基于RSSI的汽车免钥匙系统定位技术研究

程和生，程和侠

（1.合肥师范学院计算机学院，安徽合肥 230601；2.安庆师范大学计算机与信息学院，安徽安庆 246133）

汽车无钥匙进入系统（PKE）是高档汽车的标准配置[1]，现有技术由欧、美、日等国垄断。国产汽车厂商攻坚技术遇到障碍的核心是电子钥匙车内定位技术[2]。已有的传感器定位技术可分为以下两大类：（1）集中式与分布式定位算法。集中式定位算法将所有节点信息传送到某个中心节点进行定位计算并确定，特点是全局统筹，定位相对准确，但运算量大且难做到实时响应。分布式定位算法成本高。（2）基于测距的定位算法和非测距的定位算法。测距方式定位对硬件要求较高，成本高，精度相对也较高。非测距方式对硬件要求较低，精度相对也低。实际应用中主流测距技术有基于RSSI（Received Signal Strength Indication）信号强弱定位和基于UWB（Ultra Wideband）的定位。基于UWB的算法，对硬件要求较高，传感器节点数目越多越精确，算法复杂度偏高，相比之下，基于RSSI测距方法具有较低复杂度和成本。

现有的PKE 方案众多。NXP 公司的PKE 系统，特高频UHF（Ultra High Frequency）使用发射芯片PCF7900，支持频段有315 MHz、434 MHz、868 MHz 和915 MHz；低频LF（Low Frequency）采用芯片PCF7991，发射125 kHz信号。该方案特点是量化LF信号强弱，准确获取RSSI，使用3个字节数值表示，适合车内狭小空间定位。μPD78F0503 和μPD78F0881 是NEC 公司方案芯片，UHF 频段选择433.92 MHz，LF频段选择19 kHz。该方案在提高电子钥匙电池使用寿命的同时减少了能耗，引入低频唤醒芯片AS3931，支持宽工作频率（19～150）kHz、唤醒灵敏度高、抗干扰能力强。Microchip 公司推出基于PIC16F639 作为UHF 信号发射433.92 MHz，LF 选择125 kHz，提供方案详细，但是未涉及定位功能。TI公司基于低功耗的RF430F51 系列PKE，集成CC1101 芯片，支持频段315 MHz、434 MHz、868 MHz 和915 MHz；LF信号使用125 kHz，其特点是能耗低、抗干扰性强，但是定位精度低[3]。

免钥匙系统定位技术是汽车免钥匙进入系统研究热点。上海大众汽车有限公司提出4个低频天线的无钥匙进入系统区域定位方法[3]，但实现成本高，信号强弱易受到低频天线影响。何晓晓等人通过天线信号强弱判断钥匙的相对距离，引入三维天线消除钥匙相对基站姿态影响[4]。范卫平等在文献[4]的研究基础上，对三维天线接收信号的强弱进一步优化，提高了定位精度[5]，但未考虑车门对低频信号的影响。

综上所述，结合电子钥匙定位特点，采用基于RSSI的测量定位方法，考虑相关频段与现有商用频段冲突以及抗干扰性，从低频天线入手，设计高精度LF天线，研究LF信号（125 kHz）的传输特性和车门对信号的影响。根据车内空间狭小、干扰性强和能耗等因素，决定使用NXP 芯片设计和测试PKE 系统。本定位方法采用单个LF天线定位的区域定位方法消除LF定位精度不足，满足定位要求且成本低。

1 PKE工作原理

PKE技术是从RKE（Remote Keyless Entry）发展而来，在RKE技术上添加免钥匙进入功能。免钥匙进入功能是PKE技术的核心。

PKE系统由主机、电子钥匙、低频唤醒天线组成。主机包括125 kHz发射模块和315 MHz的接收模块，而电子钥匙包含LF接收模块和UHF发射模块以及LF天线。这两部分之间采取双向通信，如图1所示。主机在感应用户靠近车门时，LF天线发送唤醒信号，唤醒1.5 m左右处的电子钥匙，附近的LF天线都能接收到此信号，通过识别并决定是否激活电子钥匙。当电子钥匙验证通过校验，便发送UHF的射频指令编码报文，车载单元收到指令，如果识别成功，将开启车门。

图1 PKE工作流程

为了提高系统安全性，将PKE 系统与汽车启动系统关联。当启动车辆时，检测电子钥匙是否在车内，若有效检测电子钥匙，PKE发送UHF指令开启发动机，否则，无法开启发动机。因此，定位技术成为PKE系统核心功能之一。

2 定位模型建立

定位方法依据磁场强度的绝对测量值，该磁场只能由汽车内天线产生。基于如下两个途径提高定位判断：通过调节车内LF天线结构和布局，提高LF天线信号强度RSSI及传输距离；增强车门内外RSSI的数值落差。

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（1）定量设计天线

LF发射距离长度直接关系到定位范围和精度。LF发射距离关键部件是LF天线，使用LC振荡电路实现。参考众多研究文献，PKE的LF信号发射距离在（1～3）m范围内，磁场强度逐渐衰减。根据Biota-Savart定律，该处磁场强度公式为

其中，I为流过LF天线电流，N是LF天线的匝数，r为LF天线半径，D表示与LF天线的距离。天线半径r太小，绕的匝数特别多并占用空间；r不能太大，因为电子钥匙很小，长宽约（3～4）cm。由式（1）可知，磁场强度与近似距离呈D-3衰减。

LC振荡谐振发射模式，易受到电感L和电容C等参数影响，调节参数和天线布局是做好定位系统的重要工作。串联LC谐振振荡电路如图2所示。串联LC振荡电路的谐振频率由计算获得[4]，计算公式为

