陶 陶，汪 勝

(安徽工業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院，安徽 馬鞍山 243000)

基于位置服務(wù)的室內(nèi)照明燈的控制設(shè)計

陶 陶，汪 勝

(安徽工業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院，安徽 馬鞍山 243000)

針對現(xiàn)階段室內(nèi)照明燈的控制方式，提出一種基于位置服務(wù)的照明燈的控制方式.在該控制方式中，首先利用物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)指紋定位技術(shù)，改進離線階段指紋庫的建立和在線匹配階段的匹配算法，實現(xiàn)目標照明區(qū)域定位；其次基于GPRS和WIFI的無線通信模式，實現(xiàn)照明燈管理中心、監(jiān)控子站以及照明燈控制終端三者之間的通信，從而實現(xiàn)對照明的智能控制；最后，采用不同的指紋布局來測試目標在照明區(qū)域的定位準確性，并比較基于位置服務(wù)的照明燈的控制方式、室內(nèi)常見路燈控制方式、室外智能路燈方式，分析它們之間的優(yōu)缺點和差別.研究結(jié)果表明該控制方式具有一定的適用性和推廣性.

室內(nèi)照明；位置服務(wù)；智能路燈；指紋算法；區(qū)域定位；智能控制

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，一批以環(huán)保、節(jié)能、智能為特征的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐步走向日常生活，其中智能路燈就是一種比較典型的應(yīng)用.在室外，智能路燈已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，如龍創(chuàng)科技研發(fā)的基于數(shù)字電子技術(shù)的數(shù)字城市照明監(jiān)控系統(tǒng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信以及電力載波技術(shù)等實現(xiàn)了對城市路燈照明系統(tǒng)的集中控制、遠程控制、智能控制、實時控制和靈活控制.在室內(nèi)，走廊或者樓道照明的控制方式大多是聲控、光控、時控或者是紅外感應(yīng)，室內(nèi)房間照明燈的控制更多的還是傳統(tǒng)的手動控制方式，如企業(yè)或?qū)W校的辦公樓，而這種控制方式的缺點在于當人員較少時，全部開啟整個辦公室的照明設(shè)備，容易造成電力資源浪費，且不利于樓層管理者對照明燈的統(tǒng)一管理.

照明燈的智能控制是指利用一些計算機技術(shù)對電力照明實行自動控制，使其在特定的空間和時間達到特定的照明效果[1].目前，國內(nèi)外也出現(xiàn)了相關(guān)智慧照明的產(chǎn)品：中國科學院軟件應(yīng)用技術(shù)研究所采用Zigbee無線通信以及電力載波通信技術(shù)，開發(fā)了智能能源管理系統(tǒng)(smart energy management system，SEMS)，實現(xiàn)了對路燈的智能控制和管理；法國SLV(Street Light Vision)公司的CMS(central management software)能夠通過智能手機控制路燈.在上述背景下，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計了一種基于位置服務(wù)的智能照明控制系統(tǒng).本系統(tǒng)利用了現(xiàn)有的無線路由器和智能手機，在基于位置信息的前提下，為目標提供照明服務(wù)，以求貫徹節(jié)能減排的發(fā)展理念，促進電力資源更加合理利用.

