無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

張丹　劉雅喆　董雷剛　李梓

摘要：為了提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法應(yīng)用于其中，分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，總結(jié)定位算法的分類以及計(jì)算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的基本方法。選擇質(zhì)心算法應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，對(duì)節(jié)點(diǎn)的定位誤差率進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)質(zhì)心算法的定位精度能夠滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；節(jié)點(diǎn)定位算法；質(zhì)心算法； 誤差率

中圖分類號(hào)：TP393.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）02-0253-03

Research on the Localization Algorithm Application of Environmental Monitoring in Wireless Sensor Network

ZHANG Dan1，2，LIU Ya-zhe1 ，DONG Lei-gang1，LI Zi1

（1.Computer Science and Information Technology Department， Daqing Normal University， Daqing 163712， China；2. College of Computer Science and Technology， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract：In order to improve the intelligent in environmental monitoring， the nodes localization algorithm in wireless sensor network is applied in environmental monitoring. It analysis the architecture of wireless sensor network system， the classification of location algorithm. It studies the method of calculating the coordinates of nodes. The centroid algorithm is applied in environmental monitoring， and the location error rate of the nodes is simulated and analyzed. It is concluded that the Localization accuracy of centroid algorithm can meet the needs of environmental monitoring.

Key words：wireless sensor network； environmental monitoring； nodes location algorithm； centroid algorithm； localization error rate

1 引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，得到全世界范圍的廣泛關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的體積小、能耗比較低，節(jié)點(diǎn)的分布通常是由飛機(jī)灑落的方式進(jìn)行部署，部署在人類無法到達(dá)的應(yīng)用環(huán)境中，這些節(jié)點(diǎn)對(duì)其中的信息進(jìn)行采集，并傳輸，方便了人類對(duì)未知信息的獲取。目前，環(huán)境保護(hù)問題受到了廣泛的關(guān)注，人們對(duì)環(huán)境監(jiān)督問題越來越重視，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有重要的作用，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠解決環(huán)境監(jiān)測(cè)中的一些問題。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)區(qū)域一般是隨機(jī)部署的，節(jié)點(diǎn)需要獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息，因此節(jié)點(diǎn)的位置至關(guān)重要。人工部署或者為所有傳感器節(jié)點(diǎn)安裝GPS接收器是不現(xiàn)實(shí)的。這些都受到成本、功耗以及擴(kuò)展性等問題的限制，大部分傳感器節(jié)點(diǎn)不具有位置信息，但節(jié)點(diǎn)的位置信息對(duì)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用，因此，本文所研究的環(huán)境監(jiān)測(cè)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是非常重要的。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)信息以多跳路由的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將這些信息發(fā)送到給監(jiān)測(cè)者，在監(jiān)測(cè)區(qū)域中，節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)部署，以自組織的方式組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，其中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)查找鄰居節(jié)點(diǎn)﹑自身定位、與網(wǎng)絡(luò)通信連接。網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)比普通節(jié)點(diǎn)在硬件配置和功能上更強(qiáng)，是與外部網(wǎng)絡(luò)建立連接的橋梁收集普通節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行加工和整理，以多跳轉(zhuǎn)發(fā)方式發(fā)送到基站，然后由基站利用衛(wèi)星信道或有線的網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給最終用戶。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通常被分為兩種，一種為未知節(jié)點(diǎn)（Unknown Node），另外一種為錨節(jié)點(diǎn)（Anchor Node），普通節(jié)點(diǎn)的位置信息時(shí)未知的，錨節(jié)點(diǎn)的位置信息是已知的，它一般是通過自身攜帶的GPS 定位裝置獲取自身的位置坐標(biāo)，錨節(jié)點(diǎn)的部署密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于待定位節(jié)點(diǎn)的部署密度，未知節(jié)點(diǎn)與通信半徑內(nèi)的鄰居錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，通過錨節(jié)點(diǎn)提供的位置信息，進(jìn)行位置計(jì)算[1]。

3.1 節(jié)點(diǎn)定位算法分類

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法分類方法很多，但是目前比較常用的方法是從定位算法的技術(shù)手段上來進(jìn)行分類的，大致可以分為兩類：基于測(cè)距的定位算法（Range-based）和距離無關(guān)的定位算法（Range-free）[2]。

基于測(cè)距的定位算法是需要測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的距離或者角度，基于測(cè)距的定位分算法主要有TOA（Time of Arrival）、TDOA（Time Difference On Arrival）定位、AOA（Angle of arrival）、RSSI（Received Signal Strength Indicator）等[3]?；跍y(cè)距的定位算法定位精度相對(duì)較高，但是對(duì)硬件的要求也更高，而且定位過程中消耗的能量相對(duì)較高，易受環(huán)境因素的影響[4]。

