基于RSSI的汽車免鑰匙系統(tǒng)定位技術(shù)研究

程和生，程和俠

（1.合肥師范學(xué)院計算機學(xué)院，安徽合肥 230601；2.安慶師范大學(xué)計算機與信息學(xué)院，安徽安慶 246133）

汽車無鑰匙進入系統(tǒng)（PKE）是高檔汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置[1]，現(xiàn)有技術(shù)由歐、美、日等國壟斷。國產(chǎn)汽車廠商攻堅技術(shù)遇到障礙的核心是電子鑰匙車內(nèi)定位技術(shù)[2]。已有的傳感器定位技術(shù)可分為以下兩大類：（1）集中式與分布式定位算法。集中式定位算法將所有節(jié)點信息傳送到某個中心節(jié)點進行定位計算并確定，特點是全局統(tǒng)籌，定位相對準(zhǔn)確，但運算量大且難做到實時響應(yīng)。分布式定位算法成本高。（2）基于測距的定位算法和非測距的定位算法。測距方式定位對硬件要求較高，成本高，精度相對也較高。非測距方式對硬件要求較低，精度相對也低。實際應(yīng)用中主流測距技術(shù)有基于RSSI（Received Signal Strength Indication）信號強弱定位和基于UWB（Ultra Wideband）的定位?；赨WB的算法，對硬件要求較高，傳感器節(jié)點數(shù)目越多越精確，算法復(fù)雜度偏高，相比之下，基于RSSI測距方法具有較低復(fù)雜度和成本。

現(xiàn)有的PKE 方案眾多。NXP 公司的PKE 系統(tǒng)，特高頻UHF（Ultra High Frequency）使用發(fā)射芯片PCF7900，支持頻段有315 MHz、434 MHz、868 MHz 和915 MHz；低頻LF（Low Frequency）采用芯片PCF7991，發(fā)射125 kHz信號。該方案特點是量化LF信號強弱，準(zhǔn)確獲取RSSI，使用3個字節(jié)數(shù)值表示，適合車內(nèi)狹小空間定位。μPD78F0503 和μPD78F0881 是NEC 公司方案芯片，UHF 頻段選擇433.92 MHz，LF頻段選擇19 kHz。該方案在提高電子鑰匙電池使用壽命的同時減少了能耗，引入低頻喚醒芯片AS3931，支持寬工作頻率（19～150）kHz、喚醒靈敏度高、抗干擾能力強。Microchip 公司推出基于PIC16F639 作為UHF 信號發(fā)射433.92 MHz，LF 選擇125 kHz，提供方案詳細(xì)，但是未涉及定位功能。TI公司基于低功耗的RF430F51 系列PKE，集成CC1101 芯片，支持頻段315 MHz、434 MHz、868 MHz 和915 MHz；LF信號使用125 kHz，其特點是能耗低、抗干擾性強，但是定位精度低[3]。

免鑰匙系統(tǒng)定位技術(shù)是汽車免鑰匙進入系統(tǒng)研究熱點。上海大眾汽車有限公司提出4個低頻天線的無鑰匙進入系統(tǒng)區(qū)域定位方法[3]，但實現(xiàn)成本高，信號強弱易受到低頻天線影響。何曉曉等人通過天線信號強弱判斷鑰匙的相對距離，引入三維天線消除鑰匙相對基站姿態(tài)影響[4]。范衛(wèi)平等在文獻[4]的研究基礎(chǔ)上，對三維天線接收信號的強弱進一步優(yōu)化，提高了定位精度[5]，但未考慮車門對低頻信號的影響。

綜上所述，結(jié)合電子鑰匙定位特點，采用基于RSSI的測量定位方法，考慮相關(guān)頻段與現(xiàn)有商用頻段沖突以及抗干擾性，從低頻天線入手，設(shè)計高精度LF天線，研究LF信號（125 kHz）的傳輸特性和車門對信號的影響。根據(jù)車內(nèi)空間狹小、干擾性強和能耗等因素，決定使用NXP 芯片設(shè)計和測試PKE 系統(tǒng)。本定位方法采用單個LF天線定位的區(qū)域定位方法消除LF定位精度不足，滿足定位要求且成本低。

1 PKE工作原理

PKE技術(shù)是從RKE（Remote Keyless Entry）發(fā)展而來，在RKE技術(shù)上添加免鑰匙進入功能。免鑰匙進入功能是PKE技術(shù)的核心。