1 系統(tǒng)概述

基于位置的服務(wù)(location based service, LBS)基本包括兩個含義：首先是確定用戶或者移動設(shè)備所在的位置信息，其次是提供與位置信息相關(guān)的位置服務(wù)[2].基于無線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)的接收信號強度指示(received signal strength indication,RSSI)指紋信息定位技術(shù)受益于智能終端的低開發(fā)成本、納米級定位精度性能以及WLAN技術(shù)在室內(nèi)場景的廣泛分布，而成為室內(nèi)LBS系統(tǒng)中定位技術(shù)的首選[3]，所以采用此定位技術(shù)來確定目標的位置信息.在離線階段，傳統(tǒng)的指紋庫的建立與更新需要消耗大量的人力和物力，從而提高了指紋定位技術(shù)的實施難度，因此為減小數(shù)據(jù)庫建立與更新帶來的工作量，將室內(nèi)劃分為若干個區(qū)域，并在采集階段采集每個區(qū)域的信息的同時提取信息的物理特征，以減少人力、物力的消耗.在在線階段，指紋模式匹配技術(shù)的設(shè)計需要克服受陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)引起的時變特性所產(chǎn)生的位置估計誤差，同時為了提高定位實時性性能，需要降低算法計算復(fù)雜度.此外，目標的匹配是通過兩個步驟來完成，即首先依據(jù)信號強度值實現(xiàn)目標的粗定位，從而減小匹配運算量；其次通過目標的方向角來實現(xiàn)目標的精準區(qū)域定位.

在確定目標位置信息后，需要為目標提供相關(guān)服務(wù)，而為目標提供照明服務(wù)是依靠照明燈的智能控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的.智能照明燈的控制是通過在每個區(qū)域的照明燈上都安裝節(jié)點控制器，并把所有的節(jié)點控制器均連接到網(wǎng)絡(luò)，然后通過部署在控制中心的計算機系統(tǒng)對各個區(qū)域的照明燈進行獨立控制，而這同時還可以檢測各個區(qū)域照明燈的運行狀態(tài)，實現(xiàn)高效的遠程管理.照明燈的智能控制系統(tǒng)主要包括照明燈管理中心、監(jiān)控子站和照明燈控制終端三個部分.

2 指紋算法的區(qū)域定位的設(shè)計

在走廊或者樓道，根據(jù)人員位置信息來控制照明燈的開啟與關(guān)閉，即采用紅外線人體感應(yīng)燈.紅外感應(yīng)燈的缺點在于容易受各種熱源、光源干擾，當環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時會造成短時失靈.為此，對室內(nèi)人員位置信息的判別可以根據(jù)RSSI定位模型和指紋定位技術(shù)，由室內(nèi)無線路由器和智能手機來完成.指紋定位技術(shù)的定位過程主要分為離線階段的信息采集與處理和在線階段的目標匹配兩個階段.

2.1 區(qū)域定位指紋數(shù)據(jù)庫的建立

離線階段建立指紋數(shù)據(jù)庫一般將目標區(qū)域劃分為規(guī)則格網(wǎng)狀，以格網(wǎng)交點作為訓練參考點(reference point，RP).RSSI指紋庫的建立一般是將每個參考點的所有可視無線信號接入點(accessed points,APS)所接收到的RSSI測量值與坐標(XRP，YRP)第i個參考點表示為

(1)

式中：A表示無線信號接入點AP，R表示RSSI觀測值，Pt表示坐標值[4].

區(qū)域指紋庫的建立首先要根據(jù)室內(nèi)路燈的布局特點，將所有照明區(qū)域劃分為若干個子區(qū)域，并在指紋庫建立前，對各個子區(qū)域所采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理.設(shè)定每個接入點AP對應(yīng)的子區(qū)域所接收到信號強度值的非零個數(shù)與總采集個數(shù)比例不小于80%為有效接入點.對每個參考點的接收數(shù)據(jù)，提取平均信號強度最大的10個有效接入點觀測量，并將其作為區(qū)域指紋庫的基本數(shù)據(jù).在這其中，無效觀測值的情況可能發(fā)生，比如信號源中斷、接收終端無法識別信號源或者外界環(huán)境的干擾等.對于此類無效信號，可直接剔除，不作為有效觀測量[5].在采集樣本點時，除RSSI觀測值外，還計算子區(qū)域與AP處的角度，得到1個子區(qū)域參考點.指紋數(shù)據(jù)庫

(2)

2.2 目標區(qū)域定位的實現(xiàn)

在區(qū)域定位的在線匹配過程中，主要分為兩個階段，而采用雙重匹配方法實現(xiàn)目標的區(qū)域定位的意義在于縮減搜索空間，提高定位效率.

