网络的许多实际应用中，动态目标跟踪已成为一大热点。不论在军事或民用领域，对这一应用的需求显得日益强烈。第一个目标跟踪系统可以追溯到第二次世界大战前夕，
14、即第一部跟踪雷达站，它是通过一个探测器连续地瞄准和跟踪一个目标来实现的。美国的国家导弹防御系统NMD和区域导弹防御系统TMD，其核心就是目标跟踪。随着科学技术的进步和现代战略战术的发展，第一章绪论各种雷达、红外、声纳和激光、卫星等目标跟踪系统相继得到发展并且日趋完善【4】。在民用领域，通过跟踪候鸟和昆虫的迁徙，研究环境变化对农作物的影响；在野生动物自然保护区，跟踪珍稀动物，如大熊猫的运动路径，深入研究其生活习性；在城市道路或者高速公路上，使用无线传感器网络对车辆进行跟踪，以获取道路上的交通状况，实现车辆的自动或半自动驾驶。由于这一技术的广泛应用价值和光明前景，在我国深入开展对它的研究不论是对于
15、我国的经济建设还是国防现代化建设都有着深远的意义。12国内外研究现状当前的目标跟踪研究主要针对不同环境下的单目标跟踪，致力于如何以较低的能量代价高效地融合有效的信息，提高测量精度和延长网络生存期。最初，KMechitov等利用二元检测法【5】(Binary-Detection)对单目标进行跟踪，通过检测目标是否位于节点的传感范围之内来对目标进行定位，节点记录目标在其传感范围内持续出现的时间长度，并使用该值作为节点的位置在估计目标位置时的权重。这种方法需要节点间的时钟同步，并要求节点自身的位置信息己知。随后FZhao等提出了信息驱动【6】(Information-driven)协作跟踪的思想，利用传感器节点侦测到的信息和接收的其它节点的侦测信息，判断目标可能的运动轨迹，唤醒合适的传感器节点在下一时刻参与跟踪活动。由于有合适的预测机制，可有效地减少节点间的通讯，从而节省了节点有限的能量资源和通讯资源。WSZhang等提出了传送树跟踪算法【71(convey tree)，该算法是一种分布式无线传感器网络单目标跟踪算法，而之前的大多数跟踪算法为集中式的。传送树是一种由移
