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
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=[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)
4.3.2在楼道靠墙一侧测量
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。
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- 关 键 词:
- 无线 传感器 网络 报告 RSSI 测量 及其 距离 关系