第一階段：當目標進入定位區(qū)域，目標會同時接收到多個無線AP接入點發(fā)出的信號.由于以電磁波形式相互通信的節(jié)點隨著路徑的延長無線信號強度逐漸衰減[4]，即距離目標節(jié)點越近目標接收到的信號強度值越大.將實時接收到的前n個最大RSSI與指紋庫中向量進行粗匹配，確定n個距離目標較近的AP點，實現(xiàn)目標的粗定位；依據(jù)三邊定位的原理，在后續(xù)實驗中，一般令n值為3.

第二階段：根據(jù)粗匹配結(jié)果，導致正確匹配率低的很大原因是產(chǎn)生了鄰近類匹配.這是由于鄰近類集合的樣本點在幾何位置上相對靠近，同屬于一個片區(qū)，能接收到的接入點AP具有很大的相似性[6].因此，為避免因匹配到鄰近類而產(chǎn)生較大誤差，可根據(jù)信號強度特征，考慮在可能正確匹配的范圍內(nèi)，做進一步的類精匹配.

目標節(jié)點在接收到接入點AP發(fā)出的信號的同時，目標節(jié)點存在一個方向角，在完成粗匹配運算以后，這時候會產(chǎn)生多組(θ,RSSI)向量信息，其中方向角是確定的，RSSI值是來自粗匹配確定的接入點AP發(fā)出的；將n組(θ,RSSI)分別與指紋庫中對應(yīng)的接入點AP進行匹配運算，從而確定該組向量是來自那個AP點的指紋庫，實現(xiàn)目標節(jié)點的精定位.

3 照明燈智能控制的實現(xiàn)

在室內(nèi)照明燈控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸基于兩種不同的無線通信模式，即近距離的WIFI通信模式和遠距離的GPRS通信模式.WIFI網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能終端與照明燈管理中心和各路燈控制終端與監(jiān)控子站之間的信息傳遞，而GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)路燈管理中心與監(jiān)控子站之間的通信[7].智能照明控制通過以下流程實現(xiàn)：

1)智能終端進入到照明燈的智能控制區(qū)域后，同時接收到該區(qū)域多個無線接入點發(fā)出的信號，終端將接到的信號強度信息以及自身方向信息傳送到照明燈管理中心.

2)照明燈管理中心將接收到的位置信息進行智能分析，確定目標的位置信息，同時結(jié)合室內(nèi)路燈的布局結(jié)構(gòu)，將控制指令發(fā)送到監(jiān)控子站.

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

3)監(jiān)控子站接收控制指令，同時結(jié)合當前室內(nèi)照明燈的使用狀態(tài)，向照明燈控制終端發(fā)送數(shù)據(jù).

4)照明燈控制終端執(zhí)行照明燈開啟或者關(guān)閉命令.具體的控制流程如圖1所示.

系統(tǒng)各個模塊的功能如下：

1)照明燈管理中心.照明燈管理中心主要是通過PC端上位機軟件來監(jiān)控室內(nèi)所有照明燈的控制系統(tǒng)，以查看并管理系統(tǒng)中所有照明燈的信息狀態(tài)；負責控制系統(tǒng)中的監(jiān)控子站，當照明燈管理中心接收到智能手機發(fā)過來的位置信息，完成位置信息處理后，下達相應(yīng)的操作命令是由GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與監(jiān)控子站之間的通信；監(jiān)控子站通過WIFI無線局域網(wǎng)對照明燈終端完成相關(guān)操作命令，實現(xiàn)對室內(nèi)照明燈控制終端的遠距離無線監(jiān)控[8].

2)監(jiān)控子站. 監(jiān)控子站接收到照明燈管理中心的操作命令，通過WIFI網(wǎng)絡(luò)把相應(yīng)的操作信息轉(zhuǎn)發(fā)給照明燈控制終端，確保照明燈能夠及時打開或者關(guān)閉；維護照明燈控制終端的節(jié)點信息并把相應(yīng)的照明燈狀態(tài)信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)及時反饋給照明燈管理中心.

