基于RSSI的無線測距與定位信號分析

陳向飛，王鴻建

(天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州 213000)

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基于RSSI的無線測距與定位信號分析

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，結合實際應用，分析了接收信號強度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)與通信距離的關系，為無線信號的測距與定位提供了基本依據。使用低成本、低能耗的RF收發芯片CC1101，設計無線傳輸電路，測得了大量的RSSI值，分析了CC1101的傳輸距離對環境的要求，為無線傳感網絡中RF收發芯片的測距、定位和數據傳輸應用提供參考。

關鍵詞：損耗；RSSI；傳輸距離

引用格式：陳向飛，王鴻建. 基于RSSI的無線測距與定位信號分析[J].微型機與應用，2016,35(12)：76-77，80.

0引言

隨著無線傳感網絡的應用，特別是無線聯網監控產品的應用，以低成本、低能耗、低復雜性、高靈敏度為顯著優點的短距離無線通信技術，滿足了用戶對當前無線通信產品的強烈追求，尤其是能實現信息共享和多業務數據傳輸的便攜式產品[1]。

應用了短距離無線通信技術的RF收發芯片CC1101，提供RSSI值，通過實驗測量數據來估計其傳輸距離范圍，并且分析RSSI值與環境之間的關系，為RF收發芯片在無線聯網監控產品的無線測距、定位信號和數據傳輸應用提供參考[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為發射功率，Gr為接收天線增益，Gt為發射天線增益，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，傳播因子可以根據環境選擇取值，根據理論結合經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。

采用此技術的無線網絡定位系統包括參考節點和移動節點，最基本的二維定位系統由1個定位節點和3個參考節點組成，如圖1所示，A、B、C為參考節點，其位置確定；D為定位節點，可在參考節點覆蓋的范圍內任意移動，根據D信號到A、B、C所測得的RSSI值計算出D到A、B、C的距離，再經過三邊測量法可得定位節點的坐標。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：

(4)

圖1　基本定位分布

圖2　信號強度示意圖

由上面的聯立方程式中解出的U即為移動節點的定位坐標。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導致3個距離d不能擬合出唯一點坐標，即出現了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，一般來說應該為三角形的重心，但是由于測量距離遠近、信號強弱等原因，這個重心有所偏移，因此要根據各信號給3點加權處理，即重心要偏向信號靈敏度弱的一邊。或者在誤差范圍內給各信號距離d加權讓3個圓交于一點。

也可采用更多的參考節點可以提高定位的精度。相對其他定位技術而言，無線傳感器網絡定位技術分辨率可達到0.25 m，定位精度為3～5 m，在這兩項關鍵指數上面表現優異。

3實驗

3.1實驗過程

實驗設備分為接收器、發射器和顯示器。接收器和發射器均是通過單片機控制RF收發芯片CC1101收發數據，接收器還與顯示器通過通信方式連接。每當發射器發送一次數據，接收器接收到數據之后，通過處理取得RSSI、LQI值，并發送給顯示器顯示。若接收不到則發送數據為零。發射器每隔一定時間發送一次數據。

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。發射器為移動便攜式設備，離地面2.5 m，通過移動發射器，保持發射器和接收器正對，讓其與接收器的距離每隔5 m或者10 m測量一次，每次記錄多組數據。整個測量過程在晴天的環境下進行，并分為白天和晚上測量，測量傳輸距離到400 m。

3.2實驗數據

表1為所測的RSSI(dbm)值，X為傳輸距離；RSSI為每個點測得數據去掉兩個最大值和最小值，求平均所得；RSSIMin為最小的5個數據求平均；RSSIMax為最大的5個數據求平均。圖3為實驗記錄數據所繪制的曲線圖。

表1　實驗測量數據

3.3實驗分析

發射器的發射功率Pt由CC1101的初始設置決定，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，發射器天線采用17 cm的天線，經過粗略計算Gr+Gt-Lc的值取11 dBm；設置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。

圖3　RSSI曲線

3.4實驗結論

由實驗的數據分析，所測數據RSSI平均值曲線基本上符合了式(5)的關系，但是隨著發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，并且根據記錄數據來看其可靠性也越來越差。其原因與環境影響有關，如空氣濕度、障礙物等。

實驗過程中發現，由于發射器的晃動，會導致接收設備接收信號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，分析了白天

與晚上的數據，一般白天晴天環境下衰減因子取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，會導致接收信號變差，如果在沒有障礙物的情況下，400 m以內的信號均可信，但超過400 m，數據會有隨機性丟失，如果在有障礙物的環境下，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據。因此在使用過程中要選擇合適的環境，或者考慮是否加中繼來避開障礙物和延長距離。

4結論

在本實驗中，主要通過TI公司的RF收發芯片CC1101所提供的RSSI值，對其傳輸距離做了實驗測量，分析了影響它傳輸的主要因素，給出了一些重要的數據，為CC1101的使用提供一種環境距離參考，并總結了傳輸距離與RSSI值的關系。

參考文獻

[1] 何錫標,陳淑榮.一種基于無線定位技術的LBS應用[J].微型機與應用,2014,33(9):7-10.

[2] 李翔,李璨,仝飛，等.基于STM32與CC1100的采煤機無線遙控系統的研究[J].微型機與應用,2015,34(6):95-98.

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

中圖分類號：TN925+.92

文獻標識碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.024

(收稿日期：2016-02-23)

作者簡介：

陳向飛(1987-)，通信作者，男，碩士，主要研究方向：自動化儀器儀表。E-mail：286783422@qq.com。

王鴻建(1984-)，男，碩士，主要研究方向：傳感器技術。

Wireless distance measurement and positioning signal analysis based on RSSI

Chen Xiangfei,Wang Hongjian

(Tiandi (Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213000, China)

Abstract:Through the wireless RF signal transmission model,combing with the practical application, this paper gave an analysis of the relationship between RSSI and the communication distance,which provided the basis for the distance measuring and positioning of the wireless signal.Using a low cost and low energy consumption RF transceiver chip CC1101 ,the paper designed a wireless transmission circuit, obtained a large amount of RSSI data, gave an analysis about the environment demands for the CC1101 transmission distance, and provided a reference for the RF transceiver chip application in distance measurement, positioning and the data transmission in wireless sensor networks.

Key words:loss；RSSI；communication distance