基于RSSI的汽車免鑰匙系統定位技術研究

程和生，程和俠

（1.合肥師范學院計算機學院，安徽合肥 230601；2.安慶師范大學計算機與信息學院，安徽安慶 246133）

汽車無鑰匙進入系統（PKE）是高檔汽車的標準配置[1]，現有技術由歐、美、日等國壟斷。國產汽車廠商攻堅技術遇到障礙的核心是電子鑰匙車內定位技術[2]。已有的傳感器定位技術可分為以下兩大類：（1）集中式與分布式定位算法。集中式定位算法將所有節點信息傳送到某個中心節點進行定位計算并確定，特點是全局統籌，定位相對準確，但運算量大且難做到實時響應。分布式定位算法成本高。（2）基于測距的定位算法和非測距的定位算法。測距方式定位對硬件要求較高，成本高，精度相對也較高。非測距方式對硬件要求較低，精度相對也低。實際應用中主流測距技術有基于RSSI（Received Signal Strength Indication）信號強弱定位和基于UWB（Ultra Wideband）的定位?；赨WB的算法，對硬件要求較高，傳感器節點數目越多越精確，算法復雜度偏高，相比之下，基于RSSI測距方法具有較低復雜度和成本。

現有的PKE 方案眾多。NXP 公司的PKE 系統，特高頻UHF（Ultra High Frequency）使用發射芯片PCF7900，支持頻段有315 MHz、434 MHz、868 MHz 和915 MHz；低頻LF（Low Frequency）采用芯片PCF7991，發射125 kHz信號。該方案特點是量化LF信號強弱，準確獲取RSSI，使用3個字節數值表示，適合車內狹小空間定位。μPD78F0503 和μPD78F0881 是NEC 公司方案芯片，UHF 頻段選擇433.92 MHz，LF頻段選擇19 kHz。該方案在提高電子鑰匙電池使用壽命的同時減少了能耗，引入低頻喚醒芯片AS3931，支持寬工作頻率（19～150）kHz、喚醒靈敏度高、抗干擾能力強。Microchip 公司推出基于PIC16F639 作為UHF 信號發射433.92 MHz，LF 選擇125 kHz，提供方案詳細，但是未涉及定位功能。TI公司基于低功耗的RF430F51 系列PKE，集成CC1101 芯片，支持頻段315 MHz、434 MHz、868 MHz 和915 MHz；LF信號使用125 kHz，其特點是能耗低、抗干擾性強，但是定位精度低[3]。

免鑰匙系統定位技術是汽車免鑰匙進入系統研究熱點。上海大眾汽車有限公司提出4個低頻天線的無鑰匙進入系統區域定位方法[3]，但實現成本高，信號強弱易受到低頻天線影響。何曉曉等人通過天線信號強弱判斷鑰匙的相對距離，引入三維天線消除鑰匙相對基站姿態影響[4]。范衛平等在文獻[4]的研究基礎上，對三維天線接收信號的強弱進一步優化，提高了定位精度[5]，但未考慮車門對低頻信號的影響。

綜上所述，結合電子鑰匙定位特點，采用基于RSSI的測量定位方法，考慮相關頻段與現有商用頻段沖突以及抗干擾性，從低頻天線入手，設計高精度LF天線，研究LF信號（125 kHz）的傳輸特性和車門對信號的影響。根據車內空間狹小、干擾性強和能耗等因素，決定使用NXP 芯片設計和測試PKE 系統。本定位方法采用單個LF天線定位的區域定位方法消除LF定位精度不足，滿足定位要求且成本低。

1 PKE工作原理

PKE技術是從RKE（Remote Keyless Entry）發展而來，在RKE技術上添加免鑰匙進入功能。免鑰匙進入功能是PKE技術的核心。

PKE系統由主機、電子鑰匙、低頻喚醒天線組成。主機包括125 kHz發射模塊和315 MHz的接收模塊，而電子鑰匙包含LF接收模塊和UHF發射模塊以及LF天線。這兩部分之間采取雙向通信，如圖1所示。主機在感應用戶靠近車門時，LF天線發送喚醒信號，喚醒1.5 m左右處的電子鑰匙，附近的LF天線都能接收到此信號，通過識別并決定是否激活電子鑰匙。當電子鑰匙驗證通過校驗，便發送UHF的射頻指令編碼報文，車載單元收到指令，如果識別成功，將開啟車門。

