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引 言
隨著微機電技術、低功耗嵌入式技術和通信技術的飛速發(fā)展，具有感知能力、計算能力和無線通信能力的微型傳感器得到了廣泛的應用。這些由無線微型傳感器組成的傳感器網絡能夠協作地實時監(jiān)測、感知和采集網絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或檢測對象的信息，并對這些信息進行處理，傳送到需要這些信息的用戶。這便是被美國商業(yè)周刊認定的21世紀最具影響力的21項技術之一——無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)。
在一個20層樓高、有著上千個房間的龐大醫(yī)院中，一位剛進入大樓的坐在智能車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“室內自動導航系統(tǒng)”——稱為“無線復眼系統(tǒng)(Wireless MOSaic Eyes，WiME)”。概括地講，它是一個基于生物行為啟發(fā)的無線傳感器網絡，通過空中大量分布的無線節(jié)點對智能車提供行為控制，因此是一個采用無線傳感器網絡實現的機器人導航系統(tǒng)。
WiME涉及兩個路由問題：一個是在地理空間的機器人路徑規(guī)劃，另一個是在分散的通信節(jié)點之間的信息通信路由。復眼可以作為機器人導航過程中的電子燈塔；無線復眼網絡可以被認為是上海衛(wèi)星電視描述地理空間的一個拓撲圖、地理路徑規(guī)劃，也可以被簡化為一個網絡拓撲圖中的路徑規(guī)劃。因此在WiME中，空間路徑規(guī)劃和信息通信路由可以以完全相同的方式工作，而路徑規(guī)劃將根據各分散節(jié)點的語義定義為基礎。
為了在WiME這樣一個采用無線傳感器網絡技術的系統(tǒng)的節(jié)點上實現完整地圖的機器人導航，本設計使用一種單步方向查詢的路徑存儲和查詢系統(tǒng)。為了進一步減小資源有限的無線傳感器節(jié)點中的路徑信息的數據量，在WiME的設計中對每一個分組使用Bloom Filter來壓縮存儲。另外，由于路徑信息可能是動態(tài)建立的，為了滿足頻繁修改的要求，將每個子表設計為計數型Bloom Filter。
2 WiME系統(tǒng)
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，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題：傳感器處理過程在真實環(huán)境中不魯棒；在動態(tài)環(huán)境中，處理算法的計算量大；在非結構化的環(huán)境中理解場景十分困難。
然而，與脊椎動物的眼睛相比，更低級的昆蟲的眼睛是極具創(chuàng)造性和多樣性的。生物學研究發(fā)現，一些昆蟲可以用很小的神經系統(tǒng)來處理上萬只小眼的信息。狼蛛復眼中的單眼功能不盡相同，一些用以提供前向視覺，而其他的則用來探測和提供周邊的視覺信息，這些視覺信號傳遞到大腦后可以融合并完成移動檢測、距離估計、運動控制等。因此，通過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這樣一個基于無線復眼網絡的智能環(huán)境。其中，各單眼將由低分辨率的視覺傳感器節(jié)點構成，通過IEEE 802.15.4協議通信并組織形成環(huán)境神經系統(tǒng)；通過探索仿生技術和算法，以支持無線復眼系統(tǒng)的智能信息處理(包括路徑規(guī)劃、行為協調、傳感器融合和路由等)以及視覺伺服。在WiME中，每個單眼都提供有明確的語義(定位信息和行為集)，而它們的拓撲連接將采用行為網絡來隱式建立；行為將通過能量累積所產生的事件進行激發(fā)。節(jié)點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)基于無線通信的分布式復眼
以無線傳感器網絡為連接機制，將具有高運算量和大數據量特征的局部視覺信息以具有明確語義概念的形式實現通信連接，完成低通信帶寬的視覺協同。
(2)基于語義和信息全息的路由算法
該算法是一個針對用戶詢問的最優(yōu)路徑搜索算法。路由算法應充分考慮查詢語義，采用信息全息編碼方式壓縮可能查詢和全局路由表，最終實現快速尋優(yōu)。這也是昆蟲復眼信息流分布的具體體現。
(3)生物啟發(fā)的分布式行為協調
由于本研究將眾多運動行為分布在整個復眼系統(tǒng)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網絡為啟發(fā)，探索脈沖(spike)激勵的動作組織方式，以實現具有目標驅動和及時響應特性的行為控制網絡。
