无线传感器网络报告——RSSI的测量及其与距离的关系

实验课程名称：      无线传感器网络    任课教师：              xxx          实验项目名称：RSSI的测量及其与距离的关系实验 组员： 姓名:___xxx____          学号:_xxxxx___ _  姓名:___xxx    ____      学号:_xxxxxxxx__ _ 姓名:__ xxx    ____      学号:_xxxxxxx___ _ 姓名:___xxx  ____      学号:_xxxxxxx___ _ 实验日期:_  2013年12月  _ RSSI的测量及其与距离的关系 实验日期：201x年xx月 [姓名] [学号] xxx xxxxxxxx xxx xxxxxxxx xxx xxxxxxxx xxx xxxxxxxx 1.实验目的 ● 研究发送功率、传输距离、接收信号强度、环境四者之间的定量关系。 ● 从实测数据中总结出无线信号随距离增加、环境变化而衰减的规律。 ● 为了做定位积累一些数据。 2.实验原理 关于RSS，可以先从自由空间传播模型(Free space propagation model)入手来分析，这里的自由空间模型是指无障碍物的远场情况，主要适用于卫星通信。 如下图，功率密度通量由下面等式给出： 为了达到准确测距的目的，我们希望减小随机小尺度衰减并提取出更加精确的大尺度衰减。RSSI的测距方式虽然不像TOA 和TDOA 测距那样需要同步（TOA与TDOA 两种算法都是以时间为量测基础的技术，需要精准的同步和时钟，其中TDOA是利用相对时间的信息来达成测距，TOA 是以绝对时间的量测来估计距离），但其受多重路径衰减变量（Attenuation variance）的影响，需要做多重的测量和平均的动作，对系统造成额外的负担。 相对于以时间为基础的测距技术，RSS则是属于以信号强度为量测基础的技术，它不需要精确的同步和参照时钟。然而RSS却易受多重路径衰减、遮蔽效应(Shadowing effect)影响估计的准确度。除了单一技术的应用，亦可朝向整合其它技术的方向发展，如结合TDOA与RSS等以提供较精准的测距。 对于课程使用的CC2420射频芯片，当监测到信道有数据时，将数据经过模/数转换后送入数字解调器中进行帧同步；如果同步就将数据填入接收缓冲区中，最后填充当前信道内的RSSI（Receive Signal Strength Indicator，接收信号强度指示器）信息。 同时CC2420提供一个读取RSSI值的命令，我们可以调用该命令来得到当前信道的信号强度值，作为拟合与计算的依据。但我们更倾向于使用前述CC2420在接收到数据包时，自动在数据包的倒数第二个字节里填充的当前接收数据包时RSSI值。 3.实验准备 3.1硬件器材清单与连接 硬件：PC机2台（烧制程序及为节点供电），串口电缆1根，RSSI节点2个 预先将PC机中关于RSSI实验的程序通过串口电缆烧制如RSSI节点。实验开始后，PC机仅作为RSSI节点的电源供电使用（由于RSSI节点上的电池供电模块不能正常工作）。 3.2实验思路 取两个节点，一个作为发送节点，一个作为接收节点，接收节点通过节点上的LCD模块输出ED值。 在楼道中央放置一个节点（距地0米），发送功率设置为4dBm。然后以此为中心，做一个25米×3米的长方形，以1米为步长，在正方形的每个格点上，分别记录高度0米、1米、2米处记录ED值。此步骤完毕后，将发送节点提高到1米处，重复实验，接收节点仍要在0米、1米、2米高度测量。第三次要将发送节点提高到2米处。然后将发送功率提高到比最大功率略小和降低到比最小功率略大，在此重复上述过程。 4实验步骤与结果记录及分析 4.1实验步骤 由于实验前节点的相关程序已烧制完成，故可以直接打开节点进行实验。由于时间及条件限制，实验并没有完全按照3.2实验思路中的内容进行，而是进行了一定的简化。 （1）在楼道中央放置一个节点（距地0米），发送功率设置为4dBm （2）以此为原点，做一个25米长的直线，以1米处为起点，1米为步长，在此直线上记录高度为0米的RSSI值。 （3）将发送节点提高到1米处，重复（2），接收节点的记录高度调整为1米。 （1）将发送节点提高到2米出，重复（2），接收节点的记录高度调整为2米。 （5）将发送结点与接收节点均靠墙重复（1）~（4）步骤 4.2结果记录 4.2.1在楼道中心线上测量 （1）发送和接收高度均为0米时的ED值 距离（m） 1 2 3 4 5 信号强度（dBm） -43 -56 -65 -60 -68 距离（m） 6 7 8 9 10 信号强度（dBm） -68 -65 -73 -72 -73 距离（m） 11 12 13 14 15 信号强度（dBm） -77 -71 -71 -70 -77 距离（m） 16 17 18 19 20 信号强度（dBm） -74 -79 -77 -77 -71 距离（m） 21 22 23 24 25 信号强度（dBm） -71 -70 -76 -77 -72 （2）发送和接收高度均为1米时的ED值。 