无线传感器网络协同技术研究及在多目标跟踪中的应用

论文摘要

多目标跟踪是无线传感器网络的一项重要应用。无线传感器网络的协同技术是其中的关键技术,是因为网络节点需要相互协作才能完成跟踪任务。网络实现协同的有效性和实时性成为决定网络性能的核心因素。分布式的系统方法是解决大规模网络的实时性要求的可行途径。本文以多目标跟踪为应用背景,以满足系统的实时性要求为主要设计目标,以实现分布式的协同为主要设计思想,设计了无线传感器网络分布式的协同方法。首先,本文以多智能体理论和动态联盟方法为主要框架,通过对其进行适用于无线传感器网络特点和多目标跟踪应用背景的改动,建立立了适用于无线传感器网络进行目标跟踪的协同流程。然后,通过改造用于静态环境监测的LNCA算法,实现了依靠分布式广播机制的快速高效的分布式信息共享机制;通过将弹性神经网络进行分布式离散化改造,实现了盟首选择问题的分布式动态优化。确立了联盟的建立机制和交接机制。并提出一种改进的多站测向交叉定位方法。接着,根据本文所设计的协同流程和解决协同中的各个关键问题的分布式方法,以反应型智能体的形式确立了节点的具体运行机制。并提出了一种可增强系统实时响应能力的多层并行协同的多智能体系统设计结构,和可实现多智能体系统的分布式协同的动态局部黑板模型。之后,利用C++多线程编程方法,参照本文设计的节点运行机制,用软件方法实现了虚拟节点的运行,并通过使多个这样的虚拟节点在一台计算机里并行运行,来模拟无线传感器网络的分布式并行运行环境,构建了无线传感器网络对多目标进行跟踪的仿真平台。通过观察仿真实验的结果,证明了本文所设计的协同方法的有效性,验证了系统的实时响应能力。最后,使用ARM7处理器和μC/OSⅡ嵌入式操作系统以及基于Zigbee协议的无线通讯模块,初步搭建了不包含传感器的无线传感器节点的软硬件平台,并通过在其上进行的任务协作实验对本文设计的协同方法的有效性进行了补充证明。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 无线传感器网络
• 1.1.2 无线传感器网络用于目标跟踪
• 1.1.3 无线传感器网络的协同
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 1.3.1 协同系统的体系结构设计
• 1.3.2 分布式协同方法的设计
• 1.3.3 仿真平台的构建
• 1.3.4 其他工作和创新点
• 1.4 论文组织结构
• 第2章 基于多智能体理论的协同方法设计
• 2.1 多智能体理论简介
• 2.1.1 Agent的概念和提出
• 2.1.2 Agent的特性
• 2.1.3 多智能体系统（Multi-Agent System）
• 2.1.4 MAS的主要研究内容
• 2.2 动态联盟方法
• 2.3 基于多智能体理论和动态联盟方法的协同方法设计
• 2.3.1 无线传感器网络多目标跟踪的协同需求
• 2.3.2 协同流程
• 2.3.3 需解决的关键问题
• 第3章 用于多目标跟踪的分布式协同方法
• 3.1 基于LNCA算法的分布式信息共享
• 3.1.1 LNCA算法
• 3.1.2 基于LNCA算法的分布式信息共享机制设计
• 3.2 基于分布式离散弹性神经网络的盟首动态选择和优化
• 3.2.1 弹性神经网络简介
• 3.2.2 基于弹性网络的分布式优化算法的设计
• 3.3 动态联盟的建立及维持机制
• 3.3.1 盟员的选择方法
• 3.3.2 联盟的维持机制
• 3.4 对多站测向交叉定位方法的改进
• 第4章 多智能体系统的详细设计
• 4.1 智能体（Agent）设计
• 4.1.1 节点智能体的基本特性设计
• 4.1.2 节点智能体的内部体系设计
• 4.2 分层协同的MAS设计
• 4.3 基于动态局部黑板系统的分布式协同机制设计
• 4.3.1 黑板系统概述
• 4.3.2 动态局部黑板系统
• 第5章 基于C++多线程编程的仿真平台及仿真实验
• 5.1 仿真平台的构建
• 5.1.1 仿真平台的构建要求
• 5.1.2 基于C++多线程编程构建方针平台
• 5.2 仿真实验及结果分析
• 5.2.1 网络节点密度对系统性能的影响
• 5.2.2 网络的实时响应能力测试
• 5.2.3 网络的负载能力
• 5.2.4 改进的多站测向交叉定位方法的对比试验
• 第6章 节点的嵌入式软硬件平台的初步构建
• 6.1 传感器节点的硬件系统搭建
• 6.2 硬件节点的操作系统及通讯协议
• 6.2.1 提供多任务功能的μC/OSⅡ操作系统
• 6.2.2 适用于WSN的Zigbee通讯协议
• 6.3 节点间的任务协作实验
• 结论
• 参考文献
• 致谢