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(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,廣州 510900)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,WSN)是由大量低功耗,多功能,低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、自組織能力和組網(wǎng)成本低等特點(diǎn)[1]。WSN由于其廣泛的實(shí)際應(yīng)用而在當(dāng)今世界中引起極大關(guān)注,實(shí)用性可以從遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)和緊急服務(wù)定位到工業(yè)的一氧化碳檢測(cè)[2]和社區(qū)人群的定位,跟蹤[3]。除了緊急情況和導(dǎo)航之外,常見(jiàn)的應(yīng)用還有軍事偵察與監(jiān)控、環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、宇宙空間的探測(cè)和應(yīng)急救援救災(zāi)等前沿領(lǐng)域[4]。然而,實(shí)現(xiàn)小功率、低成本和高精度的穩(wěn)定定位仍然是WSN領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[5]。
根據(jù)是否需要測(cè)距,WSN定位算法可分為兩類(lèi):距離相關(guān)(Range-Based)和距離無(wú)關(guān)(Range-Free)的定位算法[6]。其中Range-Free定位算法定位精度不高,不能滿(mǎn)足高精度應(yīng)用的要求;Range-Based定位算法定位精度較高,但需要較高的硬件條件。常見(jiàn)的測(cè)距方法有接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI) 、到達(dá)時(shí)間TOA(time different of arrival)、到達(dá)時(shí)間差TDOA(time of arrive)和到達(dá)角度AOA(angle of arrive)等。其中,后3種方法需要額外的硬件條件,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,成本也比較高[7]。由于節(jié)點(diǎn)本身具有無(wú)線發(fā)射功能,對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量也容易實(shí)現(xiàn),因此作為一種低成本、低復(fù)雜度的測(cè)距方案受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其缺點(diǎn)是無(wú)線信號(hào)的傳輸容易受外界環(huán)境(障礙物遮擋、多徑效應(yīng)和噪聲等)因素影響,加上本身信道衰落,導(dǎo)致RSSI測(cè)量存在較大的誤差[8-9]。因此通常需要采取相應(yīng)算法來(lái)提高測(cè)量精度,如設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器或?qū)y(cè)量值進(jìn)行加權(quán)等方法[10]。
近年來(lái)的相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)提出各種方法來(lái)解決定位問(wèn)題,但這些算法各有利弊,對(duì)于不同的應(yīng)用,沒(méi)有統(tǒng)一的解決方案,只是針對(duì)定位的某個(gè)階段進(jìn)行改進(jìn),定位效果有待進(jìn)一步提升。文獻(xiàn)[11]用高斯濾波器過(guò)濾波動(dòng)大的RSSI值,并對(duì)過(guò)濾后的RSSI值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,降低了測(cè)距誤差,但在加權(quán)計(jì)算的時(shí)候沒(méi)有考慮RSSI值剛好等于均值的情況;文獻(xiàn)[12-13]中根據(jù)未知節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)的強(qiáng)度賦予參與定位的錨節(jié)點(diǎn)不同權(quán)重;文獻(xiàn)[14]利用4個(gè)錨節(jié)點(diǎn),每3個(gè)為一組進(jìn)行四次定位,再對(duì)4個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,最后確定未知節(jié)點(diǎn)的位置,使定位更加精確。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于RSSI測(cè)距的多級(jí)能量定位算法,降低了定位的誤差。但文獻(xiàn)[12-15]均沒(méi)有考慮在測(cè)距階段RSSI值受環(huán)境的影響會(huì)產(chǎn)生較大的誤差,直接影響定位結(jié)果的精確性;文獻(xiàn)[16]選擇根軸相交組成的區(qū)域作為定位參考區(qū)域,將該區(qū)域的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置,但假設(shè)的是特殊情況下的模型,在實(shí)際中很難應(yīng)用。文獻(xiàn)[17]假定理想的部署條件來(lái)測(cè)量距離的傳感器節(jié)點(diǎn),即該定位方案,所有節(jié)點(diǎn)都部署在固定的距離為3~8米,但在現(xiàn)實(shí)很多應(yīng)用中,節(jié)點(diǎn)都是隨機(jī)部署的。