基于遗传算法的无线传感器节点定位在农业的应用

陈晓燕　姚高伟　张鲲　王海丰

摘要：针对传统农业中种植者不能全面掌握农作物的生长状况，提出在农作物区放置无线传感器，传感器节点定位直接影响数据的采集，通过设计节点定位模型，将遗传算法引入到定位技术中，设计适应度函数、染色体编码、选择算子、交叉算子、变异算子。仿真实验表明：将遗传算法应用于无线传感器节点定位中，能更精确计算未知节点的坐标，更好的为农业服务。

关键词：遗传算法；传感器；节点定位

中图分类号：TP301 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.04.001

0.引言

在人口众多的中国，所有的产业中，农业一直占据着重要的位置。但在我国，将科技投入到农业中的区域比较少，大部分的农民往往通过经验来判断土地的状况以及农作物的生长情况，传统的依靠人工进行数据采集的形式在实时性、精确性和便捷性等方面严重制约了农业的发展。要提高农业经济效益，其中的一个重要环节是实时获取农作物的数据，无线传感器网络技术应用在农业中，正好能弥补传统数据采集中的不足，让种植者实时的掌握农作物生长环境的状况。在无线传感器网络中，一个重要的内容是传感器节点定位，没有位置信息的监测是没有任何意义的，因此，节点定位技术在无线传感网络中显得尤为重要。

经过国内外研究人员的共同努力，目前已有不少的无线传感器网络的节点定位方法，这些节点定位方法是：在传感器网络中，散布一些配备有GPS系统的特殊传感器节点，文献提出了基于测距的定位，在这种定位方法中，处于网络中每个未知节点都需要测量其与各参考节点之间的距离。考虑到传感器节点的特点，此测距方法不能增加额外硬件，并且测量还要保证一定的精度。文献提出了集中式计算的定位和分布式计算的定位，在集中式计算的定位算法中，要求网络中部署中心节点，其余传感器节点把采集的相关信息传送到中心节点，并通过中心节点的运算得出每个节点的位置信息。这类算法可以不受计算和存储性能的限制，获得相对精确的定位，但是由于定位运算对中心节点的过分依赖性，在中心节点附近的节点可能会因为通信开销过大而成为瓶颈，并过早消耗完能源，导致整个网络与中心节点信息交流受阻或中断。

1.无线传感器节点定位概述

传感器节点定位对于无线传感器网络来说，起着至关重要的作用，是无线传感器网络系统部署完成后面对的首个问题，这是因为获取信息的节点位置或事件发生的位置包含了传感器节点监测消息中的重要信息，没有信息位置的监测消息通常是没有意义的，因此，在无线传感器网络中研究节点定位显得非常有必要，而且十分有意义。

在无线传感器网络中，由于传感器节点规模大且随机部署、可靠性差、无线模块间的通信距离有限，因此对定位算法提出了较高的要求。通常要求无线传感器网络的定位算法具备以下几个特点：

（1）健壮性：传感器节点的硬件配置低、可靠性差、能量少，测量距离时会产生误差，因此要求算法必须具有较好的容错性。

（2）自组织性：算法要求随机部署的传感器节点不能依靠全局的基础设施协助定位。

（3）能量高效：通信开销是传感器网络的主要能量开销。算法要求尽可能地减少节点间的通信开销，以延长网络的生命周期。

（4）分布式计算：算法要求每个节点计算自身位置，不能将所有的信息传送到某一个节点后进行集中计算。

2.遗传算法

遗传算法（Genetic Algorithm，简称GA）起源于上世纪六十年代，借鉴生物学中进化论的思想，从中提取的一种进化算法，借助计算机模拟在种群的繁殖过程中，父代遗传基因的重组和优胜劣汰，主要用来解决科学研究中的复杂问题。

3.基于遗传算法的传感器节点定位

节点定位的基本思想：让每一个未知节点用最小的代价获得足够多的参考节点的位置信息，以及它与这些参考节点的位置关系，参考节点的选取往往是通信能力强的，在整个网络中具有很好的特性的节点，让这样的节点保存下来，更好的服务于网络中的其他节点。一个比较有用的方法就是融入遗传算法，因为遗传算法的最基本的思想就是：将众多群体中的最优个体保存下来，让它的优良特性遗传到下一代个体当中，并且能让群体中的一些个体的基因位发生基因突变，以便更好的适用于我们的应用需求。正是遗传算法的种种优点，使得将遗传算法融入到传感器节点部署当中去，有着很重大的意义。

3.1传感器节点定位模型设计

对于处在作物区的传感器节点的位置信息作如下的数学描述。

（1）投放在农作物区的传感器节点数目为M，每个传感器节点的坐标经过测量获得，节点的坐标为（x，y）。

（2）农作物区不同的传感器节点之间的距离表示为Di，其中i为农作物区中的第i个节点，j为农作物区中的第i个节点。

对农作物区的已知坐标的传感器节点称为信标节点，这样的节点通常是通过携带GPS定位设备获得自身的精确位置，由于携带GPS成本高，在实际的农业应用中，信标节点的个数是比较少的，其他节点的坐标是通过计算的方法获得，这样大大的节省了开支。在二维平面中，如果已知三个信标节点的坐标，则未知坐标的传感器节点可通过如下的方法计算出来。