3)照明燈控制終端.通過WIFI網(wǎng)絡(luò)接收來自監(jiān)控子站下達的指令，完成相應(yīng)操作；同時將采集到室內(nèi)照明燈的電壓、電流等狀態(tài)信息通過WIFI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控子站.

圖2 系統(tǒng)測試環(huán)境

4 系統(tǒng)測試

4.1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

系統(tǒng)測試環(huán)境如圖2所示，即在我校的某一階梯教室進行.將面積約為150m2的教室劃分為4×37.5m2的4個區(qū)域，在每個區(qū)域中心處安置1個無線接入點.

在實驗開始前期，先檢測實驗環(huán)境是否滿足實驗需求.圖3表示的是區(qū)域中某時刻智能手機接收到的4個AP發(fā)出的信號強度值.從圖3中可以看出：在該區(qū)域接收來自區(qū)域1的無線接入點的信號強度值最大，為-46dBm；其次是區(qū)域2和區(qū)域3的信號強度值，即-52dBm和-57dBm，而來自區(qū)域4的信號強度值為-65dBm.顯然，信號強度值隨著距離增大而不斷減小，滿足RSSI定位模型的基本原理[9]，即該環(huán)境適合做系統(tǒng)的測試環(huán)境.

圖3 信號強度采集

在離線采樣階段，將各區(qū)域劃分為若干個子區(qū)域.在實驗中，分別將區(qū)域劃分為4×4格、5×5格、6×6格和7×7格，并采集在每個子區(qū)域智能手機接收到的各個AP點的信號強度，并建立指紋庫.某有效接入點AP最大差值如圖4所示.圖4顯示不同方向上的最大差值已經(jīng)達到12dBm，而這種差值的產(chǎn)生一方面是受室內(nèi)環(huán)境布局的多路徑效應(yīng)的影響，另一方面人體本身也是干擾無線信號傳播的因素之一.相關(guān)實驗表明，面朝與背向AP時，兩者信號強度之差平均可達到5～10dBm[10].

圖4 某AP不同方向的最大差值

4.2 系統(tǒng)測試結(jié)果

針對不同的指紋布局方式，首先測試的是不同布局方式對定位結(jié)果準確率的影響.對分別在每個區(qū)域的不同子區(qū)域進行測試，正常環(huán)境下不同布局方式的區(qū)域定位結(jié)果見表1.

表1 區(qū)域定位結(jié)果

從表1的定位結(jié)果可以看出，4種不同布局結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的區(qū)域定位準確率是不同的.隨著布局密度的提高，準確率逐步提升.

圖5 照明控制界面

智能設(shè)備在照明區(qū)域定位的基本實現(xiàn)，使得路燈的控制中心能夠依據(jù)智能設(shè)備的位置信息發(fā)送指令，控制局部的照明設(shè)備.圖5是某階梯教室照明燈的控制界面.另外，除了能夠依據(jù)位置信息來控制照明的開啟與關(guān)閉，在控制中心還可以手動控制整個區(qū)域的照明狀態(tài)，如全部開啟或者關(guān)閉，從而方便了整個照明系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理.

5 不同控制方式的對比

將照明燈的智能控制方式分別與當前室內(nèi)照明燈的幾種常見控制方式進行對比，結(jié)果見表2.從表2中可以看出，基于位置服務(wù)的照明燈的智能控制方式的優(yōu)點在于其具有較強的實時性，且操作方便；而主要缺點就在于智能設(shè)備在接收無線信號強度值的時候容易受外界環(huán)境干擾，影響照明燈點亮的準確性，抗干擾能力一般.因此，下一步的研究重點將進一步優(yōu)化定位算法，減小外界環(huán)境對區(qū)域定位帶來的干擾，提高目標在區(qū)域定位的準確率.

