陳向飛，王鴻建
?。ㄌ斓兀ǔＶ荩┳詣?dòng)化股份有限公司， 江蘇 常州 213000）
摘要：基于無(wú)線射頻(Radio Frequency,RF)信號(hào)傳輸模型，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，分析了接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)與通信距離的關(guān)系，為無(wú)線信號(hào)的測(cè)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(wú)線傳輸電路，測(cè)得了大量的RSSI值，分析了CC1101的傳輸距離對(duì)環(huán)境的要求，為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中RF收發(fā)芯片的測(cè)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
0引言
隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，特別是無(wú)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(wú)線通信技術(shù)，滿足了用戶對(duì)當(dāng)前無(wú)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(wú)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(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)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(wú)線聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控產(chǎn)品的無(wú)線測(cè)距、定位信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用提供參考［2］。
1信號(hào)傳輸特性
1.1RSSI
接收信號(hào)的強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）是真實(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度與最優(yōu)接收功率等級(jí)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(wú)線電傳播損耗模型
無(wú)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(wú)線電傳播中心頻率(MHz)；d為無(wú)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(hào)的強(qiáng)度。
2RSSI的測(cè)距與定位原理
由于在測(cè)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(cè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)包括參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)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(dòng)，根據(jù)D信號(hào)到A、B、C所測(cè)得的RSSI值計(jì)算出D到A、B、C的距離，再經(jīng)過三邊測(cè)量法可得定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。三邊測(cè)量法為：給定一組參考點(diǎn)Xi、Yi和一組測(cè)量距離di，通過式(4)線性方程組來(lái)解出未知的Ux、Uy：
圖1基本定位分布由上面的聯(lián)立方程式中解出的U即為移動(dòng)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(cè)量過程中，由于測(cè)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(lái)說應(yīng)該為三角形的重心，但是由于測(cè)量距離遠(yuǎn)近、信號(hào)強(qiáng)弱等原因，這個(gè)重心有所圖2信號(hào)強(qiáng)度示意圖偏移，因此要根據(jù)各信號(hào)給3點(diǎn)加權(quán)處理，即重心要偏向信號(hào)靈敏度弱的一邊?；蛘咴谡`差范圍內(nèi)給各信號(hào)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(duì)其他定位技術(shù)而言，無(wú)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(dòng)便攜式設(shè)備，離地面2.5 m，通過移動(dòng)發(fā)射器，保持發(fā)射器和接收器正對(duì)，讓其與接收器的距離每隔5 m或者10 m測(cè)量一次，每次記錄多組數(shù)據(jù)。整個(gè)測(cè)量過程在晴天的環(huán)境下進(jìn)行，并分為白天和晚上測(cè)量，測(cè)量傳輸距離到400 m。
3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表1為所測(cè)的RSSI(dbm)值，X為傳輸距離；RSSI為每個(gè)點(diǎn)測(cè)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。
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(yáng)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。
3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)論
由實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，所測(cè)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(lái)越遠(yuǎn)，RSSI最小值與最大值曲線反映其離散性越來(lái)越大，并且根據(jù)記錄數(shù)據(jù)來(lái)看其可靠性也越來(lái)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(dòng)，會(huì)導(dǎo)致接收設(shè)備接收信號(hào)RSSI離散性變大。此外，在白天和晚上同一點(diǎn)上的RSSI值會(huì)不一樣，這與太陽(yáng)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(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)變差，如果在沒有障礙物的情況下，400 m以內(nèi)的信號(hào)均可信，但超過400 m，數(shù)據(jù)會(huì)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(hào)在250 m以外就會(huì)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(lái)避開障礙物和延長(zhǎng)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(duì)其傳輸距離做了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，分析了影響它傳輸?shù)闹饕蛩?，給出了一些重要的數(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。
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