距离（m） 1 2 3 4 5 信号强度（dBm） -35 -46 -44 -45 -44 距离（m） 6 7 8 9 10 信号强度（dBm） -44 -49 -51 -56 -55 距离（m） 11 12 13 14 15 信号强度（dBm） -51 -51 -52 -56 -59 距离（m） 16 17 18 19 20 信号强度（dBm） -61 -63 -65 -60 -59 距离（m） 21 22 23 24 25 信号强度（dBm） -50 -50 -47 -49 -44 （3）发送和接收高度均为2米时的ED值。 距离（m） 1 2 3 4 5 信号强度（dBm） -55 -55 -58 -61 -61 距离（m） 6 7 8 9 10 信号强度（dBm） -69 -59 -62 -65 -71 距离（m） 11 12 13 14 15 信号强度（dBm） -80 -81 -70 -80 -72 距离（m） 16 17 18 19 20 信号强度（dBm） -81 -72 -77 -70 -81 距离（m） 21 22 23 24 25 信号强度（dBm） -61 -58 -63 -72 -72 4.2.2在楼道靠墙一侧测量 （1）发送和接收高度均为0米时的ED值 距离（m） 1 2 3 4 5 信号强度（dBm） -49 -59 -68 -70 -77 距离（m） 6 7 8 9 10 信号强度（dBm） -82 -82 -83 -88 -90 距离（m） 11 12 13 14 15 信号强度（dBm） -91 -85 -86 -92 -88 距离（m） 16 17 18 19 20 信号强度（dBm） -89 -88 -95 -95 -93 距离（m） 21 22 23 24 25 信号强度（dBm） -93 -99 -100 -92 -90 （2）发送和接收高度均为1米时的ED值。 距离（m） 1 2 3 4 5 信号强度（dBm） -44 -49 -51 -57 -63 距离（m） 6 7 8 9 10 信号强度（dBm） -67 -66 -69 -71 -52 距离（m） 11 12 13 14 15 信号强度（dBm） -57 -59 -61 -72 -68 距离（m） 16 17 18 19 20 信号强度（dBm） -66 -67 -71 -69 -66 距离（m） 21 22 23 24 25 信号强度（dBm） -61 -65 -67 -70 -76 （3）发送和接收高度均为2米时的ED值。 距离（m） 1 2 3 4 5 信号强度（dBm） -42 -47 -49 -51 -50 距离（m） 6 7 8 9 10 信号强度（dBm） -61 -57 -46 -63 -57 距离（m） 11 12 13 14 15 信号强度（dBm） -59 -52 -51 -57 -49 距离（m） 16 17 18 19 20 信号强度（dBm） -49 -52 -54 -55 -60 距离（m） 21 22 23 24 25 信号强度（dBm） -60 -61 -63 -66 -70 4.3 结果分析 4.3.1在楼道中心线上测量 高度分别为0m，1m，2m时的信号强度衰减规律（作在一张图上可做比较） 根据实验数据，使用MATLAB进行曲线模拟，程序如下： x=[1  2 3 4  5 6  7 8  9  10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 ]; d0=[-43 -56 -65 -60 -68 -68 -65 -73 -72 -73 -77 -71 -71 -70 -77 -74 -79 -77 -77 -71 -71 -70 -76 -77 -72]; plot(x,d0,'r') xlabel('距离 m'); ylabel('信号强度 dBm'); hold on; d1=[-35 -46 -44 -45 -44 -44 -49 -51 -56 -55 -51 -51 -52 -56 -59 -61 -63 -65 -60 -59 -50 -50 -47 -49 -44]; plot(x,d1,'b') d2=[-55 -55 -58 -61 -61 -69 -59 -62 -65 -71 -80 -81 -70 -80 -72 -81 -72 -77 -70 -81 -61 -58 -63 -72 -72 ]; plot(x,d2,'g');grid; 0米时的拟合曲线方程为： x=[1  2 3 4  5 6  7 8  9  10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 ]; d0=[-43 -56 -65 -60 -68 -68 -65 -73 -72 -73 -77 -71 -71 -70 -77 -74 -79 -77 -77 -71 -71 -70 -76 -77 -72]; plot(x,d0,'r') xlabel('距离 m'); ylabel('信号强度 dBm'); a=polyfit(x,d0,2) a =     0.0893  -3.0504  -50.2078 hold on; x=1:1:25;plot(x,0.0893.*x.*x-3.0504.*x-50.2078) 1米时的拟合曲线方程为： x=[1  2 3 4  5 6  7 8  9  10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 ]; d1=[-35 -46 -44 -45 -44 -44 -49 -51 -56 -55 -51 -51 -52 -56 -59 -61 -63 -65 -60 -59 -50 -50 -47 -49 -44]; plot(x,d1,'b') xlabel('距离 m'); ylabel('信号强度 dBm'); a=polyfit(x,d1,2) a =     0.1082  -3.2535  -33.0591 hold on; x=1:1:25;plot(x,0.1082.*x.*x-3.2535.*x-33.0591) 2米时的拟合曲线方程为：     x=1:1:25;plot(x,0.1061.*x.*x-3.2825.*x-49.0226) >>  x=[1  2 3 4  5 6  7 8  9  10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 ]; d2=[-55 -55 -58 -61 -61 -69 -59 -62 -65 -71 -80 -81 -70 -80 -72 -81 -72 -77 -70 -81 -61 -58 -63 -72 -72 ]; plot(x,d2,'g'); xlabel('距离 m'); ylabel('信号强度 dBm'); a=polyfit(x,d2,2) a = 0.1061  -3.2825  -49.0226 hold on; x=1:1:25;plot(x,0.1061.*x.*x-3.2825.*x-49.0226) 4.3.2在楼道靠墙一侧测量 x=[1  2 3 4  5 6  7 8  9  10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 ]; d0=[-49 -59 -68 -70 -77 -82 -82 -83 -88 -90 -91 -85 -86 -92 -88 -89 -88 -95 -95 -93 -93 -99 -100 -92 -90]; plot(x,d0,'r') xlabel('距离 m'); ylabel('信号强度 dBm'); hold on; d1=[-44 -49 -51 -57 -63 -67 -66 -69 -71 -52 -57 -59 -61 -72 -68 -66 -67 -71 -69 -66 -61 -65 -67 -70 -76]; plot(x,d1,'b') d2=[-42 -47 -49 -51 -50 -61 -57 -46 -63 -57 -59 -52 -51 -57 -49 -49 -52 -54 -55 -60 -60 -61 -63 -66 -70 ]; plot(x,d2,'g');grid; 0米时的拟合曲线方程为：       x=[1  2 3 4  5 6  7 8  9  10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 ]; d0=[-49 -59 -68 -70 -77 -82 -82 -83 -88 -90 -91 -85 -86 -92 -88 -89 -88 -95 -95 -93 -93 -99 -100 -92 -90]; plot(x,d0,'r') xlabel('距离 m'); ylabel('信号强度 dBm'); a=polyfit(x,d0,2) a =     0.1129  -4.3017  -53.9835 hold on; x=1:1:25;plot(x,0.1129.