基于CC2530的RSSI测距技术的研究

安徽工程大学机电学院信息工程系 龙海燕 张天飞 郭 慧 梁美玉 丁 娇



基于CC2530的RSSI测距技术的研究

安徽工程大学机电学院信息工程系 龙海燕 张天飞 郭 慧 梁美玉 丁 娇

【摘要】基于RSSI测距技术，因其成本低和低复杂度，被广泛应用于无线传感器网络基于距离的定位技术中。本文采用TI射频芯片CC2530设计节点，软硬件结合实现网络通信功能，编写软件通过不同等级的功率、不同距离的测量实现了RSSI值的提取。实验结果表明，在不同测量距离内，传输损耗值是不同的，测量距离越小，损耗值越低，反之越高。通过测量值拟合得出的距离与信号强度的关系图，证明了基于CC2530的RSSI测距技术是有效的,适合短距离的一种距离测量技术。

【关键词】无线传感器网络；CC2530；节点定位；RSSI测距

0 引言

无线传感器网络因其自组织性、分布式、低功耗和低成本等特性，从信息采集到机械控制，随处可见无线传感器网络的应用，而距离位置的测量是无线传感器网络应用的一个重要研究方向。利用无线信号的强弱与距离的关系来定位，以达到监测和控制的目的，可满足城市公交车定位定距需求，方便乘客预知公交车辆的位置，便于选择出行方式。

本文利用CC2530组建了无线传感器网络，研究了RSSI的影响的因素，对数据进行测量、处理，以寻找RSSI与距离之间的关系，通过实验验证了利用RSSI信息来定位待测公交车的位置信息的有效性和可行性。

1 传感器节点设计

传感器节点的设计，考虑到便于功能的调试，分成两个部分进行设计，包括无线传输模块和测试底板。节点的核心部件是一个CC2530芯片，由于芯片高度集成，射频收发和MCU控制于一体，因此它的外围电路简单，只要加上天线、晶振等少量元件就能实现数据的传输与处理。传感器节点的通信距离在视野好的开阔环境可达200m以上[1]。

无线传输模块主要实现以下几个方面的功能：数据的采集；数据的收发；与PC机进行通信，硬件电路原理图如图1所示。其中，天线是无线传感器网络在通讯中不可或缺的一部分，在发送过程中，它主要将CC2530芯片输出的电信号转化为无线电磁波的形式传送出去，在接收过程中，天线又将一定频率的电磁波变换成电信号。本设计采用巴伦匹配和外置高增益SMA天线，它的接收灵敏度高，发送距离远；晶振部分采用32.768KHz时钟晶振以及32MHz无源晶振；同时还引出CC2530芯片的所有IO口，便于功能的测试及二次开发。

测试底板主要由无线传输模块接口，串口液晶显示接口，DC 5V电源接口， RS232接口，DEBUG 接口，五向按键，指示灯，红外遥控信号接收/发射和连接端子（可连接各种传感器）等模块组成。所有的外设均通过SPI总线/UART /DEBUG等接口与无线传输模块相连，并完全受无线传输模块控制和访问。

2 RSSI测距分析

2.1 RSSI测距原理

无线信号传输过程中通常采用理论模型中的对数常态分布模型[2]，由公式（1）给出模型的表达式：

P(d)是无线信号经过d距离后的路径损耗，d是接收节点与发射节点之间的距离；P(d0)是参考距离为d0的路径损耗，通常d0取1m；n是衰减因子，与周围的环境因素相关；Xσ标准偏差为σ的零均值的高斯随机变量，文献[3]中提到，通过实验证明，Xσ对距离的计算结果影响不大，因此本文去除Xσ，用简化后的信号传输模型来估计距离。

接收节点接收到的信号强度，由式（2）给出：

图1 无线传输模块

Ps为发射节点的发射功率(dBm)，Pr为接收到的信号强度(dBm)。

故参考距离为1m时接收到的信号强度A由式（3）给出：

把式（3）代入式（1），可以得到简化后的信号传输模型，其中参考距离d0，取1m，Xσ的均值等于0。

公式（4）结合公式（2），得到接收节点的信号强度由公式（5）给出：

通过式（5）就得到了接收节点的信号强度指示的RSSI值与节点间距离d之间的关系表达式。我们可以看到距离d的值与参数A、n和RSSI值密切相关，这三个参数与无线传输模块的周围环境相关，且n是时变的。因此，通过测试接收节点的接收到RSSI值以及A、n值，从而来获得接收节点与发射节点之间的距离d的值。