文獻(xiàn)[18]提出一種半分布式的定位機(jī)制,未知節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收一定區(qū)域的錨節(jié)點(diǎn)來(lái)估計(jì)位置,這些完成定位的節(jié)點(diǎn)升級(jí)為錨節(jié)點(diǎn)來(lái)參與定位其它未知節(jié)點(diǎn),該算法屬于粗定位,雖然提高了節(jié)點(diǎn)的定位成功率,但容易造成誤差累積,定位精度難以保證;文獻(xiàn)[19]提出基于時(shí)間的定位算法,原理類(lèi)似TOA算法,該算法的優(yōu)勢(shì)在于不需要時(shí)間同步就能獲得節(jié)點(diǎn)間的距離。但需要很詳細(xì)的時(shí)間劃分,增加了該算法的計(jì)算復(fù)雜度。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出基于RSSI測(cè)距修正的四邊形加權(quán)質(zhì)心定位算法。首先在高斯濾波的基礎(chǔ)上,對(duì)高斯濾波后的RSSI值進(jìn)行中值加權(quán)計(jì)算,讓最終得到的RSSI值更加接近真實(shí)值;其次,使用四邊形加權(quán)質(zhì)心定位算法來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置,并設(shè)計(jì)更加符合四邊形加權(quán)質(zhì)心的權(quán)值,對(duì)于交叉區(qū)域的每一個(gè)內(nèi)側(cè)交點(diǎn),其權(quán)值由錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的測(cè)量距離之和的倒數(shù)作為權(quán)值。最后仿真實(shí)驗(yàn)表明,定位精度得到了提高并且表現(xiàn)更好的穩(wěn)定性。
本文主要采用對(duì)數(shù)正態(tài)陰影模型,即Shadowing模型,該模型是目前應(yīng)用較多的一種測(cè)距模型,它考慮了實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性[20]。如公式(2)所示:
(2)
在式(2)中,PL(d)為距發(fā)射端d處的路徑損耗,單位是dB;PL(d0)為距發(fā)射端d0處的路徑損耗;d0通常取為1;k為無(wú)線信號(hào)的衰減因子,一般取2到4;Xσ為高斯分布,其均值為0,方差為σ2。
由于節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度指示是功率,把式(2)兩邊分別取對(duì)數(shù)可得:
RSSI(d)=A-10klgd+Xσ
(3)
在式(3)中,A=10lgPr(do)表示信號(hào)傳播d0時(shí)的接受功率,則接收端與發(fā)送端的距離可以通過(guò)式(4)獲得:
(4)
質(zhì)心算法(Centriod Algorithm)是一種利用網(wǎng)絡(luò)連通來(lái)定位,通過(guò)與未知節(jié)點(diǎn)通信的錨節(jié)點(diǎn)所組成多邊形區(qū)域的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[21],算法如圖1所示。
圖1 質(zhì)心算法原理圖
假設(shè)A,B,C,D,E分為未知節(jié)點(diǎn)M通信范圍內(nèi)的5個(gè)錨節(jié)點(diǎn),其坐標(biāo)分別為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),則未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)坐標(biāo)為:
一些研究者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),利用了測(cè)距信息。通過(guò)權(quán)值來(lái)反映不同錨節(jié)點(diǎn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的影響程度[22]。假設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為D(x,y)和n個(gè)錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為(x1,y1), (x2,y2),…(xn,yn),則加權(quán)質(zhì)心定位算法的公式如(5)所示:
(5)
在式(5)中,ωi表示第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的權(quán)值,ωi為未知節(jié)點(diǎn)與第i個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離的倒數(shù)。
在實(shí)際測(cè)量中,在短時(shí)間內(nèi)未知節(jié)點(diǎn)收到n個(gè)RSSI值,由于外界環(huán)境的影響,這些RSSI值具有很大的波動(dòng),但總體上呈現(xiàn)出高斯分布[23],如圖2所示。
圖2 高斯分布曲線圖