表2 不同控制方式對比

將基于位置服務(wù)的控制方式與室外智能路燈的控制方式進行對比，結(jié)果見表3.從表3中可知：在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，室內(nèi)的智能照明依托的是室內(nèi)無線路由器和個人的智能手機等設(shè)備，減少了智能路燈中傳感器的使用，具有較強的實用性；在安全性、擴展性以及能源利用方面優(yōu)于室外的智能路燈.

表3 室內(nèi)與室外智能路燈對比

6 結(jié)語

基于位置服務(wù)的照明方式利用了現(xiàn)有的無線設(shè)備和通信設(shè)備，改進了指紋定位技術(shù)的定位算法，實現(xiàn)了目標在照明區(qū)域的區(qū)域定位.系統(tǒng)通過目標的位置信息下發(fā)指令，控制照明燈的狀態(tài)，進而實現(xiàn)了照明燈的智能控制.這無疑有利于進一步推動室內(nèi)位置服務(wù)的發(fā)展，對促進智能家居、智慧城市等的建設(shè)都有著積極的意義.

[1] 黃祖成,袁峰,李引.基于使用IPv6的低功耗無線個人局域網(wǎng)的無線傳感網(wǎng)在智慧路燈中的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用,2014(10):3029-3033.

[2] 李懷瑜,朱瀚,肖漢,等.基于位置的參與式感知服務(wù)[J].北京大學學報(自然科學版),2014(2):341-347.

[3] 張斌,魏海坤,方仕雄,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的大場景智能照明監(jiān)控系統(tǒng)中心軟件設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機,2015(3):14-16.

[4] 基于幾何聚類指紋庫的約束KNN室內(nèi)定位模型[J].武漢大學學報(信息科學版),2014(11):1287-1292.

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[6] 曹始亮.基于Wi-Fi指紋的移動位置服務(wù)設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學,2015.

[7] 盛凱.基于ZigBee和GPRS技術(shù)的智能路燈控制系統(tǒng)研究[D].聊城:聊城大學,2015.

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[9] CHANG Q,VAN DE,WANG W,et al.Wi-Fi fingerprint positioning updated by pedestrian dead reckoning for mobile phone indoor localization[C]//China Satellite Navigation Conference (CSNC) 2015 Proceedings:Volume III.Springer Berlin Heidelberg,2015:729-739.

[10] JANG M S,KIM B C,KIM P S,et al.A study on the localization algorithm Using RSSI and directional antennas between sensor nodes for the DV-HOP algorithm[M]//Advances in Computer Science and Ubiquitous Computing.Springer Singapore,2015:465-470.

(編輯 徐永銘)

Control Design of Indoor Lighting Based on Location Service

TAO Tao,WANG Sheng

(School of Computer Science and Technology, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243000, China)

According to the current indoor lighting control mode,this paper proposes a control method of location-based lighting services.In this control mode,firstly,the indoor fingerprint location technology of the Internet of Things is used to improve the establishment of the offline fingerprint library and the matching algorithm of the online matching stage.Secondly,based on the wireless communication mode of GPRS and WIFI,the communication among lighting management center,monitoring sub-station and lighting control terminal can be connected, so as to realize the intelligent control of lighting.Finally,the different fingerprint layout is used to test the target location accuracy in the lighting area. Based on location-based services, the control mode of the lamp is compared with the indoor common street lamp control mode and the outdoor intelligent street lamp,and the advantages and disadvantages are analyzed.The results show that the control method has a certain applicability and popularization.

indoor lighting; location service; intelligent street lamp; fingerprint algorithm; regional location; intelligent control

2016-09-21

國家自然科學基金項目(61672038)；賽爾網(wǎng)絡(luò)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新項目(NGII20150617)

陶 陶(1977-)，男，副教授，博士研究生，碩士生導師，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究.

TP391.7

A

1674-358X(2016)04-0059-06