距離無關(guān)的定位算法是通過對(duì)節(jié)點(diǎn)間的距離的估計(jì)或確定包含未知節(jié)點(diǎn)的可能區(qū)域，從而來確定未知節(jié)點(diǎn)的位置。距離無關(guān)的定位算法主要有質(zhì)心算法[5]、Amorphou算法、DV-HOP算法[6-7]、APIT算法[8]等。距離無關(guān)的定位算法無需測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間的絕對(duì)距離或角度信息，從而降低了對(duì)硬件的要求以及能量的消耗，使得這種算法更適合于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它的一個(gè)缺點(diǎn)是定位誤差相對(duì)較大。

本文中環(huán)境監(jiān)測(cè)中主要使用的是距離無關(guān)的定位算法。

3.2 計(jì)算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的基本方法

未知節(jié)點(diǎn)估計(jì)或者測(cè)量出到鄰居節(jié)點(diǎn)的距離，并且能夠滿足一定的條件，可以利用這些距離來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。主要方法有：三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法和極大似然估計(jì)法。

（1）三邊測(cè)量法

已知三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及它們到未知節(jié)點(diǎn)的距離，可以利用公式求得未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

（2）三角測(cè)量法

已知三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的角度，則可利用公式求出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

（3）極大似然估計(jì)法

前面兩種方法比較簡(jiǎn)單，下面將極大似然估計(jì)法進(jìn)行介紹。已知n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，分別為[（x1，y1），（x2，y2），...（xn，yn）]，以及它們到未知節(jié)點(diǎn)的n個(gè)距離，分別為[d1，d2，...dn]，設(shè)未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為[（x，y）]，則有方程1：

[[（x1-x）2+（y1-y）2=d21（x2-x）2+（y2-y）2=d22?（xn-x）2+（yn-y）2=d2n] （1） ]

這n個(gè)表達(dá)式從第一個(gè)開始分別減去最后一個(gè)，得到方程2：

[[x21-x2n-2（x1-xn）x+y21-y2n-2（y1-yn）y=d21-d2n?x2n-1-x2n-2（xn-1-xn）x+y2n-1-y2n-2（yn-1-yn）y=d2n-1-d2n] （2） ]

設(shè)

[[A=2（x1-xn）2（y1-yn）……2（xn-1-xn）2（yn-1-yn），b=x21-x2n+y21-y2n+d21-d2n…x2n-1-x2n+y2n-1-y2n+d2n-1-d2n，X=xy] （3） ]

用線性方程表示為AX=b，最后使用最小二乘方法可以得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為：[x=（ATA）-1ATb]。

4 定位算法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

本文的定位算法主要應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，以及對(duì)各種定位算法的比較研究，本文擬采用距離無關(guān)的質(zhì)心算法。質(zhì)心算法是由南加州大學(xué)是由 J. Heidemann和 N. Bulusu提出的，這種算法是主要是應(yīng)用在室外的，與網(wǎng)絡(luò)連通性相關(guān)的定位算法。該算法的主要設(shè)計(jì)思想是將未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)置成為與該節(jié)點(diǎn)其相關(guān)錨節(jié)點(diǎn)所形成的多邊形的質(zhì)心。首先未知節(jié)點(diǎn)向錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求位置的信息，控制信息傳播的最大跳數(shù)，因而限定了附近錨節(jié)點(diǎn)的范圍，錨節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)請(qǐng)求以后將自己的位置信息進(jìn)行反饋，這樣未知節(jié)點(diǎn)能夠知道附近的錨節(jié)點(diǎn)的位置信息。利用這些錨節(jié)點(diǎn)組成的多邊形中心來計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。

本論文中實(shí)驗(yàn)仿真軟件選用MATLAB R2012a，實(shí)驗(yàn)區(qū)域設(shè)置為1000m*1000m，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為400個(gè)，其中錨節(jié)點(diǎn)為80個(gè)，無能量損耗的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的定位誤差率如圖1所示。當(dāng)通信半徑逐漸增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的定位誤差率有明顯的降低，但當(dāng)通信半徑由400米再向上增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)的定位誤差率反而增大，因此，可以說明并不是通信半徑越大越好，在實(shí)際應(yīng)用中要具體問題具體分析。

5 結(jié)論

本文研究的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位算法在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，文中分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在技術(shù)發(fā)展中的重要性，傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，它的定位至關(guān)重要。環(huán)境監(jiān)測(cè)越來越多的收到人們的重視，本文研究了在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用節(jié)點(diǎn)定位算法。從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的分類以及計(jì)算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的基本方法，最后選擇質(zhì)心算法應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，對(duì)節(jié)點(diǎn)的定位誤差率進(jìn)行了仿真分析。

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