單純的均值濾波和中值濾波對(duì)數(shù)據(jù)處理存在較大的誤差,而高斯濾波雖然去除了波動(dòng)大的值,但剩下的RSSI數(shù)據(jù)是仍然是波動(dòng)的,本文采用高斯加權(quán)濾波對(duì)RSSI值進(jìn)行修正,其核心思想是:先采用高斯濾波器剔除波動(dòng)大的值,接著使用中值加權(quán)方法對(duì)濾波后的RSSI值進(jìn)行校正得到最終的RSSI值。該算法能有效地減少小概率、大干擾對(duì)整體測(cè)量數(shù)據(jù)的影響,也能充分利用剩下RSSI值的信息,讓最終的RSSI值更加接近真實(shí)值。此方法具有穩(wěn)定性和適用性,更加適用于復(fù)雜的環(huán)境。加權(quán)高斯修正RSSI值的步驟如下:
1) 對(duì)RSSI值進(jìn)行高斯濾波。高斯函數(shù)如公式(6)所示,在錨節(jié)點(diǎn)廣播信號(hào)完成之后,計(jì)算出每組RSSI測(cè)量值的參數(shù)μ和σ,并且事先設(shè)定一個(gè)測(cè)量誤差的門(mén)限閾值K,若f(RSSIi)>k,則表示誤差值超出范圍需要剔除,并置其權(quán)值λ為0;否則,權(quán)值為1。本文確定誤差門(mén)限值的原則是:選擇概率較高的區(qū)域,高概率發(fā)生區(qū),由高斯分布函數(shù)性質(zhì)可知位于區(qū)間(μ-σ,μ+σ)內(nèi)的面積占總面積的68%,而一般只需要選擇概率大于0.6即可[24]。
(6)
2)對(duì)高斯濾波后剩下n個(gè)信號(hào)值(RSSI1,RSSI2,…,RSSIn),對(duì)其按數(shù)值大小進(jìn)行排序,并找出中值RSSIm,RSSIm的值由公式(7)確定。
(7)
求出各個(gè)RSSI信號(hào)強(qiáng)度與中值RSSIm的差,如公式(8)所示:
Di=(RSSIi-RSSIm)
(8)
考慮到過(guò)濾后的信號(hào)值剛好與中值相等的情況,用公式(9)來(lái)表示加權(quán)系數(shù):
(9)
進(jìn)行權(quán)值系數(shù)歸一化處理,如公式(10)所示:
(10)
其中:RSSIi第i個(gè)RSSI值,可以看出RSSIi和RSSIm相差越大,相對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)越??;反之,則越大;當(dāng)RSSIi和RSSIm相等時(shí),加權(quán)系數(shù)最大。
3) 把高斯過(guò)濾后的信號(hào)值與其相應(yīng)的權(quán)值相乘,再對(duì)它們進(jìn)行求和,得到的結(jié)果作為優(yōu)化后的RSSIopt值,公式如下:
(11)
由于外界環(huán)境的影響,錨節(jié)點(diǎn)本身有可能出現(xiàn)自身的定位精度誤差大,比如在森林中,錨節(jié)點(diǎn)域受樹(shù)蔭的遮擋,有些錨節(jié)點(diǎn)自身的精度可能高達(dá)15米[25],有時(shí)候錨節(jié)點(diǎn)因潮濕等因素造成損壞而無(wú)法定位,導(dǎo)致定位階段誤差大。因此,采用四邊形來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),具體方法是:首先把最優(yōu)RSSI值轉(zhuǎn)化成距離,然后找出最近4個(gè)錨節(jié)點(diǎn),并以其坐標(biāo)為圓心,距離為半徑畫(huà)圓,如圖3所示。四邊形區(qū)域是由相鄰兩圓交點(diǎn)的內(nèi)側(cè)坐標(biāo)所組成,用加權(quán)質(zhì)心算法計(jì)算該區(qū)域的質(zhì)心并作為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。其權(quán)值的選擇依據(jù)是內(nèi)側(cè)的每一個(gè)交點(diǎn)由兩個(gè)相鄰的錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的測(cè)量距離共同決定的,如公式(12)所示:
(12)
其中:d1,d2,d3,d4分別為未知節(jié)點(diǎn)到各個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A,B,C,D的估計(jì)距離,E,F(xiàn),G,H為內(nèi)側(cè)4個(gè)交點(diǎn),其坐標(biāo)為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4)其中第i個(gè)內(nèi)側(cè)交點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)值為其相鄰兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的測(cè)量距離之和的倒數(shù),N為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
圖3 四邊形加權(quán)質(zhì)心定位算法
如圖所示,越多的錨節(jié)點(diǎn)參與未知節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算時(shí),其相交得到的區(qū)域會(huì)越小,定位精度會(huì)越高;但在實(shí)際應(yīng)用中錨節(jié)點(diǎn)容易受環(huán)境影響出現(xiàn)定位精度低或者無(wú)法定位的情況,本文提出的定位算法其魯棒性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的三角形加權(quán)質(zhì)心定位算法;然而并不是一味的增加錨節(jié)點(diǎn)參與定位的數(shù)量就是可行的,四邊形質(zhì)心算法在內(nèi)側(cè)交點(diǎn)的選擇方式和三角形質(zhì)心算法的方式不太一樣,最近的4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A,B,C,D在計(jì)算內(nèi)側(cè)坐標(biāo)的時(shí)候是選擇兩兩相鄰圓的內(nèi)側(cè)交點(diǎn),比如以A和C為圓心的兩個(gè)圓是不相鄰的,兩個(gè)交點(diǎn)都不屬于內(nèi)側(cè)的。