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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)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,。或者在誤差范圍內(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)有障礙物的情況下,，400 m以內(nèi)的信號(hào)均可信，但超過(guò)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(shù)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(guò)程中要選擇合適的環(huán)境,，或者考慮是否加中繼來(lái)避開(kāi)障礙物和延長(zhǎng)距離,。
4結(jié)論
在本實(shí)驗(yàn)中，主要通過(guò)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。
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