一種節(jié)能快速無線成像方法
【專利摘要】本發(fā)明一種節(jié)能快速無線成像方法屬于測試測量技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于馬爾科夫過程理論，節(jié)能快速無線成像方法。無線成像方法先利用馬爾科夫過程對重點關(guān)心成像區(qū)域進行預(yù)測，協(xié)調(diào)各無線掃描節(jié)點僅針對該重點關(guān)心成像區(qū)域進行無線鏈路掃描；無線成像系統(tǒng)根據(jù)無線鏈路測量信息，采用壓縮感知算法對重點關(guān)心成像區(qū)域的遮蔽特性進行重構(gòu)；該無線成像系統(tǒng)由N個無線掃描節(jié)點、一個無線控制節(jié)點、一個通用PC機以及運行在通用PC機上的智能處理軟件。本發(fā)明拓寬了無線成像技術(shù)的適用范圍，使得無線成像技術(shù)可以應(yīng)用到電池供電的便攜式監(jiān)測應(yīng)用場合以及針對大規(guī)模區(qū)域的無線成像監(jiān)測中，在邊境安防監(jiān)測、動物監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種節(jié)能快速無線成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測試測量技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于馬爾科夫過程理論，節(jié)能快速無線成像方法。

【背景技術(shù)】
[0002]無線成像技術(shù)是近年來提出的一種新技術(shù)，其工作原理與工業(yè)CT成像技術(shù)類似。無線成像技術(shù)需要在被監(jiān)測區(qū)域四周布置大量無線掃描節(jié)點，這些節(jié)點之間可以互相進行無線通信，從而形成多條無線通信鏈路。這些無線通信鏈路穿過被監(jiān)測區(qū)域時，無線信號會被障礙物遮蔽，從而造成無線鏈路信號強度發(fā)生變化。當被監(jiān)測區(qū)域有目標人或者物體在移動時，被遮蔽的無線鏈路會發(fā)生變化，從而造成這些無線鏈路信號強度發(fā)生改變。也就是說，無線鏈路的信號強度與目標的位置存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此，可以基于無線鏈路的信號強度信息，推算出目標的位置信息。
[0003]無線成像的思路最早由Wilson和Patwari提出，作者:J.Wilson and N.Patwari,在論文“Rad1 tomographic imaging with wireless networks，，，IEEE Transact1ns onMobile Computing, 2010，N0.5，P621-P632，提出一種令各無線掃描節(jié)點輪循發(fā)送數(shù)據(jù)以便形成多條無線鏈路實現(xiàn)對無線掃描節(jié)點覆蓋范圍進行無線成像的方法，該方法可以取得不錯的成像效果。但是，該方法需要所有節(jié)點連續(xù)不斷的發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，能量消耗較大；同時，當無線掃描節(jié)點個數(shù)較多時，會造成掃描時間過長，成像速度較慢。這限制了無線成像技術(shù)在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)以及節(jié)點采用電池供電等場合下的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種節(jié)能快速無線成像方法。無線成像方法僅在第一次成像時讓所有無線掃描節(jié)點參與對整個覆蓋區(qū)域成像，之后，基于馬爾科夫預(yù)測算法估算出重點關(guān)心成像區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)管理軟件協(xié)調(diào)無線掃描節(jié)點僅對該區(qū)域進行無線掃描，利用“聚焦”效應(yīng)使掃描區(qū)域變小、參與的無線掃描節(jié)點個數(shù)變小。因此，掃描速度加快，降低了無線節(jié)點功耗、提高了無線成像速率。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種節(jié)能快速無線成像方法，其特征在于，無線成像系統(tǒng)先利用馬爾科夫過程對重點關(guān)心成像區(qū)域進行預(yù)測，協(xié)調(diào)各無線掃描節(jié)點僅針對該重點關(guān)心成像區(qū)域進行無線鏈路掃描；無線成像系統(tǒng)根據(jù)無線鏈路測量信息，采用壓縮感知算法對重點關(guān)心成像區(qū)域的遮蔽特性進行重構(gòu)；該無線成像系統(tǒng)由N個無線掃描節(jié)點、一個無線控制節(jié)點、一個通用PC機以及在通用PC機上運行的智能處理軟件:網(wǎng)絡(luò)管理軟件、馬爾科夫預(yù)測算法以及基于壓縮感知的區(qū)域重構(gòu)算法組成；節(jié)能快速無線成像方法的具體步驟如下:
[0006]I)將N個無線掃描節(jié)點N1、N2....NN按照矩形部署在被監(jiān)測目標4的周邊，將無線控制節(jié)點I通過USB接口與通用PC機2連接后放置在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域外面；
[0007]2)N個無線掃描節(jié)點以及無線控制節(jié)點采用電池供電，彼此之間采用寬帶全向天線進行無線通信，并測量各無線鏈路的接收信號強度；
[0008]3)由通用PC機2上運行的智能處理軟件3中的網(wǎng)絡(luò)管理軟件制定N個無線掃描節(jié)點的無線掃描策略及掃描順序，將該策略通過無線控制節(jié)點I發(fā)送給所有無線掃描節(jié)點；無線掃描節(jié)點進行無線鏈路掃描，無線控制節(jié)點I偵聽所有無線鏈路信號強度測量數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給通用PC機2 ;
[0009]4)通用PC機2上運行的智能處理軟件3中的基于壓縮感知的區(qū)域重構(gòu)算法，以所有無線鏈路測量信息R為輸入，結(jié)合由N個無線掃描節(jié)點決定的觀測矩陣W，基于壓縮感知理論重構(gòu)監(jiān)測區(qū)域的衰減向量P，計算如下:
[0010]P = argmin | | WP-R | s.t.| P | < H
[0011]其中，H為閾值；上式利用壓縮感知理論在重構(gòu)信號衰減向量P的同時確保P包含的非零參數(shù)最少；衰減向量P中對應(yīng)的數(shù)值較大的位置即為當前時刻對無線鏈路造成遮蔽最嚴重的目標所處的位置；
[0012]5)通用PC機2上運行的智能處理軟件3中的馬爾科夫預(yù)測算法是以上一時刻估計的衰減向量P為基礎(chǔ)，假設(shè)目標上一時刻處于位置Pi,那么當前時刻的重點關(guān)心成像區(qū)域如下:
[0013]I Px-Pi I I < r
[0014]其中，r為目標在一個成像時刻可能移動的最大范圍，I IPx-PiI I代表位置匕到位置Pi的歐式距離；滿足上式的多個位置Px構(gòu)成了重點關(guān)心成像區(qū)域；
[0015]6)通用PC機2上運行的智能處理軟件3中的網(wǎng)絡(luò)管理軟件根據(jù)構(gòu)建的重點關(guān)心成像區(qū)域，以及各無線掃描節(jié)點的位置，計算穿過重點關(guān)心成像區(qū)域的無線鏈路；之后，通過無線控制節(jié)點命令與穿過重點關(guān)心成像區(qū)域的無線鏈路相關(guān)的無線掃描節(jié)點進行無線鏈路掃描，而讓其它無線掃描節(jié)點處于休眠狀態(tài)；
[0016]7)無線控制節(jié)點I偵聽所有無線鏈路信號強度測量數(shù)據(jù)包，并將無線鏈路測量信息R發(fā)送給通用PC機2 ;通用PC機2上運行的智能處理軟件3中的基于壓縮感知的區(qū)域重構(gòu)算法采用與步驟4相同的算法重構(gòu)監(jiān)測區(qū)域的衰減向量P，衰減向量P中對應(yīng)的數(shù)值較大的位置即為當前時刻對無線鏈路造成遮蔽最嚴重的目標所處的位置；
[0017]8)將上述步驟5、6、7循環(huán)執(zhí)行，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的連續(xù)無線成像。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于基于馬爾科夫過程，估計重點關(guān)心成像區(qū)域，進而協(xié)調(diào)無線掃描節(jié)點掃描該區(qū)域。與該區(qū)域無關(guān)的節(jié)點可進入休眠狀態(tài)節(jié)省能量消耗，同時，由于掃描區(qū)域變小，無線掃描速度得到提升。參與無線掃描的節(jié)點個數(shù)取決于目標尺寸及其移動速度，而和被監(jiān)測區(qū)域的整體大小無關(guān)，使得無線成像技術(shù)可以應(yīng)用到大規(guī)模區(qū)域的監(jiān)測中，應(yīng)用到基于無線成像技術(shù)的定位、安防、救援、監(jiān)護等應(yīng)用中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖中:N1，N2....N8為第1，第2...第8號無線掃描節(jié)點，I為無線控制節(jié)點，2為通用PC機，3為通用PC機上運行的智能處理軟件，4為被監(jiān)測目標。
[0020]圖2為節(jié)能快速無線成像流程。

【具體實施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖具體詳細闡述本發(fā)明的實施。
