無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的WiME系統路由設計及應用

隨著(zhù)微機電技術(shù)、低功耗嵌入式技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，具有感知能力、計算能力和無(wú)線(xiàn)通信能力的微型傳感器得到了廣泛的應用。這些由無(wú)線(xiàn)微型傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò )能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內的各種環(huán)境或檢測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，傳送到需要這些信息的用戶(hù)。這便是被美國商業(yè)周刊認定的21世紀最具影響力的21項技術(shù)之一——無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)。

　　在一個(gè)20層樓高、有著(zhù)上千個(gè)房間的龐大醫院中，一位剛進(jìn)入大樓的坐在智能車(chē)中的老年人或殘障病人，如何可以輕松地到達自己要去的房間?我們正在嘗試為這樣的需求提供一種不需要外界干預的“室內自動(dòng)導航系統”——稱(chēng)為“無(wú)線(xiàn)復眼系統(Wireless Mosaic Eyes，WiME)”。概括地講，它是一個(gè)基于生物行為啟發(fā)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)空中大量分布的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)對智能車(chē)提供行為控制，因此是一個(gè)采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的機器人導航系統。

WiME涉及兩個(gè)路由問(wèn)題：一個(gè)是在地理空間的機器人路徑規劃，另一個(gè)是在分散的通信節點(diǎn)之間的信息通信路由。復眼可以作為機器人導航過(guò)程中的電子燈塔；無(wú)線(xiàn)復眼網(wǎng)絡(luò )可以被認為是描述地理空間的一個(gè)拓撲圖、地理路徑規劃，也可以被簡(jiǎn)化為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )拓撲圖中的路徑規劃。因此在WiME中，空間路徑規劃和信息通信路由可以以完全相同的方式工作，而路徑規劃將根據各分散節點(diǎn)的語(yǔ)義定義為基礎。

　　為了在WiME這樣一個(gè)采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的系統的節點(diǎn)上實(shí)現完整地圖的機器人導航，本設計使用一種單步方向查詢(xún)的路徑存儲和查詢(xún)系統。為了進(jìn)一步減小資源有限的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)中的路徑信息的數據量，在WiME的設計中對每一個(gè)分組使用Bloom Filter來(lái)壓縮存儲。另外，由于路徑信息可能是動(dòng)態(tài)建立的，為了滿(mǎn)足頻繁修改的要求，將每個(gè)子表設計為計數型Bloom Filter。

2 WiME系統

　　2.1 WiME的生物啟發(fā)

　　自主機器人通常都配備有傳感器，能夠感知環(huán)境并自主移動(dòng)，其配備的傳感器可以認為是機器人的器官，它們所感知到的信息由機載電腦集中處理。這種集中構架面臨如下三大問(wèn)題：傳感器處理過(guò)程在真實(shí)環(huán)境中不魯棒；在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，處理算法的計算量大；在非結構化的環(huán)境中理解場(chǎng)景十分困難。

　　然而，與脊椎動(dòng)物的眼睛相比，更低級的昆蟲(chóng)的眼睛是極具創(chuàng )造性和多樣性的。生物學(xué)研究發(fā)現，一些昆蟲(chóng)可以用很小的神經(jīng)系統來(lái)處理上萬(wàn)只小眼的信息。狼蛛復眼中的單眼功能不盡相同，一些用以提供前向視覺(jué)，而其他的則用來(lái)探測和提供周邊的視覺(jué)信息，這些視覺(jué)信號傳遞到大腦后可以融合并完成移動(dòng)檢測、距離估計、運動(dòng)控制等。因此，通過(guò)分布式功能劃分和適當的傳感器路由，復眼的信息處理機制的效率可以很高。

　　受此啟發(fā)，建立WiME這樣一個(gè)基于無(wú)線(xiàn)復眼網(wǎng)絡(luò )的智能環(huán)境。其中，各單眼將由低分辨率的視覺(jué)傳感器節點(diǎn)構成，通過(guò)IEEE 802.15.4協(xié)議通信并組織形成環(huán)境神經(jīng)系統；通過(guò)探索仿生技術(shù)和算法，以支持無(wú)線(xiàn)復眼系統的智能信息處理(包括路徑規劃、行為協(xié)調、傳感器融合和路由等)以及視覺(jué)伺服。在WiME中，每個(gè)單眼都提供有明確的語(yǔ)義(定位信息和行為集)，而它們的拓撲連接將采用行為網(wǎng)絡(luò )來(lái)隱式建立；行為將通過(guò)能量累積所產(chǎn)生的事件進(jìn)行激發(fā)。節點(diǎn)之間的連接包含了信息融合和路由的條件概率信息；機器人的導航將建立在具有明確語(yǔ)義的傳感器拓撲圖的基礎之上，而不是建立在非結構的地理環(huán)境之上。

2.2 WiME的設計目標

　　(1)基于無(wú)線(xiàn)通信的分布式復眼
　　以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為連接機制，將具有高運算量和大數據量特征的局部視覺(jué)信息以具有明確語(yǔ)義概念的形式實(shí)現通信連接，完成低通信帶寬的視覺(jué)協(xié)同。
　　(2)基于語(yǔ)義和信息全息的路由算法
　　該算法是一個(gè)針對用戶(hù)詢(xún)問(wèn)的最優(yōu)路徑搜索算法。路由算法應充分考慮查詢(xún)語(yǔ)義，采用信息全息編碼方式壓縮可能查詢(xún)和全局路由表，最終實(shí)現快速尋優(yōu)。這也是昆蟲(chóng)復眼信息流分布的具體體現。
　　(3)生物啟發(fā)的分布式行為協(xié)調
　　由于本研究將眾多運動(dòng)行為分布在整個(gè)復眼系統中，機器人導航控制將面臨如何和諧地組織與激發(fā)行為。本研究將由生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )為啟發(fā)，探索脈沖(spike)激勵的動(dòng)作組織方式，以實(shí)現具有目標驅動(dòng)和及時(shí)響應特性的行為控制網(wǎng)絡(luò )。

　　2.3 無(wú)線(xiàn)復眼系統中的單視神經(jīng)元的設計
　?、倩A運動(dòng)檢測器(EMD)。以生物視覺(jué)所特有的基礎運動(dòng)檢測器(EMD)為藍圖，將低分辨率并可隨機讀取的CMOS視覺(jué)傳感器作為視網(wǎng)膜，與無(wú)線(xiàn)模塊連接構成系統單眼。
　?、诘头直媛蕡D像的語(yǔ)義提取。實(shí)時(shí)圖像語(yǔ)義提取的內容包括：低分辨率的特征提取，包括顏色、紋理和區域形狀；融合紋理、顏色和形狀特征并給出解釋?zhuān)粎^域分割和空間分析。這部分將采用降分辨率技術(shù)，通過(guò)并行運算與FPGA實(shí)現相結合，減少計算代價(jià)并把算法應用到分布式視覺(jué)融合中。
　?、蹖ο蟾櫤湍Ｊ阶R別。
　?、軣o(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)。節點(diǎn)一方面通過(guò)外圍電路與EMD相連，另一方面通過(guò)IEEE 802.15.4協(xié)議的接收器與其他復眼及機器人進(jìn)行通信，從而提供復眼神經(jīng)系統的信道；同時(shí)，復眼信息的融合與行為序列的產(chǎn)生這樣的運算也要在節點(diǎn)上完成。