基于CC2530的RSSI測距技術的研究

安徽工程大學機電學院信息工程系 龍海燕 張天飛 郭 慧 梁美玉 丁 嬌

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基于CC2530的RSSI測距技術的研究

安徽工程大學機電學院信息工程系 龍海燕 張天飛 郭 慧 梁美玉 丁 嬌

【摘要】基于RSSI測距技術，因其成本低和低復雜度，被廣泛應用于無線傳感器網絡基于距離的定位技術中。本文采用TI射頻芯片CC2530設計節點，軟硬件結合實現網絡通信功能，編寫軟件通過不同等級的功率、不同距離的測量實現了RSSI值的提取。實驗結果表明，在不同測量距離內，傳輸損耗值是不同的，測量距離越小，損耗值越低，反之越高。通過測量值擬合得出的距離與信號強度的關系圖，證明了基于CC2530的RSSI測距技術是有效的,適合短距離的一種距離測量技術。

【關鍵詞】無線傳感器網絡；CC2530；節點定位；RSSI測距

0 引言

無線傳感器網絡因其自組織性、分布式、低功耗和低成本等特性，從信息采集到機械控制，隨處可見無線傳感器網絡的應用，而距離位置的測量是無線傳感器網絡應用的一個重要研究方向。利用無線信號的強弱與距離的關系來定位，以達到監測和控制的目的，可滿足城市公交車定位定距需求，方便乘客預知公交車輛的位置，便于選擇出行方式。

本文利用CC2530組建了無線傳感器網絡，研究了RSSI的影響的因素，對數據進行測量、處理，以尋找RSSI與距離之間的關系，通過實驗驗證了利用RSSI信息來定位待測公交車的位置信息的有效性和可行性。

1 傳感器節點設計

傳感器節點的設計，考慮到便于功能的調試，分成兩個部分進行設計，包括無線傳輸模塊和測試底板。節點的核心部件是一個CC2530芯片，由于芯片高度集成，射頻收發和MCU控制于一體，因此它的外圍電路簡單，只要加上天線、晶振等少量元件就能實現數據的傳輸與處理。傳感器節點的通信距離在視野好的開闊環境可達200m以上[1]。

無線傳輸模塊主要實現以下幾個方面的功能：數據的采集；數據的收發；與PC機進行通信，硬件電路原理圖如圖1所示。其中，天線是無線傳感器網絡在通訊中不可或缺的一部分，在發送過程中，它主要將CC2530芯片輸出的電信號轉化為無線電磁波的形式傳送出去，在接收過程中，天線又將一定頻率的電磁波變換成電信號。本設計采用巴倫匹配和外置高增益SMA天線，它的接收靈敏度高，發送距離遠；晶振部分采用32.768KHz時鐘晶振以及32MHz無源晶振；同時還引出CC2530芯片的所有IO口，便于功能的測試及二次開發。

測試底板主要由無線傳輸模塊接口，串口液晶顯示接口，DC 5V電源接口， RS232接口，DEBUG 接口，五向按鍵，指示燈，紅外遙控信號接收/發射和連接端子（可連接各種傳感器）等模塊組成。所有的外設均通過SPI總線/UART /DEBUG等接口與無線傳輸模塊相連，并完全受無線傳輸模塊控制和訪問。

2 RSSI測距分析

2.1 RSSI測距原理

無線信號傳輸過程中通常采用理論模型中的對數常態分布模型[2]，由公式（1）給出模型的表達式：

P(d)是無線信號經過d距離后的路徑損耗，d是接收節點與發射節點之間的距離；P(d0)是參考距離為d0的路徑損耗，通常d0取1m；n是衰減因子，與周圍的環境因素相關；Xσ標準偏差為σ的零均值的高斯隨機變量，文獻[3]中提到，通過實驗證明，Xσ對距離的計算結果影響不大，因此本文去除Xσ，用簡化后的信號傳輸模型來估計距離。

接收節點接收到的信號強度，由式（2）給出：

圖1 無線傳輸模塊

Ps為發射節點的發射功率(dBm)，Pr為接收到的信號強度(dBm)。

故參考距離為1m時接收到的信號強度A由式（3）給出：

把式（3）代入式（1），可以得到簡化后的信號傳輸模型，其中參考距離d0，取1m，Xσ的均值等于0。

公式（4）結合公式（2），得到接收節點的信號強度由公式（5）給出：

通過式（5）就得到了接收節點的信號強度指示的RSSI值與節點間距離d之間的關系表達式。我們可以看到距離d的值與參數A、n和RSSI值密切相關，這三個參數與無線傳輸模塊的周圍環境相關，且n是時變的。因此，通過測試接收節點的接收到RSSI值以及A、n值，從而來獲得接收節點與發射節點之間的距離d的值。

圖2 節點放置方式

圖3 1m處站臺節點接收到的三個方向上的RSSI值

2.2 參數的確定

2.2.1 A值的標定

本文研究的RSSI測距技術主要應用于城市公交車輛的定位。A值的標定時，首先將用于接收數據的站臺節點P固定好，發射數據的公交車輛節點在距其1m位置在發射功率分別為0dBm，4dBm條件下連續發射功率信號。為了避免天線方向性產生的輻射偏差對A值的影響，根據公交車輛的實際行駛路線的特點，采用圖2的節點放置方式來進行實驗，作為該距離內的接收信號的實測值，其中P0、P1、P2是發射數據的公交車輛節點。

從圖3可以分析得，公交車輛節點P1方向上的RSSI值與P0、P2上的不一致，可見環境對A值的標定是有影響的。數據處理上，利用Matlab軟件的mean函數對發射功率分別為0dBm，4dBm 時的RSSI值求平均值來標定A的值，結果對應是-32.0467、-28.9600。因此，標定A為-32.0467、-28.9600。

