基于RSSI的无线测距与定位信号分析

陈向飞，王鸿建

(天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213000)



基于RSSI的无线测距与定位信号分析

陈向飞，王鸿建

(天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213000)

摘要：基于无线射频(Radio Frequency,RF)信号传输模型，结合实际应用，分析了接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)与通信距离的关系，为无线信号的测距与定位提供了基本依据。使用低成本、低能耗的RF收发芯片CC1101，设计无线传输电路，测得了大量的RSSI值，分析了CC1101的传输距离对环境的要求，为无线传感网络中RF收发芯片的测距、定位和数据传输应用提供参考。

关键词：损耗；RSSI；传输距离

引用格式：陈向飞，王鸿建. 基于RSSI的无线测距与定位信号分析[J].微型机与应用，2016,35(12)：76-77，80.

0引言

随着无线传感网络的应用，特别是无线联网监控产品的应用，以低成本、低能耗、低复杂性、高灵敏度为显著优点的短距离无线通信技术，满足了用户对当前无线通信产品的强烈追求，尤其是能实现信息共享和多业务数据传输的便携式产品[1]。

应用了短距离无线通信技术的RF收发芯片CC1101，提供RSSI值，通过实验测量数据来估计其传输距离范围，并且分析RSSI值与环境之间的关系，为RF收发芯片在无线联网监控产品的无线测距、定位信号和数据传输应用提供参考[2]。

1信号传输特性

1.1RSSI

接收信号的强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)是真实的接收信号强度与最优接收功率等级间的差值，可在芯片CC1101的特殊寄存器中读取，但需将其进行转换[3]。

1.2无线电传播损耗模型

无线电在自由空间的传输损耗可由式(1)给出。

Lbf=32.44+10nlgf+10nlgd

(1)

其中，Lbf为自由空间损耗(dB)；f为无线电传播中心频率(MHz)；d为无线电传输距离(km)，n为路径衰减因子，一般取2～5。

RSSI(dbm)值的计算方式如式(2)：

RSSI=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf

(2)

其中，Pt为发射功率，Gr为接收天线增益，Gt为发射天线增益，Lc为电缆和缆头的损耗，Lbf为自由空间损耗。

在相同的Pt、Gr、Gt、Lc、f条件下由式(1)和式(2)可得式(3)：

RSSI=A-10nlgd

(3)

其中，A代表距离为1 m时接收信号的强度。

2RSSI的测距与定位原理

由于在测量过程中Pt、Gr、Gt、Lc、f一定，传播因子可以根据环境选择取值，根据理论结合经验的传播损耗模型与接收器测得的RSSI值，由(3)式计算，就可以估算两点间距离。

采用此技术的无线网络定位系统包括参考节点和移动节点，最基本的二维定位系统由1个定位节点和3个参考节点组成，如图1所示，A、B、C为参考节点，其位置确定；D为定位节点，可在参考节点覆盖的范围内任意移动，根据D信号到A、B、C所测得的RSSI值计算出D到A、B、C的距离，再经过三边测量法可得定位节点的坐标。三边测量法为：给定一组参考点Xi、Yi和一组测量距离di，通过式(4)线性方程组来解出未知的Ux、Uy：

(4)

图1　基本定位分布

图2　信号强度示意图

由上面的联立方程式中解出的U即为移动节点的定位坐标。这个方法在理论上能确定唯一的点，如图1所示的D点，但是在实际测量过程中，由于测量误差等原因导致3个距离d不能拟合出唯一点坐标，即出现了d1、d2、d3为半径的A、B、C 3个圆有D、E、F 3个交点，如图2所示。那么实际的定位点就在由D、E、F 3点围成的三角形内，一般来说应该为三角形的重心，但是由于测量距离远近、信号强弱等原因，这个重心有所偏移，因此要根据各信号给3点加权处理，即重心要偏向信号灵敏度弱的一边。或者在误差范围内给各信号距离d加权让3个圆交于一点。

也可采用更多的参考节点可以提高定位的精度。相对其他定位技术而言，无线传感器网络定位技术分辨率可达到0.25 m，定位精度为3～5 m，在这两项关键指数上面表现优异。