*x.*x-4.3017.*x-53.9835) 1米时的拟合曲线方程为：       x=[1  2 3 4  5 6  7 8  9  10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 ]; d1=[-44 -49 -51 -57 -63 -67 -66 -69 -71 -52 -57 -59 -61 -72 -68 -66 -67 -71 -69 -66 -61 -65 -67 -70 -76]; plot(x,d1,'b') xlabel('距离 m'); ylabel('信号强度 dBm'); a=polyfit(x,d1,2) a =     0.0426  -1.8100  -49.2452 hold on; x=1:1:25;plot(x, 0.0426.*x.*x -1.8100.*x-49.2452) 2米时的拟合曲线方程为： x=[1  2 3 4  5 6  7 8  9  10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 ]; d2=[-42 -47 -49 -51 -50 -61 -57 -46 -63 -57 -59 -52 -51 -57 -49 -49 -52 -54 -55 -60 -60 -61 -63 -66 -70 ]; plot(x,d2,'g'); xlabel('距离 m'); ylabel('信号强度 dBm'); a=polyfit(x,d2,3) a =   -0.0118    0.4416  -4.9795  -38.0526 hold on; x=1:1:25;plot(x,-0.0118.*x.*x.*x+0.4416.*x.*x-4.9795.*x-38.0526) 5 .实验分析 1）0米时，由于地面障碍的影响，接收信号强度普遍较低。 2）由于楼道具有两边墙的反射，在接收方超过5米以后，接收信号强度呈现一张震荡并略下降的趋势 3）楼道中心线上1m时（也就是空间上的中心）信号强度比其他情况下大，这时因为此时接收到的信号强度额外的是来自四面的反射，而且这四面信号到达该点的时间与强度差不多 4）靠墙一侧0m，收到信号强度很低，这是由于直线的通路基本山都被挡住了，收到的都是反射过来的信号，而反射的信号行程较长，到达该点的信号强度就衰减的很厉害了。 6 .实验注意事项 各组在进行实验时注意通信频率要尽量错开，以避免影响实验数据准确性。 数据记录要详尽完整，记录过程中对数据要做好说明，避免事后混淆。 测量时天线都保持与地垂直方向。 电池电量应适量，不必太足，也不要接近耗尽。尤其要避免使用电量不足的电池。 每个组只要选择一个环境即可。不同组的实验环境要错开，不要都一样。 电池电量应适量，不必太足，也不要接近耗尽。尤其要避免使用电量不足的电池。 因结点质量不均一，所以实验过程中不要更换结点，也不能为了缩短时间，用多个结点同时测量。 为干电池连续工作性能下降，实验准备要充分，一旦开始实验整个测量过程就要紧凑，节省时间，以减小电池消耗。 7.实验体会 在实验和过程中，我们学到了很多很多的东西。记得刚知道题目时自己没什么思路和头绪，就只是一味的看老师、学长给的一大把的相关资料，看的多了问题也相继而来，太多却无法找到一个真正可行的。后经过和同伴的讨论，才突然明白由于太过仓促，将原本定好的思路打乱了，做的事情完全没按照所想好的提纲来。所以不管做什么事，首先要明确的是自己要做什么，该怎么做，而不是盲目想达到某种目的，急于求成往往达不到效果的。     本次实验不但增强了我们的动手能力，还让我们将以前在书本上学到的理论的知识用于实践中。大学两年多的学习使我们积累了较多相关方面的理论知识，为本次奠定一定的基础。通过这次实验，我也学到了很多专业方面的知识。加强了动手能力并掌握了许多实际性的东西，从做测试到数据分析处理。    最重要的是为期将近一个月的实验使我深深明白了团队合作精神，有了同伴不会的问题可以请教他们，当然他们也有时候需要我的帮助。从他们身上我也深深感觉到自己要倍加努力，打铁还需自身硬。同时我也学习了很多的知识，那些曾经的认为很神奇的东西，从高高在上到平易近人，我在不知不觉中提升，仔细想想，在不断的改变中，有喜有悲。     当然，在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来自己专业的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。