图2 串联LC振荡电路

当L=120 μH，C=13nF 时，f0=125kHz。

由于125 kHz频率较低，要求天线较长，使用LC振荡电路替换，电感L使用空心线圈绕制而成，当频率低于1 MHz，此时空心电感参数可根据下式确定：

其中，L为线圈电感值，单位μH；N为线圈的圈数；r1为内线圈半径，单位m；r2为外线圈半径，单位m；l为线圈长度，单位m。式（1）中r与式（2）中r1、r2之间的关系为。

由式（1）和式（2）可知，设计合适的天线，重点参数是空心电感线圈的半径r，选取合适的r是定位的关键。r取不同的数值，天线辐射强度曲线有明显的变化。当单线圈（即N=1），线圈电流I=1A时，绘制出其辐射强度特性曲线，如图3所示。

图3 单线圈辐射强度与线圈半径r关系

当半径r=5cm时，在近处辐射强度较弱；当半径r=2 cm时，在远处衰减迅速。本文选取r=3 cm，兼顾信号的强弱和通信距离，同时符合电子钥匙尺寸。

RSSI定位算法复杂低、占用资源少、但定位不够精确，信号随传输距离呈指数衰减。功率和距离之间的关系符合Friis在自由空间的模型[6]：

其中，Pr(d)表示RSSI 值，d0=1 m 作为参考量，Xσ表示正态分布随机变量。Xσ的均值为0、标准差为σ（4～10），表示信号不稳定度。设A=Pr(1)，则式（3）化简为

由式（4）得关于距离d的表达式为

在理想情况下，通过式（5）计算所得距离精度约20 cm，不能满足定位精度要求。一般家用汽车内空间宽度约1.5 m 左右、长度约2 m 左右，在此封闭的环境下，汽车外壳具有一定的屏蔽外部信号干扰作用，当LF发射器固定安装后，125 kHz信号衰减过程在车内是固定的。此时，电子钥匙在车内具体定位问题转换为电子钥匙在车门边界临界处信号强弱的测量，即测量车内和车外接收到LF信号的强弱（RSSI值）。车载LF发射点分布如图4所示，在封闭的环境中，车载天线安装位置有：中央扶手天线AI，驾驶侧门把手安装天线Ao1，副驾驶门侧天线Ao2，后备箱天线Ao3。其中，仅天线AI用于电子钥匙车内定位，前车门两个LF天线不参与定位。

图4 电子钥匙的方位检测

125 kHz的LF发射器发送的信号是球状表面波，Ao1发射信号达到车门临界的内壁是非等势面，测量获取的RSSI 值是变化的，取其最小值为min(HI)、最大值为max(Ho)。此时，HI与Ho之间存在一个距离ΔH，ΔH引起信号强度下降Y(ΔH)，满足以下关系式：

ΔH太大会误判电子钥匙位置，ΔH太小会对定位精度要求高。参考式（6），经过测试和分析，找到合适的ΔH，可有效提高定位的准确性。

3 测试分析及参数优化

系统在江淮和悦汽车上进行测试，该车尺寸：长度4 590 mm，宽度1 765 mm，高度1 465 mm，内部宽度约1 400 mm，车门厚度约300 mm。

测量天线AI对车门临界点RSSI值的测量主要分驾驶室车门内边界和外边界的测量，所有天线的测量高度为1 m。

测试使用的LF 接收器是Atmel 公司的ATA5790 芯片，其内部集成RSSI 接收器和对应AD 模块，接收结果存放1个字节存储器。测试场景分为车内车门开启和车内车门关闭。

（1）车门开启模式

打开车门，测量LF信号衰减情况，如图5所示。图的纵坐标为ATA5790直接采集数据，占1个字节，表示范围为0～255。

观察图5，RSSI信号在（0～80）cm急剧衰减，信号在（80～150）cm变化缓慢，信号在（150～250）cm变化几乎为0。根据车辆内部宽度，（70～90）cm车门临界附近是判断电子钥匙是否在车内的重要区域，但是测试数据在80 cm左右，RSSI值急剧衰减，在（80～150）cm变化不明显。此时，容易受到外界信号干扰，无法定位。

本文依据式（5），对图5纵坐标取对数，获得变换后的距离d与RSSI值关系曲线，如图6所示。

图5 AD值与距离关系

图6 LOG AD值与距离关系

（2）车门关闭模式

关闭车门，在完全封闭环境下，测量RSSI 的临界值，如图7所示。

由图7 可知，在70 cm 附近RSSI 值突然下降，此处正是车门位置，车门和窗户对LF信号具有较强的削弱，对判断电子钥匙位置有益。RSSI 值在70 cm 处约为135，80 cm 处约为90，相差约45，提高了系统的稳健性且减少了误判。综合考虑外界干扰，判断电子钥匙的临界阈值为130。

图7 车门关闭状态下AD值与距离关系

4 结论

本文阐述了PKE的工作原理，重点介绍了电子钥匙定位技术，此技术的难点在于定量分析RSSI 信号强弱与距离的关系。通过定制125 kHz的LC天线，设计合适的空心线圈电感的半径r，产生按照距离d-3衰减的RSSI信号；RSSI信号在大于80 cm处基本无变化，引入log变换处理RSSI信号强弱，提高识别率。最后，利用车门和车窗对RSSI 信号具有较强的屏蔽作用，增强车内RSSI 信号强度，进一步削弱了车外信号，从而提高了识别电子钥匙在车内的准确率。通过实验，最终确定了RSSI在车门临界阈值为130。