一種環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)的節(jié)點定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)的節(jié)點定位方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著污染日益嚴重，我國的生態(tài)環(huán)境越來越差。如何有效地監(jiān)測環(huán)境和治 理污染已經(jīng)成為中國政府和社會各界關(guān)注的頭等重要的問題。對比傳統(tǒng)方法中布置少量環(huán) 境監(jiān)測站和人工采樣相結(jié)合的策略，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)造大規(guī)模分布式的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)具有 實時性高、成本低、維護簡單、智能化程度高等優(yōu)點，為環(huán)境監(jiān)測提供了一種切實可行的解 決方案。在環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)應(yīng)用中，節(jié)點的位置信息對于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測活動顯得尤為重 要。如果沒有準確的監(jiān)測節(jié)點的位置信息，節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)信息便沒有實際意義。因 此，傳感器節(jié)點的定位技術(shù)成為無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是本發(fā)明亟待解決的 問題。
[0003] 目前的關(guān)于節(jié)點的定位方法有很多。在戶外環(huán)境中使用最廣泛的便是GPS定位。 但是對于基于嵌入式的微傳感器系統(tǒng)設(shè)計的監(jiān)測節(jié)點而言，GPS的體積大、價格高、能耗大， 難以在大規(guī)模分布式的傳感網(wǎng)中為每一個節(jié)點配備。常見的無線傳感網(wǎng)的定位算法可以分 為基于測距的定位算法和與距離無關(guān)的定位算法。其中，基于測距的定位算法主要包括基 于RSSI測距的定位算法、基于TOA的定位算法和基于TDOA的定位算法等等，由于此類算法 在定位過程中需要測量節(jié)點之間的距離或角度，因此對節(jié)點的硬件要求比較高并且受環(huán)境 的影響較大。無需測距的定位算法的典型代表有質(zhì)心定位算法和DV-HOP定位算法。此類 算法在定位過程中不需要測量節(jié)點之間的距離或角度，而是采用節(jié)點之間的估算距離來實 現(xiàn)節(jié)點的定位，因此硬件的實現(xiàn)成本低，但定位的精度較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種環(huán)境監(jiān)測無線傳 感網(wǎng)的節(jié)點定位方法，本發(fā)明綜合考慮了環(huán)境監(jiān)測中節(jié)點分布的各種情況，對監(jiān)測區(qū)域進 行了詳細的劃分，可以應(yīng)對實際中的各種節(jié)點分布情況，實用性強。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提出的一種環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)的節(jié)點定位方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、將待監(jiān)測區(qū)域劃分為若干個正方形的網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格的4個頂點上分別 部署帶有GPS裝置的信標節(jié)點，相鄰的兩個信標節(jié)點之間的距離為信標節(jié)點的無線通信半 徑；
[0008] 步驟2、在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機部署未知節(jié)點；
[0009] 步驟3、根據(jù)未知節(jié)點的連通率以及通信范圍內(nèi)檢測到信標節(jié)點的個數(shù)，將待測區(qū) 域作如下劃分：
[0010] 301、將每個網(wǎng)格中的區(qū)域劃分為區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III ;所述區(qū)域I中的未知 節(jié)點需滿足能檢測到4個信標節(jié)點，區(qū)域II中的未知節(jié)點需滿足能檢測到3個信標節(jié)點， 區(qū)域III中的未知節(jié)點需滿足能檢測到2個信標節(jié)點；
[0011] 302、將待測區(qū)域中的網(wǎng)格劃分為密集分布網(wǎng)格和稀疏分布網(wǎng)格：
[0012] 所述密集分布網(wǎng)格中至少存在一個分布在區(qū)域I或區(qū)域II中的未知節(jié)點，區(qū)域 III中若有未知節(jié)點，該區(qū)域III中的未知節(jié)點至少需滿足能檢測到1個分布在區(qū)域I或區(qū) 域II中的鄰居節(jié)點；
[0013] 所述稀疏分布網(wǎng)格中需滿足存在孤島節(jié)點，孤島節(jié)點是分布在區(qū)域III中的未知 節(jié)點，且檢測不到分布在區(qū)域I或區(qū)域II中的鄰居節(jié)點；
