摘要：设计了以ZigBee为基础的无线装置。以实际传输距离的估算方法和实际测试值分析了影响传输距离的各种因素。通过实测实验分析得出收发天线的增益、天线的架设高度等各个因素在无线传输中的作用，为以后无线装置的实际应用提供了可靠的参考价值。

1.引言

无线通信是近些年发展最快，应用最广的通信技术，无线网络技术包括蓝牙、超宽带、ZigBee和Wi-Fi等。ZigBee是一种新兴的无线网络技术，它是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，其特点是距离较远、低复杂度、自组织、低功耗、低速率、低成本。因此比较适合研究无线通信距离短的问题，可以更好地分析影响传输距离的因素，所以本文就以ZigBee技术为例，根据一些理论公式进行计算分析影响无线传输距离的因素，希望为以后无线模块的选用提供参考。

2.ZigBee应用电路设计

为了测试ZigBee在应用中的传输距离，设计了基于ZigBee的无线传输模块装置，用于测试ZigBee实际的传输距离。如图1所示，左边为无线终端模块整个电路组成框图，用于接收从中心模块发送过来的数据，右边为中心模块，与ZigBee基板相连，通过上位机给终端模块发送数据。ZigBee模块具有自动组网的功能，当中心节点工作之后，它会自动寻找终端节点进行组网。如果终端节点能够接收到组网信号，则终端节点的ZigBee模块就会产生组网端口上的压降，这个压降信号就传递到触发器，触发器打开模拟开关，这样指示灯的压降产生，指示灯开始工作，这就表明ZigBee模块组网成功，既可以开始通信。

3.因素分析

3.1 实际传输距离估算方法

IEEE组织根据802.15.4a信道的特点，在实际环境中进行了实际测量，构建了基于802.15.4a心道、适于UWB（2~10GHz），100~1000MHz的信道传输损耗模型，其基本模型信道损耗计算公式为

其中Pt为发射机发射功率，发射机和接收机的距离为d,接收机的功率为Pr,收发天线的增益为Gr,Gr,Aant为天线衰减因子，S为损耗计算的标准方差，n为距离损耗为考虑频率影响修正系数，d0为参数距离等于1m,fc为参考中心频率等于5G修正系数，kHz（UWB2~10GHz频段），PL0为参考距离下的损耗大小。与自由空间传输方程相比考虑天线收发耦合损耗、反射折射引起的传输损耗与距离频率的变化系数。

对式（1）进行推导得出最大距离方程为：

由上述公式我们可以得知，影响因素包括为天线衰减因子，损耗计算的标准方差，距离损耗为考虑频率影响修正系数，参考距离下的损耗大小等，下面就通过实际测试具体分析各个因素对无线传输的影响。

3.2 具体因素分析

下面通过实际测试得到实验数据对Z i g B e e传输距离进行比对分析，用上述介绍的实验装置测试Z i g B e e实际的传输距离。表2中列出了实验中模块的收发功率，收发天线架设高度，天线衰减因子，收发天线增益，参考距离下的损耗大小，损耗计算的标准方差，行为距离损耗修正系数，频率影响修正系数，天线的馈线长度，天线的架设高度等各种影响因素。

表2中第一组和第二组数据对比，收发天线的架设高度对无线传输的距离有着重要影响，天线架设高度不同，损耗计算的标准方差和距离损耗修正系数不同，收发天线的架设高度增加了两米，则传输距离提高了122米，增幅为88.4%.

第二组和第三组数据对比中可以看出，天线的架设高度相同，无线的工作环境的不同，传输距离也不尽相同，工作环境的不同，损耗计算的标准方差、距离损耗修正系数不同和频率影响修正系数都不相同，这导致在复杂环境中，无线传输的距离大大缩短，仅为户外广阔环境中的53.1%.

第二组和第四组数据得出，天线的增益是影响传输距离的最重要因素，发送天线增益增加八倍之后，传输距离提高了4倍，同时也说明天线增益和传输距离之间不是简单的线性关系。

第一组和第五组数据显示，在天线的外配馈线增加时，传输距离也会相应缩短，在天线增益、工作环境和天线架设高度都相同的情况下，发送天线加长6米馈线，天线衰减因子变大，导致传输距离缩短了48.6%.

第四组和第六组数据显示，其他影响因素相同的条件下，馈线延长6米，传输距离缩短了22.7%.同时和第一组、第五祖对比得出，馈线在影响传输距离中远没有天线增益对传输距离的影响大。

在实际测试中所得到的数据，都经过了实际传输距离估算方法的计算，表2中给出了理论计算和实测值之间的误差，误差都在5%以内，说明测试得出的数据真实可靠。

4.结束语

本文通过自行设计的ZigBee装置实际测试了此装置的传输距离，并根据估算公式对其影响因素作了具体分析，最后分析我们可以得知，收发天线的增益是影响无线传输距离最重要的因素，其次为天线的架设高度，然后为工作环境，最后是天线的馈线长度。

因此为了提高通信距离：第一，最好使用增益大的天线；第二，尽可能的提高天线的有效架设高度；第三，远离干扰较大的工作环境；第四，尽量缩短发射端的馈线长度等这些措施。这样可以提高无线通信的稳定性和可靠性。（作者：曹学友）