安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院信息工程系 龍海燕 張?zhí)祜w 郭 慧 梁美玉 丁 嬌

?

基于CC2530的RSSI測(cè)距技術(shù)的研究

安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院信息工程系 龍海燕 張?zhí)祜w 郭 慧 梁美玉 丁 嬌

【摘要】基于RSSI測(cè)距技術(shù)，因其成本低和低復(fù)雜度，被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于距離的定位技術(shù)中。本文采用TI射頻芯片CC2530設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，編寫軟件通過不同等級(jí)的功率、不同距離的測(cè)量實(shí)現(xiàn)了RSSI值的提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同測(cè)量距離內(nèi)，傳輸損耗值是不同的，測(cè)量距離越小，損耗值越低，反之越高。通過測(cè)量值擬合得出的距離與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系圖，證明了基于CC2530的RSSI測(cè)距技術(shù)是有效的,適合短距離的一種距離測(cè)量技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；CC2530；節(jié)點(diǎn)定位；RSSI測(cè)距

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jī)械控制，隨處可見無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，而距離位置的測(cè)量是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個(gè)重要研究方向。利用無線信號(hào)的強(qiáng)弱與距離的關(guān)系來定位，以達(dá)到監(jiān)測(cè)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(yù)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(wǎng)絡(luò)，研究了RSSI的影響的因素，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、處理，以尋找RSSI與距離之間的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用RSSI信息來定位待測(cè)公交車的位置信息的有效性和可行性。

1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，考慮到便于功能的調(diào)試，分成兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括無線傳輸模塊和測(cè)試底板。節(jié)點(diǎn)的核心部件是一個(gè)CC2530芯片，由于芯片高度集成，射頻收發(fā)和MCU控制于一體，因此它的外圍電路簡(jiǎn)單，只要加上天線、晶振等少量元件就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與處理。傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離在視野好的開闊環(huán)境可達(dá)200m以上[1]。

無線傳輸模塊主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能：數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)的收發(fā)；與PC機(jī)進(jìn)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(wǎng)絡(luò)在通訊中不可或缺的一部分，在發(fā)送過程中，它主要將CC2530芯片輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)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(hào)。本設(shè)計(jì)采用巴倫匹配和外置高增益SMA天線，它的接收靈敏度高，發(fā)送距離遠(yuǎn)；晶振部分采用32.768KHz時(shí)鐘晶振以及32MHz無源晶振；同時(shí)還引出CC2530芯片的所有IO口，便于功能的測(cè)試及二次開發(fā)。

測(cè)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(hào)接收/發(fā)射和連接端子（可連接各種傳感器）等模塊組成。所有的外設(shè)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(cè)距分析

2.1 RSSI測(cè)距原理

無線信號(hào)傳輸過程中通常采用理論模型中的對(duì)數(shù)常態(tài)分布模型[2]，由公式（1）給出模型的表達(dá)式：

P(d)是無線信號(hào)經(jīng)過d距離后的路徑損耗，d是接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)射節(jié)點(diǎn)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(huán)境因素相關(guān)；Xσ標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ的零均值的高斯隨機(jī)變量，文獻(xiàn)[3]中提到，通過實(shí)驗(yàn)證明，Xσ對(duì)距離的計(jì)算結(jié)果影響不大，因此本文去除Xσ，用簡(jiǎn)化后的信號(hào)傳輸模型來估計(jì)距離。

接收節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，由式（2）給出：

圖1 無線傳輸模塊

Ps為發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率(dBm)，Pr為接收到的信號(hào)強(qiáng)度(dBm)。

故參考距離為1m時(shí)接收到的信號(hào)強(qiáng)度A由式（3）給出：

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

公式（4）結(jié)合公式（2），得到接收節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度由公式（5）給出：

通過式（5）就得到了接收節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度指示的RSSI值與節(jié)點(diǎn)間距離d之間的關(guān)系表達(dá)式。我們可以看到距離d的值與參數(shù)A、n和RSSI值密切相關(guān)，這三個(gè)參數(shù)與無線傳輸模塊的周圍環(huán)境相關(guān)，且n是時(shí)變的。因此，通過測(cè)試接收節(jié)點(diǎn)的接收到RSSI值以及A、n值，從而來獲得接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的距離d的值。

圖2 節(jié)點(diǎn)放置方式

圖3 1m處站臺(tái)節(jié)點(diǎn)接收到的三個(gè)方向上的RSSI值

2.2 參數(shù)的確定

2.2.1 A值的標(biāo)定

本文研究的RSSI測(cè)距技術(shù)主要應(yīng)用于城市公交車輛的定位。A值的標(biāo)定時(shí)，首先將用于接收數(shù)據(jù)的站臺(tái)節(jié)點(diǎn)P固定好，發(fā)射數(shù)據(jù)的公交車輛節(jié)點(diǎn)在距其1m位置在發(fā)射功率分別為0dBm，4dBm條件下連續(xù)發(fā)射功率信號(hào)。為了避免天線方向性產(chǎn)生的輻射偏差對(duì)A值的影響，根據(jù)公交車輛的實(shí)際行駛路線的特點(diǎn)，采用圖2的節(jié)點(diǎn)放置方式來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，作為該距離內(nèi)的接收信號(hào)的實(shí)測(cè)值，其中P0、P1、P2是發(fā)射數(shù)據(jù)的公交車輛節(jié)點(diǎn)。