圖1 PKE工作流程

為了提高系統安全性，將PKE 系統與汽車啟動系統關聯。當啟動車輛時，檢測電子鑰匙是否在車內，若有效檢測電子鑰匙，PKE發送UHF指令開啟發動機，否則，無法開啟發動機。因此，定位技術成為PKE系統核心功能之一。

2 定位模型建立

定位方法依據磁場強度的絕對測量值，該磁場只能由汽車內天線產生?；谌缦聝蓚€途徑提高定位判斷：通過調節車內LF天線結構和布局，提高LF天線信號強度RSSI及傳輸距離；增強車門內外RSSI的數值落差。

那時，我一心想要出去看風景，只覺得和爸媽的代溝寬得無法逾越。人生苦短啊，干嘛把生活過得那么緊張呢？我回來找工作不是一樣嘛。

（1）定量設計天線

LF發射距離長度直接關系到定位范圍和精度。LF發射距離關鍵部件是LF天線，使用LC振蕩電路實現。參考眾多研究文獻，PKE的LF信號發射距離在（1～3）m范圍內，磁場強度逐漸衰減。根據Biota-Savart定律，該處磁場強度公式為

其中，I為流過LF天線電流，N是LF天線的匝數，r為LF天線半徑，D表示與LF天線的距離。天線半徑r太小，繞的匝數特別多并占用空間；r不能太大，因為電子鑰匙很小，長寬約（3～4）cm。由式（1）可知，磁場強度與近似距離呈D-3衰減。

LC振蕩諧振發射模式，易受到電感L和電容C等參數影響，調節參數和天線布局是做好定位系統的重要工作。串聯LC諧振振蕩電路如圖2所示。串聯LC振蕩電路的諧振頻率由計算獲得[4]，計算公式為

圖2 串聯LC振蕩電路

當L=120 μH，C=13nF 時，f0=125kHz。

由于125 kHz頻率較低，要求天線較長，使用LC振蕩電路替換，電感L使用空心線圈繞制而成，當頻率低于1 MHz，此時空心電感參數可根據下式確定：

其中，L為線圈電感值，單位μH；N為線圈的圈數；r1為內線圈半徑，單位m；r2為外線圈半徑，單位m；l為線圈長度，單位m。式（1）中r與式（2）中r1、r2之間的關系為。

由式（1）和式（2）可知，設計合適的天線，重點參數是空心電感線圈的半徑r，選取合適的r是定位的關鍵。r取不同的數值，天線輻射強度曲線有明顯的變化。當單線圈（即N=1），線圈電流I=1A時，繪制出其輻射強度特性曲線，如圖3所示。

圖3 單線圈輻射強度與線圈半徑r關系

當半徑r=5cm時，在近處輻射強度較弱；當半徑r=2 cm時，在遠處衰減迅速。本文選取r=3 cm，兼顧信號的強弱和通信距離，同時符合電子鑰匙尺寸。

RSSI定位算法復雜低、占用資源少、但定位不夠精確，信號隨傳輸距離呈指數衰減。功率和距離之間的關系符合Friis在自由空間的模型[6]：

其中，Pr(d)表示RSSI 值，d0=1 m 作為參考量，Xσ表示正態分布隨機變量。Xσ的均值為0、標準差為σ（4～10），表示信號不穩定度。設A=Pr(1)，則式（3）化簡為

