基于RSSI的無線測距與定位信號分析

陳向飛，王鴻建

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213000)

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基于RSSI的無線測距與定位信號分析

陳向飛，王鴻建

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213000)

摘要：基于無線射頻(Radio Frequency,RF)信號傳輸模型，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，分析了接收信號強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)與通信距離的關(guān)系，為無線信號的測距與定位提供了基本依據(jù)。使用低成本、低能耗的RF收發(fā)芯片CC1101，設(shè)計(jì)無線傳輸電路，測得了大量的RSSI值，分析了CC1101的傳輸距離對環(huán)境的要求，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)中RF收發(fā)芯片的測距、定位和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：損耗；RSSI；傳輸距離

引用格式：陳向飛，王鴻建. 基于RSSI的無線測距與定位信號分析[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(12)：76-77，80.

0引言

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，特別是無線聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控產(chǎn)品的應(yīng)用，以低成本、低能耗、低復(fù)雜性、高靈敏度為顯著優(yōu)點(diǎn)的短距離無線通信技術(shù)，滿足了用戶對當(dāng)前無線通信產(chǎn)品的強(qiáng)烈追求，尤其是能實(shí)現(xiàn)信息共享和多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋銛y式產(chǎn)品[1]。

應(yīng)用了短距離無線通信技術(shù)的RF收發(fā)芯片CC1101，提供RSSI值，通過實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)來估計(jì)其傳輸距離范圍，并且分析RSSI值與環(huán)境之間的關(guān)系，為RF收發(fā)芯片在無線聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控產(chǎn)品的無線測距、定位信號和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用提供參考[2]。

1信號傳輸特性

1.1RSSI

接收信號的強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)是真實(shí)的接收信號強(qiáng)度與最優(yōu)接收功率等級間的差值，可在芯片CC1101的特殊寄存器中讀取，但需將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3]。

1.2無線電傳播損耗模型

無線電在自由空間的傳輸損耗可由式(1)給出。

Lbf=32.44+10nlgf+10nlgd

(1)

其中，Lbf為自由空間損耗(dB)；f為無線電傳播中心頻率(MHz)；d為無線電傳輸距離(km)，n為路徑衰減因子，一般取2～5。

RSSI(dbm)值的計(jì)算方式如式(2)：

RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf

(2)

其中，Pt為發(fā)射功率，Gr為接收天線增益，Gt為發(fā)射天線增益，Lc為電纜和纜頭的損耗，Lbf為自由空間損耗。

在相同的Pt、Gr、Gt、Lc、f條件下由式(1)和式(2)可得式(3)：

RSSI=A-10nlgd

(3)

其中，A代表距離為1 m時(shí)接收信號的強(qiáng)度。

2RSSI的測距與定位原理

由于在測量過程中Pt、Gr、Gt、Lc、f一定，傳播因子可以根據(jù)環(huán)境選擇取值，根據(jù)理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)的傳播損耗模型與接收器測得的RSSI值，由(3)式計(jì)算，就可以估算兩點(diǎn)間距離。

采用此技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)包括參考節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)，最基本的二維定位系統(tǒng)由1個(gè)定位節(jié)點(diǎn)和3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示，A、B、C為參考節(jié)點(diǎn)，其位置確定；D為定位節(jié)點(diǎn)，可在參考節(jié)點(diǎn)覆蓋的范圍內(nèi)任意移動，根據(jù)D信號到A、B、C所測得的RSSI值計(jì)算出D到A、B、C的距離，再經(jīng)過三邊測量法可得定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。三邊測量法為：給定一組參考點(diǎn)Xi、Yi和一組測量距離di，通過式(4)線性方程組來解出未知的Ux、Uy：

(4)

圖1　基本定位分布

圖2　信號強(qiáng)度示意圖

由上面的聯(lián)立方程式中解出的U即為移動節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo)。這個(gè)方法在理論上能確定唯一的點(diǎn)，如圖1所示的D點(diǎn)，但是在實(shí)際測量過程中，由于測量誤差等原因?qū)е?個(gè)距離d不能擬合出唯一點(diǎn)坐標(biāo)，即出現(xiàn)了d1、d2、d3為半徑的A、B、C 3個(gè)圓有D、E、F 3個(gè)交點(diǎn)，如圖2所示。那么實(shí)際的定位點(diǎn)就在由D、E、F 3點(diǎn)圍成的三角形內(nèi)，一般來說應(yīng)該為三角形的重心，但是由于測量距離遠(yuǎn)近、信號強(qiáng)弱等原因，這個(gè)重心有所偏移，因此要根據(jù)各信號給3點(diǎn)加權(quán)處理，即重心要偏向信號靈敏度弱的一邊?；蛘咴谡`差范圍內(nèi)給各信號距離d加權(quán)讓3個(gè)圓交于一點(diǎn)。

也可采用更多的參考節(jié)點(diǎn)可以提高定位的精度。相對其他定位技術(shù)而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)分辨率可達(dá)到0.25 m，定位精度為3～5 m，在這兩項(xiàng)關(guān)鍵指數(shù)上面表現(xiàn)優(yōu)異。

