馬琳 吳斌

【摘 要】基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)，運(yùn)用基于固定簇頭及多閾值加權(quán)質(zhì)心跟蹤算法，討論了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林失聯(lián)人員搜救的可能性。在仿真環(huán)境中，驗(yàn)證了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林失聯(lián)人員搜救的可能，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；失聯(lián)；搜救

中圖分類(lèi)號(hào)：TP21.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(tái)技術(shù)限制等因素，導(dǎo)致救援任務(wù)失敗，所以森林救援急需引進(jìn)新的技術(shù)來(lái)提高救援效率。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興技術(shù)，已經(jīng)在醫(yī)療、森林滅火、軍事等方面得到應(yīng)用，且取得了成效。本文旨在研究討論適用于森林救援的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)來(lái)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟蹤定位失聯(lián)人員首先要確立網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即明確網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行失聯(lián)人員的狀態(tài)估計(jì)。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)常采用簇形結(jié)構(gòu)分布式管理。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)向管理節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，節(jié)點(diǎn)的大部分能量消耗在通信上。為了克服集中式跟蹤的缺點(diǎn)，很多學(xué)者研究利用分簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行分布式跟蹤[1-5]，文獻(xiàn)[6]介紹了基于簇頭分布式調(diào)度，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)集中式調(diào)度，利用多節(jié)點(diǎn)分時(shí)跟蹤的方法，該方法定位精度好，但對(duì)節(jié)點(diǎn)密度要求高。文獻(xiàn)[7]介紹了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)分簇的構(gòu)建方法。文獻(xiàn)[8]介紹了基于固定簇頭的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法。本文在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)失聯(lián)人員搜索定位跟蹤算法的研究。

1 固定簇的建立

網(wǎng)絡(luò)完成無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)部署后，確定簇頭位置

（1）簇頭無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播自身為簇頭的信息

（2）非簇頭無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)接收簇頭節(jié)點(diǎn)的廣播信息，并根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱向信號(hào)強(qiáng)度最大的簇頭發(fā)送一個(gè)加入請(qǐng)求信息，此信息包括加入無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)到對(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(nèi)節(jié)點(diǎn)也是固定的，但是失聯(lián)人員的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，故會(huì)出現(xiàn)如圖1所示的一種情況

失聯(lián)人員恰好穿過(guò)兩個(gè)簇交聯(lián)的部分，此時(shí)僅靠一個(gè)簇來(lái)完成失聯(lián)人員的定位是不準(zhǔn)確的，需要兩個(gè)簇頭協(xié)作定位。本文提出的解決辦法是，由探測(cè)到失聯(lián)人員簇的簇頭向鄰近簇頭發(fā)出詢問(wèn)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(fù)是的消息，則由探測(cè)到失聯(lián)人員簇內(nèi)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)多的簇頭進(jìn)行失聯(lián)人員定位，少的簇頭將本簇內(nèi)探測(cè)到失聯(lián)人員的節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給該簇頭。需要說(shuō)明的是，由于簇頭與簇內(nèi)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是異構(gòu)的，簇頭攜帶能量及運(yùn)算能力較大，不用考慮簇頭間傳輸信息的能量損耗。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)搜救結(jié)構(gòu)

直升機(jī)平臺(tái)將N個(gè)傳感器撒布到需要搜救的區(qū)域，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑均為r，由文獻(xiàn)[5]，失聯(lián)人員的聲信號(hào)強(qiáng)度一般隨距離成指數(shù)衰減，當(dāng)失聯(lián)人員進(jìn)入監(jiān)視區(qū)域后，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)i在t時(shí)刻接收到聲強(qiáng)可表示為

式中：s表示失聯(lián)人員信號(hào)源的聲強(qiáng)，di（t）是t時(shí)刻失聯(lián)人員與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用三閾值檢測(cè)，檢測(cè)閾值分別記為E1，E2，E3。當(dāng)失聯(lián)人員經(jīng)過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)i時(shí)，其過(guò)程一般是從靠近到遠(yuǎn)離。根據(jù)式（1），無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)i的探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)是一個(gè)從弱到強(qiáng)再到弱的過(guò)程，信號(hào)強(qiáng)度的峰值則表示此時(shí)失聯(lián)人員處在與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)i最近的距離上。

3 失聯(lián)人員狀態(tài)計(jì)算過(guò)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(shí)際位置存在較大的誤差，并且失聯(lián)人員處在閾值內(nèi)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)或許存在多個(gè)，上述算法會(huì)使無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分能量消耗在計(jì)算失聯(lián)人員位置上，使無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)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(yùn)算，節(jié)約無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量。

利用質(zhì)心算法并進(jìn)行加權(quán)，如式6，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)均勻分布

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

當(dāng)失聯(lián)人員經(jīng)過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)記錄所獲取聲強(qiáng)最大值及最小值，同時(shí)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(dāng)有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)到的最大值大于之前簇頭選取的最大值時(shí)，或最小值小于之前簇頭選取的最小值時(shí)，簇頭將采用此無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的最大值或最小值用來(lái)重新計(jì)算E1，E2，E3，R，并發(fā)送消息給簇內(nèi)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，通知改變閾值。

4 失聯(lián)人員跟蹤性能仿真及結(jié)論

模擬仿真環(huán)境設(shè)置如下，1000個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在的區(qū)域內(nèi)均勻撒播，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑r=20m，信號(hào)強(qiáng)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(shè)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(duì)來(lái)說(shuō)定位誤差大一些。對(duì)于在500×500m的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，此誤差是可以接受的，同時(shí)，圖中有些定位誤差點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)陡增陡降的情況，這是因?yàn)樘綔y(cè)到節(jié)點(diǎn)的數(shù)目決定的，理論上來(lái)說(shuō)，探測(cè)到節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越多，其定位誤差越小。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)，探索研究了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)失聯(lián)人員定位跟蹤的可行性研究，結(jié)果表明，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的失聯(lián)人員定位跟蹤是可行的，為今后相關(guān)設(shè)備的研制提供了理論依據(jù)。同時(shí)仿真環(huán)境設(shè)置簡(jiǎn)單，未考慮到真實(shí)森林環(huán)境充滿復(fù)雜噪聲，以后的工作重點(diǎn)將向減弱噪聲干擾方面傾斜。

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