從圖3可以分析得，公交車輛節(jié)點(diǎn)P1方向上的RSSI值與P0、P2上的不一致，可見環(huán)境對(duì)A值的標(biāo)定是有影響的。數(shù)據(jù)處理上，利用Matlab軟件的mean函數(shù)對(duì)發(fā)射功率分別為0dBm，4dBm 時(shí)的RSSI值求平均值來標(biāo)定A的值，結(jié)果對(duì)應(yīng)是-32.0467、-28.9600。因此，標(biāo)定A為-32.0467、-28.9600。

2.2.2 n值的標(biāo)定

標(biāo)定n的值可以通過擬合RSSI與距離d之間的關(guān)系式得到。在0~100m的范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，公交車輛節(jié)點(diǎn)距站臺(tái)節(jié)點(diǎn)每增加10m重復(fù)上述測(cè)量過程，站臺(tái)節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包后提取RSSI值并通過液晶顯示屏顯示，最后測(cè)試數(shù)據(jù)按照y=aln(x)+b進(jìn)行擬合，RSSI-d的關(guān)系曲線如圖4所示，其中圖中的離散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的RSSI的值，兩條曲線分別為發(fā)射功率為0dBm，4dBm條件下所得衰減模型：

公式（6）可以轉(zhuǎn)化為公式（7）：

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

由圖4可以看到，RSSI均值與距離之間存在一定的關(guān)系式，擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的一致性。由次也能看出，同一發(fā)射功率，隨著距離的增加，接收到的功率變?。辉谙嗤嚯x時(shí)，發(fā)射功率越大，衰減越小，傳輸?shù)木嚯x就越遠(yuǎn)；發(fā)射功率為0dBm，在距離節(jié)點(diǎn)200m時(shí)，接收到的RSSI值基本保持不變；發(fā)射功率為4dBm，在距離節(jié)點(diǎn)300m時(shí)，接收到的RSSI值基本保持不變，再遠(yuǎn)處基本上不能完成通信，可見網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率越大，節(jié)點(diǎn)的通信距離越遠(yuǎn)。

從公式（7）可以看到發(fā)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(shí)驗(yàn)所標(biāo)定的A的值-32.0467、-28.9600相差很小，可以近似認(rèn)為很好的模擬出實(shí)驗(yàn)環(huán)境的信道傳輸模型。有了A和n，站臺(tái)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度RSSI 就可以利用式（5）估算出與公交車輛節(jié)點(diǎn)的距離d，從而實(shí)現(xiàn)定位待測(cè)公交車的位置信息。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)RSSI值進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)合公交車輛實(shí)際行駛環(huán)境對(duì)理論模型進(jìn)行修正，得到符合環(huán)境及系統(tǒng)的RSSI值與距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，更直觀地觀察規(guī)律。在對(duì)所擬合的信道模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，公交車輛節(jié)點(diǎn)選擇發(fā)射功率為4dBm，根據(jù)公式（7），可得發(fā)射功率在4dBm時(shí)距離d的計(jì)算公式為：

測(cè)試條件：站臺(tái)節(jié)點(diǎn)位置固定，公交車輛節(jié)點(diǎn)以20m步長(zhǎng)移動(dòng)，定時(shí)向站臺(tái)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，測(cè)試50次取平均值作為實(shí)測(cè)的RSSI值，同時(shí)通過串口發(fā)送到筆記本電腦，利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算，如表1所示。

表1 測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，在傳感器節(jié)點(diǎn)的通訊范圍內(nèi)，通過擬合所得到的信道模型的測(cè)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(shí)，可以判斷公交車即將到達(dá)公交站臺(tái)，在5m內(nèi)可以判斷公交車已經(jīng)到達(dá)站臺(tái)[4]。因此，本文的測(cè)距方法能夠滿足城市公交車的定位需要。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析得出在不同測(cè)量距離，傳輸損耗值是不同的，測(cè)量距離越小，損耗值越低，反之越高。在保證信號(hào)不失真的前提下，實(shí)驗(yàn)證明在增加輸出信號(hào)的功率，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x增大?？梢姡灰岣邿o線傳感器的節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，可以滿足于城市公交車定位系統(tǒng)對(duì)無線傳輸距離的需要。

經(jīng)實(shí)地測(cè)量，在不加功率增益的情況下，基于CC2530設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)有效傳輸距離最大為300米。因此，進(jìn)一步研究中應(yīng)當(dāng)對(duì)節(jié)點(diǎn)增加射頻電路，來提高定位的距離。與此同時(shí)，本文在記錄RSSI的值時(shí)，我們采用均值模型進(jìn)行處理，雖然均值模型的方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用很廣，但對(duì)于RSSI值受環(huán)境因素波動(dòng)很大，會(huì)影響參數(shù)的標(biāo)定。采用高斯濾波法對(duì)RSSI值進(jìn)行處理，可避免小概率、大干擾的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)距距離的影響[5]，這也是值得進(jìn)一步研究改進(jìn)的地方。總體來說，本文的RSSI測(cè)距技術(shù)在CC2530設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用，相較于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诙ㄎ痪壬嫌兴岣撸沁€是精度還是不夠，有待繼續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[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(cè)距分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007, 20 (11):2526-2530

[3]馮愛麗,喬鋼柱,曾建潮.基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間距離的改進(jìn)RSSI定位算法[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012, (1):6-10

[4]邱靈枝.ZigBee技術(shù)在智能公交通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[D].湖南大學(xué),2009

[5]張橙,宋學(xué)瑞.基ZigBee的RSSI測(cè)距方法精度研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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