[0014] 步驟4、對處在密集分布網(wǎng)格中區(qū)域I和區(qū)域II中的未知節(jié)點，采用自適應(yīng)PSO定 位算法計算出未知節(jié)點的坐標；
[0015] 步驟5、對于處在密集分布網(wǎng)格中區(qū)域III中的未知節(jié)點，選擇步驟4中已定位的 節(jié)點作為新的參考信標節(jié)點，采用自適應(yīng)PSO定位算法計算出未知節(jié)點的坐標；
[0016] 步驟6、對于處在稀疏分布網(wǎng)格中的孤島節(jié)點，引入帶有GPS的可移動節(jié)點并移動 至稀疏分布網(wǎng)格的中心位置，將可移動節(jié)點作為新的信標節(jié)點，采用自適應(yīng)PSO定位算法 計算出孤島節(jié)點的坐標。
[0017] 作為本發(fā)明所述的一種環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)的節(jié)點定位方法進一步優(yōu)化方案，所 述步驟6中可移動節(jié)點移動至稀疏分布網(wǎng)格的中心位置是采用遺傳算法計算出可移動節(jié) 點在監(jiān)測區(qū)域中移動的最佳路徑。
[0018] 作為本發(fā)明所述的一種環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)的節(jié)點定位方法進一步優(yōu)化方案，所 述自適應(yīng)PSO定位算法包括如下步驟：
[0019] Step 1 :設(shè)置粒子群的種群大小為num，初始化各粒子的速度和位置；將各粒子當(dāng) 前的歷史最優(yōu)位置Ptest設(shè)為初始位置；
[0020] Step 2 :計算每個粒子的適應(yīng)度，選擇適應(yīng)度最小的粒子位置為全局極值gbest;
[0021] Step 3 :更新粒子的速度和位置；
[0022] Step 4 :計算位置更新后每個粒子的適應(yīng)度，將每一個粒子的更新過的適應(yīng)度與 其歷史最優(yōu)位置Ptest所對應(yīng)的適應(yīng)度進行比較，如果新的適應(yīng)度的值小于其歷史最優(yōu)位置 Ptest所對應(yīng)的適應(yīng)度，則將歷史最優(yōu)位置P test更新為新的適應(yīng)度所對應(yīng)的該粒子所在的位 置；
[0023] Step 5 :將每一個粒子的更新過的適應(yīng)度與全體粒子所經(jīng)歷過的最好位置gbest所 對應(yīng)的適應(yīng)度進行比較，如果新的適應(yīng)度的值小于最好位置g test所對應(yīng)的適應(yīng)度，則將全 局極值gtest更新為新的適應(yīng)度所對應(yīng)的該粒子所在的位置；
[0024] Step 6 :當(dāng)計算得到的適應(yīng)度沒有達到預(yù)設(shè)的適應(yīng)度值且循環(huán)迭代的次數(shù)未達到 了預(yù)設(shè)的最大次數(shù)時，跳轉(zhuǎn)至Step3。
[0025] 作為本發(fā)明所述的一種環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)的節(jié)點定位方法進一步優(yōu)化方案，所 述Step 2中每個粒子的適應(yīng)度是采用下列公式計算得到：
[0027] 其中，f (xn, yn)為每個粒子的適應(yīng)度，k為通信范圍內(nèi)的信標節(jié)點個數(shù)，（xn，yn)為 未知節(jié)點的坐標，（x nil，ynil)是未知節(jié)點的第i個信標節(jié)點的坐標，dnil是未知節(jié)點與其第 i個信標節(jié)點通過RSSI測距算法測得的距離。
[0028] 作為本發(fā)明所述的一種環(huán)境監(jiān)測無線傳感網(wǎng)的節(jié)點定位方法進一步優(yōu)化方案，所 述Step 3中更新粒子的速度和位置是采用如下方法：
[0029] 每個粒子根據(jù)所經(jīng)歷的歷史最優(yōu)位置Ptest和群體所發(fā)現(xiàn)的全局極值g test這兩個 極值按照以下公式來更新自己的速度和位置：
[0030] Vi j (t+1) = Wvi j (t) +C^1 (Pi-Xi j (t)) +c2r2 (Pgj-Xi j (t))
[0031] Xi j (t+1) = Xi j (t)+Vi j (t+1)
[0032] 其中，Xl](t)為第i個粒子當(dāng)前時刻在第j維空間的位置，Vl](t)為第i個粒子當(dāng) 前時刻在第j維空間的速度， Xl] (t+Ι)是該粒子下一時刻的位置，Vl] (t+Ι)是該粒子下一時 刻的速度，表示第i個粒子截至到第j維空間循環(huán)搜索到的最優(yōu)位置，P u表示第i個粒 子截至到第j維空間循環(huán)搜索到的全局極值，CJP C 2為學(xué)習(xí)因子，r JP r 2為0到1之間均 勻分布的隨機數(shù)，t為時間，w是慣性權(quán)重系數(shù)；
[0034] 其中，Wmax是w的最大值，Wmin是w的最小值，f是微粒當(dāng)前的目標函數(shù)值，f avg是當(dāng) 前所有微粒的平均目標值，f_是當(dāng)前所有微粒的最小目標值。
[0035] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0036] (1)本發(fā)明通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各節(jié)點之間的通信，無需布線，結(jié)構(gòu)簡單，安 裝維護簡便；
[0037] (2)本發(fā)明綜合考慮了環(huán)境監(jiān)測中節(jié)點分布的各種情況，對監(jiān)測區(qū)域進行了詳細 的劃分，可以應(yīng)對實際中的各種