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)合實際應(yīng)用，分析了接收信號強度指示(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
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)品的強烈追求,，尤其是能實現(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,，通過實驗測量數(shù)據(jù)來估計其傳輸距離范圍，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
接收信號的強度指示（Received Signal Strength Indicator,，RSSI）是真實的接收信號強度與最優(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時接收信號的強度,。
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)驗的傳播損耗模型與接收器測得的RSSI值，由(3)式計算,，就可以估算兩點間距離,。
采用此技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)包括參考節(jié)點和移動節(jié)點，最基本的二維定位系統(tǒng)由1個定位節(jié)點和3個參考節(jié)點組成,，如圖1所示,，A、B,、C為參考節(jié)點,，其位置確定；D為定位節(jié)點,，可在參考節(jié)點覆蓋的范圍內(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)點的坐標(biāo),。三邊測量法為：給定一組參考點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：
圖1基本定位分布由上面的聯(lián)立方程式中解出的U即為移動節(jié)點的定位坐標(biāo)。這個方法在理論上能確定唯一的點,，如圖1所示的D點,，但是在實際測量過程中，由于測量誤差等原因?qū)е?個距離d不能擬合出唯一點坐標(biāo),，即出現(xiàn)了d1,、d2,、d3為半徑的A、B,、C 3個圓有D,、E、F 3個交點,，如圖2所示,。那么實際的定位點就在由D、E,、F 3點圍成的三角形內(nèi),，一般來說應(yīng)該為三角形的重心，但是由于測量距離遠近,、信號強弱等原因,，這個重心有所圖2信號強度示意圖偏移，因此要根據(jù)各信號給3點加權(quán)處理,，即重心要偏向信號靈敏度弱的一邊,。或者在誤差范圍內(nèi)給各信號距離d加權(quán)讓3個圓交于一點,。
也可采用更多的參考節(jié)點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)分辨率可達到0.25 m,，定位精度為3~5 m,，在這兩項關(guān)鍵指數(shù)上面表現(xiàn)優(yōu)異。
3實驗
3.1實驗過程
實驗設(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)射器每隔一定時間發(fā)送一次數(shù)據(jù),。
實驗是在空曠的道路上進行的，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),。整個測量過程在晴天的環(huán)境下進行,，并分為白天和晚上測量，測量傳輸距離到400 m,。
3.2實驗數(shù)據(jù)
表1為所測的RSSI(dbm)值，X為傳輸距離,；RSSI為每個點測得數(shù)據(jù)去掉兩個最大值和最小值,，求平均所得；RSSIMin為最小的5個數(shù)據(jù)求平均,；RSSIMax為最大的5個數(shù)據(jù)求平均,。圖3為實驗記錄數(shù)據(jù)所繪制的曲線圖。
3.3實驗分析
發(fā)射器的發(fā)射功率Pt由CC1101的初始設(shè)置決定,，本實驗中Pt選擇為10 dBm,；天線增益也是影響本實驗的一項重要因素，但在本實驗中接收器天線采用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,，在本實驗中n取3.3,。
3.4實驗結(jié)論
由實驗的數(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,，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。
實驗過程中發(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
在本實驗中，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驗測量,，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
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