3實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)設(shè)備分為接收器、發(fā)射器和顯示器。接收器和發(fā)射器均是通過單片機(jī)控制RF收發(fā)芯片CC1101收發(fā)數(shù)據(jù)，接收器還與顯示器通過通信方式連接。每當(dāng)發(fā)射器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，接收器接收到數(shù)據(jù)之后，通過處理取得RSSI、LQI值，并發(fā)送給顯示器顯示。若接收不到則發(fā)送數(shù)據(jù)為零。發(fā)射器每隔一定時(shí)間發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)是在空曠的道路上進(jìn)行的，接收器固定在距地面20 m高的窗戶上，它與墻體的距離為1 m。發(fā)射器為移動便攜式設(shè)備，離地面2.5 m，通過移動發(fā)射器，保持發(fā)射器和接收器正對，讓其與接收器的距離每隔5 m或者10 m測量一次，每次記錄多組數(shù)據(jù)。整個(gè)測量過程在晴天的環(huán)境下進(jìn)行，并分為白天和晚上測量，測量傳輸距離到400 m。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1為所測的RSSI(dbm)值，X為傳輸距離；RSSI為每個(gè)點(diǎn)測得數(shù)據(jù)去掉兩個(gè)最大值和最小值，求平均所得；RSSIMin為最小的5個(gè)數(shù)據(jù)求平均；RSSIMax為最大的5個(gè)數(shù)據(jù)求平均。圖3為實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)所繪制的曲線圖。

表1　實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

3.3實(shí)驗(yàn)分析

發(fā)射器的發(fā)射功率Pt由CC1101的初始設(shè)置決定，本實(shí)驗(yàn)中Pt選擇為10 dBm；天線增益也是影響本實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)重要因素，但在本實(shí)驗(yàn)中接收器天線采用34 cm的天線，發(fā)射器天線采用17 cm的天線，經(jīng)過粗略計(jì)算Gr+Gt-Lc的值取11 dBm；設(shè)置CC1101的電磁波中心頻率為433 MHz。因此由式(2)、式(3)可得RSSI值的實(shí)際值，如式(5)：RSSI= -11.44-10nlg433d

(5)

其中，路徑衰減因子n由于多徑、繞射、太陽光照、濕度、溫度等因素其取值也不相同，一般取值范圍為2～5，在本實(shí)驗(yàn)中n取3.3。

圖3　RSSI曲線

3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，所測數(shù)據(jù)RSSI平均值曲線基本上符合了式(5)的關(guān)系，但是隨著發(fā)射器到接收器距離越來越遠(yuǎn)，RSSI最小值與最大值曲線反映其離散性越來越大，并且根據(jù)記錄數(shù)據(jù)來看其可靠性也越來越差。其原因與環(huán)境影響有關(guān)，如空氣濕度、障礙物等。

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)射器的晃動，會導(dǎo)致接收設(shè)備接收信號RSSI離散性變大。此外，在白天和晚上同一點(diǎn)上的RSSI值會不一樣，這與太陽光照有關(guān)，分析了白天

與晚上的數(shù)據(jù)，一般白天晴天環(huán)境下衰減因子取3.3適宜，晚上衰減因子取3比較合適。在有障礙物的情況下，會導(dǎo)致接收信號變差，如果在沒有障礙物的情況下，400 m以內(nèi)的信號均可信，但超過400 m，數(shù)據(jù)會有隨機(jī)性丟失，如果在有障礙物的環(huán)境下，如樹木的遮擋，信號在250 m以外就會有所丟失；如有建筑物的遮擋，即使在較近的距離，接收器也可能收不到數(shù)據(jù)。因此在使用過程中要選擇合適的環(huán)境，或者考慮是否加中繼來避開障礙物和延長距離。

4結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)中，主要通過TI公司的RF收發(fā)芯片CC1101所提供的RSSI值，對其傳輸距離做了實(shí)驗(yàn)測量，分析了影響它傳輸?shù)闹饕蛩兀o出了一些重要的數(shù)據(jù)，為CC1101的使用提供一種環(huán)境距離參考，并總結(jié)了傳輸距離與RSSI值的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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[3] 方震，趙湛，郭鵬，等.基于RSSI測距分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(11)：2526-2530.

中圖分類號：TN925+.92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.024

(收稿日期：2016-02-23)

作者簡介：

陳向飛(1987-)，通信作者，男，碩士，主要研究方向：自動化儀器儀表。E-mail：286783422@qq.com。

王鴻建(1984-)，男，碩士，主要研究方向：傳感器技術(shù)。

Wireless distance measurement and positioning signal analysis based on RSSI

Chen Xiangfei,Wang Hongjian

(Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213000, China)

Abstract:Through the wireless RF signal transmission model,combing with the practical application, this paper gave an analysis of the relationship between RSSI and the communication distance,which provided the basis for the distance measuring and positioning of the wireless signal.Using a low cost and low energy consumption RF transceiver chip CC1101 ,the paper designed a wireless transmission circuit, obtained a large amount of RSSI data, gave an analysis about the environment demands for the CC1101 transmission distance, and provided a reference for the RF transceiver chip application in distance measurement, positioning and the data transmission in wireless sensor networks.

Key words:loss；RSSI；communication distance