[0022]實施例:在附圖1中，采用8個無線掃描節(jié)點，即第1、第2…第8號無線掃描節(jié)點NUN2....NS布置在被監(jiān)測目標4的四周，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的無線掃描；無線控制節(jié)點I通過USB接口與通用PC機2連接，通用PC機2上安裝有運行智能處理軟件3。有8個無線掃描節(jié)點N1、N2----N8以及一個無線控制節(jié)點I，它們均采用Zigbee無線節(jié)點，2節(jié)AA電池供電，射頻部分采用德州儀器公司的CC2520芯片設(shè)計，處理器采用MSP430低功耗微處理器，發(fā)射功率lOdBm，接收靈明度_95dBm，天線采用+3dB增益全向天線，工作頻率2.45GHz。網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域1mX 10m，無線掃描節(jié)點間距5m。無線控制節(jié)點1、通用PC機2放置在監(jiān)測區(qū)域附近20m以內(nèi)。通用PC機2主頻3.0GHz,內(nèi)存4GBytes，運行window7操作系統(tǒng)，上面運行的智能處理軟件3采用Matlab語言編寫。
[0023]一種節(jié)能快速無線成像方法采用圖2所示的流程工作。系統(tǒng)布置與配置完成后，通用PC機2上運行的智能處理軟件3首先命令所有無線節(jié)點對整個覆蓋區(qū)域進行掃描，通用PC機2上運行的智能處理軟件3中的基于壓縮感知重構(gòu)算法獲取整個區(qū)域的衰減向量P，以所有無線鏈路測量信息R為輸入，結(jié)合由N個無線掃描節(jié)點決定的觀測矩陣W，基于壓縮感知理論重構(gòu)監(jiān)測區(qū)域的衰減向量P，計算如下:
[0024]P = argmin | | WP-R | s.t.| P | < H
[0025]其中，H為閾值；上式利用壓縮感知理論在重構(gòu)信號衰減向量P的同時確保P包含的非零參數(shù)最少；衰減向量P中對應(yīng)的數(shù)值較大的位置即為當前時刻對無線鏈路造成遮蔽最嚴重的目標所處的位置；
[0026]估計出目標的初始位置。之后，基于上一時刻估計的位置，通用PC機2上運行的智能處理軟件3中的基于馬爾科夫預(yù)測算法對重點關(guān)心成像區(qū)域進行預(yù)測，是以上一時刻估計的衰減向量P為基礎(chǔ)，假設(shè)目標上一時刻處于位置？1，那么當前時刻的重點關(guān)心成像區(qū)域如下:
[0027]IPx-PiI I <r
[0028]其中，r為目標在一個成像時刻可能移動的最大范圍，I IPx-PiI I代表位置匕到位置Pi的歐式距離；滿足上式的多個位置Px構(gòu)成了重點關(guān)心成像區(qū)域；同時，基于該區(qū)域，計算出穿過重點關(guān)心成像區(qū)域的有用無線鏈路。然后，通用PC機2上運行的智能處理軟件3協(xié)調(diào)和控制與有用無線鏈路相關(guān)的無線掃描節(jié)點進行無線鏈路掃描，而讓其它無關(guān)節(jié)點處于休眠狀態(tài)。
[0029]如圖1所示，當前時刻，節(jié)能快速無線成像方法僅需要對4條直線無線鏈路NI至N6，N3至N7，N5至N8，N6至N8進行掃描，涉及6個無線節(jié)點N1、N3、N5、N6、N7、N8 ;而傳統(tǒng)方法需要對虛線28條無線鏈路進行掃描，涉及8個無線節(jié)點N1-N8。通用PC機2上運行的智能處理軟件3中的壓縮感知算法估計當前時刻的衰減向量P以及新的目標位置。上述“重點關(guān)心成像區(qū)域預(yù)測一部分無線鏈路掃描一基于壓縮感知的位置信息重構(gòu)”三個部分循環(huán)執(zhí)行，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的連續(xù)無線成像。
[0030]本發(fā)明僅在第一次成像時讓所有無線掃描節(jié)點參與對整個覆蓋區(qū)域成像，之后，基于馬爾科夫預(yù)測算法估算出重點關(guān)心成像區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)管理軟件協(xié)調(diào)無線掃描節(jié)點僅對該區(qū)域進行無線掃描，起到了 “聚焦”作用；由于掃描區(qū)域變小、參與的無線掃描節(jié)點個數(shù)變小，因此，掃描速度加快，網(wǎng)絡(luò)的能耗降低。
[0031]本方法克服了已有無線成像方法的不足，類似于舞臺的聚光燈原理，本發(fā)明利用馬爾科夫方法估計重點關(guān)心成像區(qū)域，之后，利用無線鏈路的幾何位置關(guān)系，僅令穿過該重點關(guān)心成像區(qū)域的無線鏈路進行掃描。一方面減少了鏈路掃描的個數(shù)，節(jié)省了節(jié)點功耗；另一方便，加速了掃描過程。本方法實現(xiàn)了節(jié)能快速無線成像，使無線成像技術(shù)適用于采用電池供電的場合以及無線掃描節(jié)點規(guī)模較大的場合，有效的拓展了其應(yīng)用范圍。