3实验

3.1实验过程

实验设备分为接收器、发射器和显示器。接收器和发射器均是通过单片机控制RF收发芯片CC1101收发数据，接收器还与显示器通过通信方式连接。每当发射器发送一次数据，接收器接收到数据之后，通过处理取得RSSI、LQI值，并发送给显示器显示。若接收不到则发送数据为零。发射器每隔一定时间发送一次数据。

实验是在空旷的道路上进行的，接收器固定在距地面20 m高的窗户上，它与墙体的距离为1 m。发射器为移动便携式设备，离地面2.5 m，通过移动发射器，保持发射器和接收器正对，让其与接收器的距离每隔5 m或者10 m测量一次，每次记录多组数据。整个测量过程在晴天的环境下进行，并分为白天和晚上测量，测量传输距离到400 m。

3.2实验数据

表1为所测的RSSI(dbm)值，X为传输距离；RSSI为每个点测得数据去掉两个最大值和最小值，求平均所得；RSSIMin为最小的5个数据求平均；RSSIMax为最大的5个数据求平均。图3为实验记录数据所绘制的曲线图。

表1　实验测量数据

3.3实验分析

发射器的发射功率Pt由CC1101的初始设置决定，本实验中Pt选择为10 dBm；天线增益也是影响本实验的一项重要因素，但在本实验中接收器天线采用34 cm的天线，发射器天线采用17 cm的天线，经过粗略计算Gr+Gt-Lc的值取11 dBm；设置CC1101的电磁波中心频率为433 MHz。因此由式(2)、式(3)可得RSSI值的实际值，如式(5)：RSSI= -11.44-10nlg433d

(5)

其中，路径衰减因子n由于多径、绕射、太阳光照、湿度、温度等因素其取值也不相同，一般取值范围为2～5，在本实验中n取3.3。

图3　RSSI曲线

3.4实验结论

由实验的数据分析，所测数据RSSI平均值曲线基本上符合了式(5)的关系，但是随着发射器到接收器距离越来越远，RSSI最小值与最大值曲线反映其离散性越来越大，并且根据记录数据来看其可靠性也越来越差。其原因与环境影响有关，如空气湿度、障碍物等。

实验过程中发现，由于发射器的晃动，会导致接收设备接收信号RSSI离散性变大。此外，在白天和晚上同一点上的RSSI值会不一样，这与太阳光照有关，分析了白天

与晚上的数据，一般白天晴天环境下衰减因子取3.3适宜，晚上衰减因子取3比较合适。在有障碍物的情况下，会导致接收信号变差，如果在没有障碍物的情况下，400 m以内的信号均可信，但超过400 m，数据会有随机性丢失，如果在有障碍物的环境下，如树木的遮挡，信号在250 m以外就会有所丢失；如有建筑物的遮挡，即使在较近的距离，接收器也可能收不到数据。因此在使用过程中要选择合适的环境，或者考虑是否加中继来避开障碍物和延长距离。

4结论

在本实验中，主要通过TI公司的RF收发芯片CC1101所提供的RSSI值，对其传输距离做了实验测量，分析了影响它传输的主要因素，给出了一些重要的数据，为CC1101的使用提供一种环境距离参考，并总结了传输距离与RSSI值的关系。

参考文献

[1] 何锡标,陈淑荣.一种基于无线定位技术的LBS应用[J].微型机与应用,2014,33(9):7-10.

[2] 李翔,李璨,仝飞，等.基于STM32与CC1100的采煤机无线遥控系统的研究[J].微型机与应用,2015,34(6):95-98.

[3] 方震，赵湛，郭鹏，等.基于RSSI测距分析[J].传感技术学报，2007，20(11)：2526-2530.

中图分类号：TN925+.92

文献标识码：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.12.024

(收稿日期：2016-02-23)

作者简介：

陈向飞(1987-)，通信作者，男，硕士，主要研究方向：自动化仪器仪表。E-mail：286783422@qq.com。

王鸿建(1984-)，男，硕士，主要研究方向：传感器技术。

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