2.3 無線復眼系統(tǒng)中的單視神經元的設計
①基礎運動檢測器(EMD)。以生物視覺所特有的基礎運動檢測器(EMD)為藍圖，將低分辨率并可隨機讀取的CMOS視覺傳感器作為視網膜，與無線模塊連接構成系統(tǒng)單眼。
②低分辨率圖像的語義提取。實時圖像語義提取的內容包括：低分辨率的特征提取，包括顏色、紋理和區(qū)域形狀；融合紋理、顏色和形狀特征并給出解釋；區(qū)域分割和空間分析。這部分將采用降分辨率技術，通過并行運算與FPGA實現相結合，減少計算代價并把算法應用到分布式視覺融合中。
③對象跟蹤和模式識別。
④無線傳感器節(jié)點。節(jié)點一方面通過外圍電路與EMD相連，另一方面通過IEEE 802.15.4協議的接收器與其他復眼及機器人進行通信，從而提供復眼神經系統(tǒng)的信道；同時，復眼信息的融合與行為序列的產生這樣的運算也要在節(jié)點上完成。
3 路由方式的選擇
所有的機器人導航都需要解決這樣的一個問題：機器人如何獲知通往目的地的道路。在無線傳感器網絡中，無線節(jié)點之間的信息通信路由也是一個首先要解決的問題。如前所述，由于地理信息固定，在WiME中空間路徑規(guī)劃和信息通信路由完全可以以相同的方式工作。因此下面以路徑規(guī)劃來說明這樣一個路由存儲和查詢方式的選擇問題。
在無線傳感器網絡中，無線節(jié)點由于能量受限，采用的是低功耗嵌入式處理器，其計算能力和存儲空間都有限。WiME也不例外，一般無法直接存儲路徑信息或者將地圖信息存儲在節(jié)點上從而在需要時計算出最優(yōu)路徑。為此，首先考慮下面的4種方法。
方法1：作為一種常用的方法，可以查詢整個地圖的路徑信息。由于房間數n眾多(認為n不小于1000)，路徑數據巨大(存在n(n-1)／2條路徑)，這樣的地圖可以由1臺或多臺主服務器提供。任何一個無線節(jié)點或鄰近的有限多個節(jié)點都滿足不了這樣的存儲量。一個自然的方法是將全局地圖存儲到服務器上，機器人終端在必要時從服務器上下載路徑信息。這類似于GPS設備的工作方式。
方法2：根據使用的廣播式無線路由通信協議，建立一條到目標點的無線通信鏈路，并利用建立的這條通信線路作為地理導航線路。
方法3：利用動態(tài)路徑規(guī)劃的思想，每個節(jié)點存儲與自身相關的一定范圍內的地理信息，并生成最優(yōu)路徑信息。
方法4：每個節(jié)點存儲全局節(jié)點分布的地理信息和連接關系，在需要時與臨近的節(jié)點協同計算出最優(yōu)路徑。這是借鑒了計算機網絡中分布式計算的概念。
每種方法各有其優(yōu)劣。第1種方法修改容易，增加或刪除節(jié)點只需要在主服務器端更新。第2種方法不需要事先知道節(jié)點的地理位置信息，整個路徑信息是動態(tài)建立和修改的。第3種方法可以隨著道路情況動態(tài)調整最優(yōu)路徑。由于節(jié)點能夠實時觀察到道路信息，可以引入參數來反映當前周邊道路狀況，比如道路的堵塞程度，并由此動態(tài)維護這樣一個包含自身及臨近區(qū)域的最優(yōu)路徑表。但是這3種方法都是在多跳通信的情況下完成的，返回完整的路徑信息需要較多的通信帶寬和較長的通信延時，這對通信協議的魯棒性提出了挑戰(zhàn)。第4種方法的存儲量相對要小，與節(jié)點個數同數量級，但是多節(jié)點協同的最優(yōu)路徑的實時分布式計算對于無線傳感器節(jié)點無疑是一個困難的問題。畢竟當前的分布式計算仍然局限在計算機網絡領域。如何將分布式計算和最新的網格計算的思想運用到無線傳感器網絡上，可能會成為嵌入式系統(tǒng)領域的下一個方向。
在本設計的WiME中并沒有主機這個概念，每個無線移動節(jié)點同時充當了主機和路由器——這是一個Ad-Hoc網絡。Ad-Hoc網絡的路由方式可以分為兩大類：基于路由表的路由和基于按需建立路由的路由。由于龐大的路徑數據量和極為有限的存儲空間，上面的方法2、方法3和方法4都采用了基于按需建立路由的路由方式；而方法1雖然是通過服務器的方式提供了基于路由表的路由，但是有限的服務器的數量并不適合這樣一個龐大的無線傳感器網絡。難道真的不能在每個無線節(jié)點上存儲這樣一個全局路由表，實現真正的基于路由表的路由方式嗎？
綜合考慮，本文提出了下面的方法——查詢目標方向。這類似于人們在大街上問路，對方會告知該往哪個方向走；走到下一岔口時，又只好重新問路；最終可以成功到達目的地，而被詢問者并不能提供這條路線的完整路徑，所能提供的只是一個大概方向。
相比而言，這種方法利用到了室內相對固定的地理信息的先驗知識；每個節(jié)點只需要存儲自身到目標點的方向信息，其存儲量只是O(n)；查詢時也避免了多跳通信的發(fā)生，而且沒有增加額外的通信負擔，顯然更適合無線傳感器網絡的特點。因此，WiME系統(tǒng)中的路徑查詢采用了這種方法，通信路由也基于這種方式建立。