[0032]上述1mX 1m區(qū)域布置8個無線掃描節(jié)點的條件下，節(jié)能快速無線成像系統(tǒng)估計的平均位置誤差為0.7m，與不采用節(jié)能快速方案的全掃描無線成像系統(tǒng)精度一致；節(jié)能快速無線成像系統(tǒng)平均掃描時間為9ms，而全掃描無線成像系統(tǒng)為24ms ;在掃描過程中，節(jié)能快速無線成像系統(tǒng)的節(jié)點平均節(jié)能休眠時間為總時間的30%，而全掃描無線成像系統(tǒng)為100%。
【權(quán)利要求】
1.一種節(jié)能快速無線成像方法，其特征在于，無線成像方法先利用馬爾科夫過程對重點關(guān)心成像區(qū)域進行預(yù)測，協(xié)調(diào)各無線掃描節(jié)點僅針對該重點關(guān)心成像區(qū)域進行無線鏈路掃描；無線成像系統(tǒng)根據(jù)無線鏈路測量信息，采用壓縮感知算法對重點關(guān)心成像區(qū)域的遮蔽特性進行重構(gòu)；該無線成像系統(tǒng)由N個無線掃描節(jié)點、一個無線控制節(jié)點、一個通用PC機以及運行在通用PC機上的智能處理軟件:網(wǎng)絡(luò)管理軟件、馬爾科夫預(yù)測算法以及基于壓縮感知的區(qū)域重構(gòu)算法組成；節(jié)能快速無線成像方法的具體步驟如下: 1)將N個無線掃描節(jié)點N1、N2....NN按照矩形部署在被監(jiān)測目標(4)的周邊，將無線控制節(jié)點(I)通過USB接口與通用PC機(2)連接后放置在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域外面； 2)N個無線掃描節(jié)點以及無線控制節(jié)點采用電池供電，彼此之間采用寬帶全向天線進行無線通信，并測量各無線鏈路的接收信號強度； 3)由通用PC機(2)上運行的智能處理軟件(3)中的網(wǎng)絡(luò)管理軟件制定N個無線掃描節(jié)點的無線掃描策略及掃描順序，將該策略通過無線控制節(jié)點(I)發(fā)送給所有無線掃描節(jié)點；無線掃描節(jié)點進行無線鏈路掃描，無線控制節(jié)點(I)偵聽所有無線鏈路信號強度測量數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給通用PC機(2); 4)通用PC機(2)上運行的智能處理軟件(3)中的基于壓縮感知的區(qū)域重構(gòu)算法，以所有無線鏈路測量信息R為輸入，結(jié)合由N個無線掃描節(jié)點決定的觀測矩陣W，基于壓縮感知理論重構(gòu)監(jiān)測區(qū)域的衰減向量P，計算如下:
P = argmin | | WP-R | s.t.| P | < H 其中，H為閾值；上式利用壓縮感知理論在重構(gòu)信號衰減向量P的同時確保P包含的非零參數(shù)最少；衰減向量P中對應(yīng)的數(shù)值較大的位置即為當前時刻對無線鏈路造成遮蔽最嚴重的目標所處的位置； 5)通用PC機(2)上運行的智能處理軟件(3)中的馬爾科夫預(yù)測算法是以上一時刻估計的衰減向量P為基礎(chǔ)，假設(shè)目標上一時刻處于位置Pi,那么當前時刻的重點關(guān)心成像區(qū)域如下:
Px-Pi I <r 其中，r為目標在一個成像時刻可能移動的最大范圍，I IPx-PiI I代表位置匕到位置Pi的歐式距離；滿足上式的多個位置Px構(gòu)成了重點關(guān)心成像區(qū)域； 6)通用PC機(2)上運行的智能處理軟件(3)中的網(wǎng)絡(luò)管理軟件根據(jù)構(gòu)建的重點關(guān)心成像區(qū)域，以及各無線掃描節(jié)點的位置，計算穿過重點關(guān)心成像區(qū)域的無線鏈路；之后，通過無線控制節(jié)點命令與穿過重點關(guān)心成像區(qū)域的無線鏈路相關(guān)的無線掃描節(jié)點進行無線鏈路掃描，而讓其它無線掃描節(jié)點處于休眠狀態(tài)； 7)無線控制節(jié)點(I)偵聽所有無線鏈路信號強度測量數(shù)據(jù)包，并將無線鏈路測量信息R發(fā)送給通用PC機(2);通用PC機(2)上運行的智能處理軟件(3)中的基于壓縮感知的區(qū)域重構(gòu)算法采用與步驟4相同的算法重構(gòu)監(jiān)測區(qū)域的衰減向量P，衰減向量P中對應(yīng)的數(shù)值較大的位置即為當前時刻對無線鏈路造成遮蔽最嚴重的目標所處的位置； 8)將上述步驟5、6、7循環(huán)執(zhí)行，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的連續(xù)無線成像。
【文檔編號】G01S1/02GK104502884SQ201410802338
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】王潔, 高慶華, 喻言, 張瀟, 王洪玉, 李思偉, 張煥沖, 平健舟 申請人:大連理工大學