PKE系統(tǒng)由主機、電子鑰匙、低頻喚醒天線組成。主機包括125 kHz發(fā)射模塊和315 MHz的接收模塊，而電子鑰匙包含LF接收模塊和UHF發(fā)射模塊以及LF天線。這兩部分之間采取雙向通信，如圖1所示。主機在感應(yīng)用戶靠近車門時，LF天線發(fā)送喚醒信號，喚醒1.5 m左右處的電子鑰匙，附近的LF天線都能接收到此信號，通過識別并決定是否激活電子鑰匙。當(dāng)電子鑰匙驗證通過校驗，便發(fā)送UHF的射頻指令編碼報文，車載單元收到指令，如果識別成功，將開啟車門。

圖1 PKE工作流程

為了提高系統(tǒng)安全性，將PKE 系統(tǒng)與汽車啟動系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。當(dāng)啟動車輛時，檢測電子鑰匙是否在車內(nèi)，若有效檢測電子鑰匙，PKE發(fā)送UHF指令開啟發(fā)動機，否則，無法開啟發(fā)動機。因此，定位技術(shù)成為PKE系統(tǒng)核心功能之一。

2 定位模型建立

定位方法依據(jù)磁場強度的絕對測量值，該磁場只能由汽車內(nèi)天線產(chǎn)生?；谌缦聝蓚€途徑提高定位判斷：通過調(diào)節(jié)車內(nèi)LF天線結(jié)構(gòu)和布局，提高LF天線信號強度RSSI及傳輸距離；增強車門內(nèi)外RSSI的數(shù)值落差。

那時，我一心想要出去看風(fēng)景，只覺得和爸媽的代溝寬得無法逾越。人生苦短啊，干嘛把生活過得那么緊張呢？我回來找工作不是一樣嘛。

（1）定量設(shè)計天線

LF發(fā)射距離長度直接關(guān)系到定位范圍和精度。LF發(fā)射距離關(guān)鍵部件是LF天線，使用LC振蕩電路實現(xiàn)。參考眾多研究文獻，PKE的LF信號發(fā)射距離在（1～3）m范圍內(nèi)，磁場強度逐漸衰減。根據(jù)Biota-Savart定律，該處磁場強度公式為

其中，I為流過LF天線電流，N是LF天線的匝數(shù)，r為LF天線半徑，D表示與LF天線的距離。天線半徑r太小，繞的匝數(shù)特別多并占用空間；r不能太大，因為電子鑰匙很小，長寬約（3～4）cm。由式（1）可知，磁場強度與近似距離呈D-3衰減。

LC振蕩諧振發(fā)射模式，易受到電感L和電容C等參數(shù)影響，調(diào)節(jié)參數(shù)和天線布局是做好定位系統(tǒng)的重要工作。串聯(lián)LC諧振振蕩電路如圖2所示。串聯(lián)LC振蕩電路的諧振頻率由計算獲得[4]，計算公式為

圖2 串聯(lián)LC振蕩電路

當(dāng)L=120 μH，C=13nF 時，f0=125kHz。

由于125 kHz頻率較低，要求天線較長，使用LC振蕩電路替換，電感L使用空心線圈繞制而成，當(dāng)頻率低于1 MHz，此時空心電感參數(shù)可根據(jù)下式確定：

其中，L為線圈電感值，單位μH；N為線圈的圈數(shù)；r1為內(nèi)線圈半徑，單位m；r2為外線圈半徑，單位m；l為線圈長度，單位m。式（1）中r與式（2）中r1、r2之間的關(guān)系為。

由式（1）和式（2）可知，設(shè)計合適的天線，重點參數(shù)是空心電感線圈的半徑r，選取合適的r是定位的關(guān)鍵。r取不同的數(shù)值，天線輻射強度曲線有明顯的變化。當(dāng)單線圈（即N=1），線圈電流I=1A時，繪制出其輻射強度特性曲線，如圖3所示。

圖3 單線圈輻射強度與線圈半徑r關(guān)系

當(dāng)半徑r=5cm時，在近處輻射強度較弱；當(dāng)半徑r=2 cm時，在遠處衰減迅速。本文選取r=3 cm，兼顧信號的強弱和通信距離，同時符合電子鑰匙尺寸。

RSSI定位算法復(fù)雜低、占用資源少、但定位不夠精確，信號隨傳輸距離呈指數(shù)衰減。功率和距離之間的關(guān)系符合Friis在自由空間的模型[6]：

其中，Pr(d)表示RSSI 值，d0=1 m 作為參考量，Xσ表示正態(tài)分布隨機變量。Xσ的均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為σ（4～10），表示信號不穩(wěn)定度。設(shè)A=Pr(1)，則式（3）化簡為

