基于遺傳算法的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用

陳曉燕　姚高偉　張?chǎng)H　王海豐

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中種植者不能全面掌握農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況，提出在農(nóng)作物區(qū)放置無(wú)線傳感器，傳感器節(jié)點(diǎn)定位直接影響數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)定位模型，將遺傳算法引入到定位技術(shù)中，設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)、染色體編碼、選擇算子、交叉算子、變異算子。仿真實(shí)驗(yàn)表明：將遺傳算法應(yīng)用于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位中，能更精確計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，更好的為農(nóng)業(yè)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；傳感器；節(jié)點(diǎn)定位

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.04.001

0.引言

在人口眾多的中國(guó)，所有的產(chǎn)業(yè)中，農(nóng)業(yè)一直占據(jù)著重要的位置。但在我國(guó)，將科技投入到農(nóng)業(yè)中的區(qū)域比較少，大部分的農(nóng)民往往通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷土地的狀況以及農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，傳統(tǒng)的依靠人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的形式在實(shí)時(shí)性、精確性和便捷性等方面嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。要提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是實(shí)時(shí)獲取農(nóng)作物的數(shù)據(jù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中，正好能彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中的不足，讓種植者實(shí)時(shí)的掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的狀況。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)重要的內(nèi)容是傳感器節(jié)點(diǎn)定位，沒(méi)有位置信息的監(jiān)測(cè)是沒(méi)有任何意義的，因此，節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中顯得尤為重要。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究人員的共同努力，目前已有不少的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位方法，這些節(jié)點(diǎn)定位方法是：在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，散布一些配備有GPS系統(tǒng)的特殊傳感器節(jié)點(diǎn)，文獻(xiàn)提出了基于測(cè)距的定位，在這種定位方法中，處于網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)未知節(jié)點(diǎn)都需要測(cè)量其與各參考節(jié)點(diǎn)之間的距離?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，此測(cè)距方法不能增加額外硬件，并且測(cè)量還要保證一定的精度。文獻(xiàn)提出了集中式計(jì)算的定位和分布式計(jì)算的定位，在集中式計(jì)算的定位算法中，要求網(wǎng)絡(luò)中部署中心節(jié)點(diǎn)，其余傳感器節(jié)點(diǎn)把采集的相關(guān)信息傳送到中心節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息。這類算法可以不受計(jì)算和存儲(chǔ)性能的限制，獲得相對(duì)精確的定位，但是由于定位運(yùn)算對(duì)中心節(jié)點(diǎn)的過(guò)分依賴性，在中心節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)橥ㄐ砰_(kāi)銷過(guò)大而成為瓶頸，并過(guò)早消耗完能源，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與中心節(jié)點(diǎn)信息交流受阻或中斷。

1.無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位概述

傳感器節(jié)點(diǎn)定位對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，起著至關(guān)重要的作用，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部署完成后面對(duì)的首個(gè)問(wèn)題，這是因?yàn)楂@取信息的節(jié)點(diǎn)位置或事件發(fā)生的位置包含了傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)消息中的重要信息，沒(méi)有信息位置的監(jiān)測(cè)消息通常是沒(méi)有意義的，因此，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中研究節(jié)點(diǎn)定位顯得非常有必要，而且十分有意義。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)規(guī)模大且隨機(jī)部署、可靠性差、無(wú)線模塊間的通信距離有限，因此對(duì)定位算法提出了較高的要求。通常要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）健壯性：傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件配置低、可靠性差、能量少，測(cè)量距離時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，因此要求算法必須具有較好的容錯(cuò)性。

（2）自組織性：算法要求隨機(jī)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)不能依靠全局的基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)助定位。

（3）能量高效：通信開(kāi)銷是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要能量開(kāi)銷。算法要求盡可能地減少節(jié)點(diǎn)間的通信開(kāi)銷，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

（4）分布式計(jì)算：算法要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身位置，不能將所有的信息傳送到某一個(gè)節(jié)點(diǎn)后進(jìn)行集中計(jì)算。

2.遺傳算法

遺傳算法（Genetic Algorithm，簡(jiǎn)稱GA）起源于上世紀(jì)六十年代，借鑒生物學(xué)中進(jìn)化論的思想，從中提取的一種進(jìn)化算法，借助計(jì)算機(jī)模擬在種群的繁殖過(guò)程中，父代遺傳基因的重組和優(yōu)勝劣汰，主要用來(lái)解決科學(xué)研究中的復(fù)雜問(wèn)題。

3.基于遺傳算法的傳感器節(jié)點(diǎn)定位

節(jié)點(diǎn)定位的基本思想：讓每一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)用最小的代價(jià)獲得足夠多的參考節(jié)點(diǎn)的位置信息，以及它與這些參考節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系，參考節(jié)點(diǎn)的選取往往是通信能力強(qiáng)的，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中具有很好的特性的節(jié)點(diǎn)，讓這樣的節(jié)點(diǎn)保存下來(lái)，更好的服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)。一個(gè)比較有用的方法就是融入遺傳算法，因?yàn)檫z傳算法的最基本的思想就是：將眾多群體中的最優(yōu)個(gè)體保存下來(lái)，讓它的優(yōu)良特性遺傳到下一代個(gè)體當(dāng)中，并且能讓群體中的一些個(gè)體的基因位發(fā)生基因突變，以便更好的適用于我們的應(yīng)用需求。正是遺傳算法的種種優(yōu)點(diǎn)，使得將遺傳算法融入到傳感器節(jié)點(diǎn)部署當(dāng)中去，有著很重大的意義。

3.1傳感器節(jié)點(diǎn)定位模型設(shè)計(jì)

對(duì)于處在作物區(qū)的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息作如下的數(shù)學(xué)描述。

（1）投放在農(nóng)作物區(qū)的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目為M，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)經(jīng)過(guò)測(cè)量獲得，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x，y）。

（2）農(nóng)作物區(qū)不同的傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離表示為Di，其中i為農(nóng)作物區(qū)中的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，j為農(nóng)作物區(qū)中的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)。

對(duì)農(nóng)作物區(qū)的已知坐標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，這樣的節(jié)點(diǎn)通常是通過(guò)攜帶GPS定位設(shè)備獲得自身的精確位置，由于攜帶GPS成本高，在實(shí)際的農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)是比較少的，其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是通過(guò)計(jì)算的方法獲得，這樣大大的節(jié)省了開(kāi)支。在二維平面中，如果已知三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，則未知坐標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)可通過(guò)如下的方法計(jì)算出來(lái)。