无线传感器网络报告RSSI的测量及其与距离的关系.docx

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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（Freespacepropagationmodel）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（Attenuationvariance）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（Shadowingeffect）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（ReceiveSignalStrengthIndicator，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

（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

（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

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=[12345678910111213141516171819202122232425];

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'）;

holdon;

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=[12345678910111213141516171819202122232425];

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

holdon;

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=[12345678910111213141516171819202122232425];

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

holdon;

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=[12345678910111213141516171819202122232425];

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

holdon;

x=1:

1:

25;plot（x,0.1061.*x.*x-3.2825.*x-49.0226）

x=[12345678910111213141516171819202122232425];

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'）;

holdon;

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=[12345678910111213141516171819202122232425];

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

holdon;

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=[12345678910111213141516171819202122232425];

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

holdon;

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=[12345678910111213141516171819202122232425];

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=

-0.01180.4416-4.9795-38.0526

holdon;

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

在实验和报告过程中，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，太多方法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，为本次设计奠定一定的基础。

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。