图2 节点放置方式

图3 1m处站台节点接收到的三个方向上的RSSI值

2.2 参数的确定

2.2.1 A值的标定

本文研究的RSSI测距技术主要应用于城市公交车辆的定位。A值的标定时，首先将用于接收数据的站台节点P固定好，发射数据的公交车辆节点在距其1m位置在发射功率分别为0dBm，4dBm条件下连续发射功率信号。为了避免天线方向性产生的辐射偏差对A值的影响，根据公交车辆的实际行驶路线的特点，采用图2的节点放置方式来进行实验，作为该距离内的接收信号的实测值，其中P0、P1、P2是发射数据的公交车辆节点。

从图3可以分析得，公交车辆节点P1方向上的RSSI值与P0、P2上的不一致，可见环境对A值的标定是有影响的。数据处理上，利用Matlab软件的mean函数对发射功率分别为0dBm，4dBm 时的RSSI值求平均值来标定A的值，结果对应是-32.0467、-28.9600。因此，标定A为-32.0467、-28.9600。

2.2.2 n值的标定

标定n的值可以通过拟合RSSI与距离d之间的关系式得到。在0~100m的范围内进行实验，公交车辆节点距站台节点每增加10m重复上述测量过程，站台节点在接收到数据包后提取RSSI值并通过液晶显示屏显示，最后测试数据按照y=aln(x)+b进行拟合，RSSI-d的关系曲线如图4所示，其中图中的离散点为实验测量所得的RSSI的值，两条曲线分别为发射功率为0dBm，4dBm条件下所得衰减模型：

公式（6）可以转化为公式（7）：

图4 实验数据处理结果

由图4可以看到，RSSI均值与距离之间存在一定的关系式，拟合曲线与实验数据有很好的一致性。由次也能看出，同一发射功率，随着距离的增加，接收到的功率变小；在相同距离时，发射功率越大，衰减越小，传输的距离就越远；发射功率为0dBm，在距离节点200m时，接收到的RSSI值基本保持不变；发射功率为4dBm，在距离节点300m时，接收到的RSSI值基本保持不变，再远处基本上不能完成通信，可见网络节点的发射功率越大，节点的通信距离越远。

从公式（7）可以看到发射功率分别为0dBm，4dBm的情况下，可得A的值分别为-31.0968，-28.9999，衰减因子n的值为2.1、2.0，这与实验所标定的A的值-32.0467、-28.9600相差很小，可以近似认为很好的模拟出实验环境的信道传输模型。有了A和n，站台节点根据接收到信号的强度RSSI 就可以利用式（5）估算出与公交车辆节点的距离d，从而实现定位待测公交车的位置信息。

3 实验验证

通过对RSSI值进行数值分析，结合公交车辆实际行驶环境对理论模型进行修正，得到符合环境及系统的RSSI值与距离之间的对应关系，更直观地观察规律。在对所拟合的信道模型进行实验验证，公交车辆节点选择发射功率为4dBm，根据公式（7），可得发射功率在4dBm时距离d的计算公式为：

测试条件：站台节点位置固定，公交车辆节点以20m步长移动，定时向站台节点发送数据信息，测试50次取平均值作为实测的RSSI值，同时通过串口发送到笔记本电脑，利用Matlab软件进行数据分析计算，如表1所示。

表1 测距实验结果

根据测试数据，在传感器节点的通讯范围内，通过拟合所得到的信道模型的测距距离最大误差是4.55m，误差2.3%。城市公交车的定位精度要求不高，一般在30m时，可以判断公交车即将到达公交站台，在5m内可以判断公交车已经到达站台[4]。因此，本文的测距方法能够满足城市公交车的定位需要。

4 结论

通过实验验证，分析得出在不同测量距离，传输损耗值是不同的，测量距离越小，损耗值越低，反之越高。在保证信号不失真的前提下，实验证明在增加输出信号的功率，信号传输的距离增大。可见，只要提高无线传感器的节点的发射功率，就可实现远距离传输，可以满足于城市公交车定位系统对无线传输距离的需要。

经实地测量，在不加功率增益的情况下，基于CC2530设计的节点有效传输距离最大为300米。因此，进一步研究中应当对节点增加射频电路，来提高定位的距离。与此同时，本文在记录RSSI的值时，我们采用均值模型进行处理，虽然均值模型的方法简单，应用很广，但对于RSSI值受环境因素波动很大，会影响参数的标定。采用高斯滤波法对RSSI值进行处理，可避免小概率、大干扰的错误数据对测距距离的影响[5]，这也是值得进一步研究改进的地方。总体来说，本文的RSSI测距技术在CC2530设计节点构建的无线传感器网络上应用，相较于经验模型在定位精度上有所提高，但是还是精度还是不够，有待继续改进。

参考文献

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

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

[3]冯爱丽,乔钢柱,曾建潮.基于信标节点间距离的改进RSSI定位算法[J].太原科技大学学报,2012, (1):6-10

[4]邱灵枝.ZigBee技术在智能公交通信网络中的应用[D].湖南大学,2009

[5]张橙,宋学瑞.基ZigBee的RSSI测距方法精度研究[J].湖南工业大学学报,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