由式（4）得關于距離d的表達式為

在理想情況下，通過式（5）計算所得距離精度約20 cm，不能滿足定位精度要求。一般家用汽車內空間寬度約1.5 m 左右、長度約2 m 左右，在此封閉的環境下，汽車外殼具有一定的屏蔽外部信號干擾作用，當LF發射器固定安裝后，125 kHz信號衰減過程在車內是固定的。此時，電子鑰匙在車內具體定位問題轉換為電子鑰匙在車門邊界臨界處信號強弱的測量，即測量車內和車外接收到LF信號的強弱（RSSI值）。車載LF發射點分布如圖4所示，在封閉的環境中，車載天線安裝位置有：中央扶手天線AI，駕駛側門把手安裝天線Ao1，副駕駛門側天線Ao2，后備箱天線Ao3。其中，僅天線AI用于電子鑰匙車內定位，前車門兩個LF天線不參與定位。

圖4 電子鑰匙的方位檢測

125 kHz的LF發射器發送的信號是球狀表面波，Ao1發射信號達到車門臨界的內壁是非等勢面，測量獲取的RSSI 值是變化的，取其最小值為min(HI)、最大值為max(Ho)。此時，HI與Ho之間存在一個距離ΔH，ΔH引起信號強度下降Y(ΔH)，滿足以下關系式：

ΔH太大會誤判電子鑰匙位置，ΔH太小會對定位精度要求高。參考式（6），經過測試和分析，找到合適的ΔH，可有效提高定位的準確性。

3 測試分析及參數優化

系統在江淮和悅汽車上進行測試，該車尺寸：長度4 590 mm，寬度1 765 mm，高度1 465 mm，內部寬度約1 400 mm，車門厚度約300 mm。

測量天線AI對車門臨界點RSSI值的測量主要分駕駛室車門內邊界和外邊界的測量，所有天線的測量高度為1 m。

測試使用的LF 接收器是Atmel 公司的ATA5790 芯片，其內部集成RSSI 接收器和對應AD 模塊，接收結果存放1個字節存儲器。測試場景分為車內車門開啟和車內車門關閉。

（1）車門開啟模式

打開車門，測量LF信號衰減情況，如圖5所示。圖的縱坐標為ATA5790直接采集數據，占1個字節，表示范圍為0～255。

觀察圖5，RSSI信號在（0～80）cm急劇衰減，信號在（80～150）cm變化緩慢，信號在（150～250）cm變化幾乎為0。根據車輛內部寬度，（70～90）cm車門臨界附近是判斷電子鑰匙是否在車內的重要區域，但是測試數據在80 cm左右，RSSI值急劇衰減，在（80～150）cm變化不明顯。此時，容易受到外界信號干擾，無法定位。

本文依據式（5），對圖5縱坐標取對數，獲得變換后的距離d與RSSI值關系曲線，如圖6所示。

圖5 AD值與距離關系

圖6 LOG AD值與距離關系

（2）車門關閉模式

關閉車門，在完全封閉環境下，測量RSSI 的臨界值，如圖7所示。

由圖7 可知，在70 cm 附近RSSI 值突然下降，此處正是車門位置，車門和窗戶對LF信號具有較強的削弱，對判斷電子鑰匙位置有益。RSSI 值在70 cm 處約為135，80 cm 處約為90，相差約45，提高了系統的穩健性且減少了誤判。綜合考慮外界干擾，判斷電子鑰匙的臨界閾值為130。

圖7 車門關閉狀態下AD值與距離關系

4 結論

本文闡述了PKE的工作原理，重點介紹了電子鑰匙定位技術，此技術的難點在于定量分析RSSI 信號強弱與距離的關系。通過定制125 kHz的LC天線，設計合適的空心線圈電感的半徑r，產生按照距離d-3衰減的RSSI信號；RSSI信號在大于80 cm處基本無變化，引入log變換處理RSSI信號強弱，提高識別率。最后，利用車門和車窗對RSSI 信號具有較強的屏蔽作用，增強車內RSSI 信號強度，進一步削弱了車外信號，從而提高了識別電子鑰匙在車內的準確率。通過實驗，最終確定了RSSI在車門臨界閾值為130。