其核心思想是判斷哪些錨節(jié)點(diǎn)是兩兩相鄰(即對(duì)錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逆時(shí)針或者順時(shí)針判斷)。假設(shè)我們事先不知道選擇4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的順序,隨機(jī)選擇兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)B和C的坐標(biāo),由兩點(diǎn)確定一條直線可得出直線方程為F(x)=kx+b,并把另外兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A和D的坐標(biāo)(xi,yi)和(xj,yj)代入該直線方程F(x)并通過(guò)公式(13)判斷另外兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)是否同側(cè)還是異側(cè)。在判斷哪些錨節(jié)點(diǎn)是兩兩相鄰的時(shí)候會(huì)遇到3種情況:1) 另外的兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位于直線的異側(cè)。則這兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的連線是4個(gè)錨節(jié)點(diǎn)所組成四邊形的對(duì)角線,那么另外兩個(gè)也是四邊形的對(duì)角線,經(jīng)過(guò)一次判斷就可以得出哪些錨節(jié)點(diǎn)是兩兩相鄰的,如圖4(a)所示;2) 如果第一次判斷是同側(cè),則需要再進(jìn)行一次判斷,保持前面隨機(jī)選擇的兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的其中一個(gè)坐標(biāo),再選擇另一個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行判斷,如果兩次判斷的結(jié)果都是同側(cè),那么這3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)剛好就是所組成四邊形的兩條邊,可以得出哪些錨節(jié)點(diǎn)是組成四邊形的對(duì)角線,也同樣可以得到第一種情況的結(jié)果,如圖4(b)所示;3)如果第二次是異側(cè),則兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)是組成四邊形的一條邊和一條對(duì)角線,也可以得到第一種情況的結(jié)果。如圖4(c)所示。
(13)
由上面的分析可知,如果參與未知節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算的錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)目多于4個(gè)的話(huà),內(nèi)側(cè)交點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)很多個(gè),在內(nèi)側(cè)交點(diǎn)的選擇和判斷錨節(jié)點(diǎn)的相鄰情況的難度和復(fù)雜度也會(huì)變得很大,計(jì)算量也很大。
圖4 判斷錨節(jié)點(diǎn)相鄰時(shí)的3種情況
本文定位算法的步驟如下:
Step 1:錨節(jié)點(diǎn)周期性向周?chē)鷱V播信息(ID、位置信息和發(fā)射功率);
Step 2:當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收通信范圍內(nèi)同一錨數(shù)據(jù)包達(dá)到一定閾值時(shí),對(duì)接收到的 RSSI值進(jìn)行高斯加權(quán)處理,得到最優(yōu)RSSI值;
Step 3:將高斯加權(quán)濾波后的RSSI值轉(zhuǎn)換成距離;
Step 4:與未知節(jié)點(diǎn)通信的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目如果大于3個(gè),則執(zhí)行步驟5;否則用RSSI三角形加權(quán)質(zhì)心求未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo);
Step 5:對(duì)距離值從小到大排序,選擇前4個(gè)距離值, 并記錄其對(duì)應(yīng)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo);
Step 6:判斷哪些錨節(jié)點(diǎn)是兩兩相鄰的,并求以?xún)蓛上噜彽腻^節(jié)點(diǎn)為圓心,測(cè)量距離為半徑的圓的內(nèi)側(cè)交點(diǎn),并計(jì)算相應(yīng)的權(quán)值。
Step 7:利用加權(quán)質(zhì)心算法計(jì)算內(nèi)測(cè)4個(gè)交點(diǎn)所組成四邊形區(qū)域的質(zhì)心,并作為未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置并計(jì)算和實(shí)際位置的偏移誤差;
定位算法流程如圖5所示。
圖5 定位算法流程圖
評(píng)估定位算法標(biāo)準(zhǔn)的主要參數(shù)是平均定位誤差[26],如公式(14)所示:
(14)
其中:(xest,yest)為估計(jì)坐標(biāo),(xi,yi)為實(shí)際坐標(biāo),R表示節(jié)點(diǎn)的通信半徑,M表示未知節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
本文使用Matlab2010a對(duì)算法進(jìn)行仿真,未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)分別為80和20,隨機(jī)分布在100 m×100 m的正方形區(qū)域內(nèi)。在衰減模型中添加高斯隨機(jī)變量,試驗(yàn)中假設(shè)各次測(cè)量相互獨(dú)立且同分布,即服從均值為零、方差為σ2的高斯分布,用來(lái)模擬實(shí)際的氣候、多徑和陰影衰落等環(huán)境,衰減系數(shù),n的值取為2,按上述算法和步驟進(jìn)行仿真。
為了清晰地反應(yīng)高斯加權(quán)濾波算法修正RSSI值后對(duì)定位精度的影響,對(duì)高斯加權(quán)和不采用高斯加權(quán)修正所得到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)定位誤差進(jìn)行仿真比較,其中未知節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)目分別為30和20,仿真結(jié)果如圖6所示。
圖6 修正前后誤差對(duì)比
由圖6可知,采用高斯加權(quán)濾波算法修正后,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位誤差均減小了,而且不同節(jié)點(diǎn)的誤差也比較穩(wěn)定。
對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置進(jìn)行仿真。在默認(rèn)參數(shù)下進(jìn)行仿真。未知節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為80,錨節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為20,通信半徑為30 m,仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 未知節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)
由圖7可知,錨節(jié)點(diǎn)分布比較密集的區(qū)域,未知節(jié)點(diǎn)的誤差線會(huì)比較短;較稀疏的區(qū)域,誤差線會(huì)比較長(zhǎng)。
不同錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目下的平均定位誤差。改變錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,分別取為10,15,20,25,30,35,40,45,50通信半徑為30 m,分別對(duì)質(zhì)心算法、傳統(tǒng)的RSSI定位算法、文獻(xiàn)[11]定位算法以及本文提出的定位方法進(jìn)行仿真比較。仿真結(jié)果如圖8所示。
圖8 不同錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目下的平均定位誤差
由圖8可以看出,隨錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)從10變化到50,本文定位算法的平均誤差都保持最小,4種定位算法的平均誤差均有逐漸減小的趨勢(shì);在錨節(jié)點(diǎn)較少的情況下,本文算法的定位精度優(yōu)于其它3種,并且隨錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化,本文的定位算法更為穩(wěn)定,當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為10時(shí),本文的定位精度相當(dāng)文獻(xiàn)[11]定位算法在錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量為20以上的定位精度,由此也可知本文定位算法不需要大量錨節(jié)點(diǎn)來(lái)保證精度,減少錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)于傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用有著重要作用。
本文采用高斯加權(quán)濾波得到校正RSSI值,在一定程度上減少了環(huán)境對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響,提高了測(cè)距的精度。使用四邊形加權(quán)質(zhì)心定位,降低單個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的權(quán)重,提高了定位精度,具有較好的魯棒性,仿真結(jié)果表明本文定位算法在精度、穩(wěn)定性都優(yōu)于相比較的3種定位算法。如何利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)把不同傳感器測(cè)距得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來(lái)提高定位精度將是下一步研究工作的重點(diǎn)。
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