由式（4）得關(guān)于距離d的表達式為

在理想情況下，通過式（5）計算所得距離精度約20 cm，不能滿足定位精度要求。一般家用汽車內(nèi)空間寬度約1.5 m 左右、長度約2 m 左右，在此封閉的環(huán)境下，汽車外殼具有一定的屏蔽外部信號干擾作用，當(dāng)LF發(fā)射器固定安裝后，125 kHz信號衰減過程在車內(nèi)是固定的。此時，電子鑰匙在車內(nèi)具體定位問題轉(zhuǎn)換為電子鑰匙在車門邊界臨界處信號強弱的測量，即測量車內(nèi)和車外接收到LF信號的強弱（RSSI值）。車載LF發(fā)射點分布如圖4所示，在封閉的環(huán)境中，車載天線安裝位置有：中央扶手天線AI，駕駛側(cè)門把手安裝天線Ao1，副駕駛門側(cè)天線Ao2，后備箱天線Ao3。其中，僅天線AI用于電子鑰匙車內(nèi)定位，前車門兩個LF天線不參與定位。

圖4 電子鑰匙的方位檢測

125 kHz的LF發(fā)射器發(fā)送的信號是球狀表面波，Ao1發(fā)射信號達到車門臨界的內(nèi)壁是非等勢面，測量獲取的RSSI 值是變化的，取其最小值為min(HI)、最大值為max(Ho)。此時，HI與Ho之間存在一個距離ΔH，ΔH引起信號強度下降Y(ΔH)，滿足以下關(guān)系式：

ΔH太大會誤判電子鑰匙位置，ΔH太小會對定位精度要求高。參考式（6），經(jīng)過測試和分析，找到合適的ΔH，可有效提高定位的準(zhǔn)確性。

3 測試分析及參數(shù)優(yōu)化

系統(tǒng)在江淮和悅汽車上進行測試，該車尺寸：長度4 590 mm，寬度1 765 mm，高度1 465 mm，內(nèi)部寬度約1 400 mm，車門厚度約300 mm。

測量天線AI對車門臨界點RSSI值的測量主要分駕駛室車門內(nèi)邊界和外邊界的測量，所有天線的測量高度為1 m。

測試使用的LF 接收器是Atmel 公司的ATA5790 芯片，其內(nèi)部集成RSSI 接收器和對應(yīng)AD 模塊，接收結(jié)果存放1個字節(jié)存儲器。測試場景分為車內(nèi)車門開啟和車內(nèi)車門關(guān)閉。

（1）車門開啟模式

打開車門，測量LF信號衰減情況，如圖5所示。圖的縱坐標(biāo)為ATA5790直接采集數(shù)據(jù)，占1個字節(jié)，表示范圍為0～255。

觀察圖5，RSSI信號在（0～80）cm急劇衰減，信號在（80～150）cm變化緩慢，信號在（150～250）cm變化幾乎為0。根據(jù)車輛內(nèi)部寬度，（70～90）cm車門臨界附近是判斷電子鑰匙是否在車內(nèi)的重要區(qū)域，但是測試數(shù)據(jù)在80 cm左右，RSSI值急劇衰減，在（80～150）cm變化不明顯。此時，容易受到外界信號干擾，無法定位。

本文依據(jù)式（5），對圖5縱坐標(biāo)取對數(shù)，獲得變換后的距離d與RSSI值關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖5 AD值與距離關(guān)系

圖6 LOG AD值與距離關(guān)系

（2）車門關(guān)閉模式

關(guān)閉車門，在完全封閉環(huán)境下，測量RSSI 的臨界值，如圖7所示。

由圖7 可知，在70 cm 附近RSSI 值突然下降，此處正是車門位置，車門和窗戶對LF信號具有較強的削弱，對判斷電子鑰匙位置有益。RSSI 值在70 cm 處約為135，80 cm 處約為90，相差約45，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)健性且減少了誤判。綜合考慮外界干擾，判斷電子鑰匙的臨界閾值為130。

圖7 車門關(guān)閉狀態(tài)下AD值與距離關(guān)系

4 結(jié)論

本文闡述了PKE的工作原理，重點介紹了電子鑰匙定位技術(shù)，此技術(shù)的難點在于定量分析RSSI 信號強弱與距離的關(guān)系。通過定制125 kHz的LC天線，設(shè)計合適的空心線圈電感的半徑r，產(chǎn)生按照距離d-3衰減的RSSI信號；RSSI信號在大于80 cm處基本無變化，引入log變換處理RSSI信號強弱，提高識別率。最后，利用車門和車窗對RSSI 信號具有較強的屏蔽作用，增強車內(nèi)RSSI 信號強度，進一步削弱了車外信號，從而提高了識別電子鑰匙在車內(nèi)的準(zhǔn)確率。通過實驗，最終確定了RSSI在車門臨界閾值為130。