2.2.2 n值的標定

標定n的值可以通過擬合RSSI與距離d之間的關系式得到。在0~100m的范圍內進行實驗，公交車輛節點距站臺節點每增加10m重復上述測量過程，站臺節點在接收到數據包后提取RSSI值并通過液晶顯示屏顯示，最后測試數據按照y=aln(x)+b進行擬合，RSSI-d的關系曲線如圖4所示，其中圖中的離散點為實驗測量所得的RSSI的值，兩條曲線分別為發射功率為0dBm，4dBm條件下所得衰減模型：

公式（6）可以轉化為公式（7）：

圖4 實驗數據處理結果

由圖4可以看到，RSSI均值與距離之間存在一定的關系式，擬合曲線與實驗數據有很好的一致性。由次也能看出，同一發射功率，隨著距離的增加，接收到的功率變??；在相同距離時，發射功率越大，衰減越小，傳輸的距離就越遠；發射功率為0dBm，在距離節點200m時，接收到的RSSI值基本保持不變；發射功率為4dBm，在距離節點300m時，接收到的RSSI值基本保持不變，再遠處基本上不能完成通信，可見網絡節點的發射功率越大，節點的通信距離越遠。

從公式（7）可以看到發射功率分別為0dBm，4dBm的情況下，可得A的值分別為-31.0968，-28.9999，衰減因子n的值為2.1、2.0，這與實驗所標定的A的值-32.0467、-28.9600相差很小，可以近似認為很好的模擬出實驗環境的信道傳輸模型。有了A和n，站臺節點根據接收到信號的強度RSSI 就可以利用式（5）估算出與公交車輛節點的距離d，從而實現定位待測公交車的位置信息。

3 實驗驗證

通過對RSSI值進行數值分析，結合公交車輛實際行駛環境對理論模型進行修正，得到符合環境及系統的RSSI值與距離之間的對應關系，更直觀地觀察規律。在對所擬合的信道模型進行實驗驗證，公交車輛節點選擇發射功率為4dBm，根據公式（7），可得發射功率在4dBm時距離d的計算公式為：

測試條件：站臺節點位置固定，公交車輛節點以20m步長移動，定時向站臺節點發送數據信息，測試50次取平均值作為實測的RSSI值，同時通過串口發送到筆記本電腦，利用Matlab軟件進行數據分析計算，如表1所示。

表1 測距實驗結果

根據測試數據，在傳感器節點的通訊范圍內，通過擬合所得到的信道模型的測距距離最大誤差是4.55m，誤差2.3%。城市公交車的定位精度要求不高，一般在30m時，可以判斷公交車即將到達公交站臺，在5m內可以判斷公交車已經到達站臺[4]。因此，本文的測距方法能夠滿足城市公交車的定位需要。

4 結論

通過實驗驗證，分析得出在不同測量距離，傳輸損耗值是不同的，測量距離越小，損耗值越低，反之越高。在保證信號不失真的前提下，實驗證明在增加輸出信號的功率，信號傳輸的距離增大?？梢?，只要提高無線傳感器的節點的發射功率，就可實現遠距離傳輸，可以滿足于城市公交車定位系統對無線傳輸距離的需要。

經實地測量，在不加功率增益的情況下，基于CC2530設計的節點有效傳輸距離最大為300米。因此，進一步研究中應當對節點增加射頻電路，來提高定位的距離。與此同時，本文在記錄RSSI的值時，我們采用均值模型進行處理，雖然均值模型的方法簡單，應用很廣，但對于RSSI值受環境因素波動很大，會影響參數的標定。采用高斯濾波法對RSSI值進行處理，可避免小概率、大干擾的錯誤數據對測距距離的影響[5]，這也是值得進一步研究改進的地方?？傮w來說，本文的RSSI測距技術在CC2530設計節點構建的無線傳感器網絡上應用，相較于經驗模型在定位精度上有所提高，但是還是精度還是不夠，有待繼續改進。

參考文獻

[1]CC253X User’s Guide [EB/OL][2010-06-25]. http://focus. ti.com/docs/prod/folders/print/cc2530.html

[2]方震,趙湛,等.基于RSSI測距分析[J].傳感技術學報,2007, 20 (11):2526-2530

[3]馮愛麗,喬鋼柱,曾建潮.基于信標節點間距離的改進RSSI定位算法[J].太原科技大學學報,2012, (1):6-10

[4]邱靈枝.ZigBee技術在智能公交通信網絡中的應用[D].湖南大學,2009

[5]張橙,宋學瑞.基ZigBee的RSSI測距方法精度研究[J].湖南工業大學學報,2011,25(5):37-41

Research on the CC2530 Based RSSI Ranging Technology

Long Hai-yan, Zhang Tian-fei, Guo Hui, Liang Mei-yu, Ding Jiao
（College of Mechanical & Electrical Engincering, Anhui Polytechnic University, The Department of Information Engineering, Anhui ,Wuhu, 241000）

Abstract:Distance measurement technology based on RSSI, because of its low cost and low complexity, is widely applied in the range-based localization of the Wireless Sensor Networks. Through TI CC2530 RF chip design nodes, Combining the soft and hardware to realize the network communication, RSSI value is extracted by programming via different grades of power, different distances measurement. The experimental results show that in different distance，the power loss is different, the measurement distance is small, the loss of value is low, contrary the higher. Finally fitting is obtained by the chart of distance-power prove that RSSI ranging technology based on CC2530 is a effective method for measuring in shorter distance．

Key words:Wireless sensor networks; CC2530; node localization; distance measure based on RSSI