殷文龍 馬小軍 蔣月紅

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

群體決策在智能路燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

殷文龍 馬小軍 蔣月紅

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

針對目前國內(nèi)大部分城市路燈采用的定時(shí)控制和光敏控制易受干擾的問題,提出了一種基于ZigBee及群體決策的智能路燈控制系統(tǒng)。路燈節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)向路燈群中的協(xié)調(diào)器發(fā)送開燈的投票信息,協(xié)調(diào)器利用群體決策的原理分析數(shù)據(jù)。如果開燈投票大于預(yù)先設(shè)置的極限值,協(xié)調(diào)器就向所有的路燈發(fā)送開燈的命令。試驗(yàn)表明,群體決策的方法解決了定時(shí)控制和光敏控制易受干擾的問題,提高了路燈控制系統(tǒng)的智能化水平。

ZigBee 智能路燈 群體決策 光敏傳感器 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

自動控制的能力體現(xiàn)了路燈控制系統(tǒng)的智能化水平,但是目前路燈控制系統(tǒng)的智能化水平還不是很高[1]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)光敏控制和無線控制相結(jié)合的路燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境照度變化,自動控制路燈的開關(guān)。受群體決策原理的啟發(fā),可以把一個(gè)街道上的路燈看成是一個(gè)群體,運(yùn)用群體決策的方法控制所有的路燈節(jié)點(diǎn)。

群體決策的現(xiàn)象不僅存在于人類社會活動中,而且在動物和昆蟲中也存在這種現(xiàn)象。有些研究者通過研究蜜蜂群,選擇它們新巢的群體決策的方法。而螞蟻在選擇新巢時(shí)也運(yùn)用了群體決策的方法。蜜蜂群和螞蟻群中的成員都是獨(dú)立選擇它們新巢的,它們不會受到其他成員的干擾。在動物和昆蟲中,群體決策的方法是非常有效和精確的[2-3]。而本文中路燈控制系統(tǒng)中,開關(guān)燈的決策就是受到了動物和昆蟲的群體決策的啟發(fā)而產(chǎn)生的。

本文設(shè)計(jì)了一種基于光敏傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和群體決策的路燈控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)綜述

整個(gè)路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由一個(gè)主協(xié)調(diào)器、一個(gè)輔助協(xié)調(diào)器和一些路燈節(jié)點(diǎn)組成。每一盞路燈上都安裝一個(gè)光敏傳感器,所有的路燈節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器形成了一個(gè)樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。每一個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)具有采集光環(huán)境照度的能力,并能對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,處理完之后將路燈開關(guān)的控制投票數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

圖1 路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of the street light control system

群體決策通過投票的方式進(jìn)行決策。協(xié)調(diào)器根據(jù)投票決策的方法做出最終決定。在做出決定之后,協(xié)調(diào)器向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有的路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送開燈或關(guān)燈的控制信號。協(xié)調(diào)器可以通過GPRS向路燈管理中心發(fā)送路燈節(jié)點(diǎn)的故障信息。當(dāng)主協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障時(shí),本文設(shè)計(jì)了輔助協(xié)調(diào)器來代替主協(xié)調(diào)器。輔助協(xié)調(diào)器需要將主協(xié)調(diào)器的故障信息發(fā)送給路燈管理中心。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 路燈協(xié)調(diào)器

路燈主協(xié)調(diào)器和輔助協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)相同,它們由一個(gè)電源供應(yīng)模塊、一個(gè)控制單元、一個(gè)GPRS模塊、一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊和一個(gè)電壓檢測單元組成。

2.2 路燈節(jié)點(diǎn)

路燈節(jié)點(diǎn)由一個(gè)電源供應(yīng)模塊、一個(gè)控制單元、兩個(gè)繼電器、一個(gè)光敏傳感器、一個(gè)電壓檢測單元和一些LED燈組成。控制單元通過光敏傳感器定期地采集環(huán)境照度信息。光敏傳感器是一個(gè)由TPS851光敏電阻組成的模塊,這個(gè)光敏電阻可以將光強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化成電壓值?？刂茊卧蒢igBee2430模塊組成,它可以處理電壓值和得出開關(guān)燈的投票信號。

2.3 輔助協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器繼承程序流程如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器繼承程序流程圖Fig.2 Flowchart of the coordinator inherit program

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,路燈的主協(xié)調(diào)器是網(wǎng)關(guān),輔助協(xié)調(diào)器是后備網(wǎng)關(guān),路燈節(jié)點(diǎn)是路由器。當(dāng)網(wǎng)關(guān)中建立好一個(gè)網(wǎng)絡(luò)之后,路由器加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)ID用來區(qū)分不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)只允許擁有相同網(wǎng)絡(luò)ID的路由器加入到無線傳感器網(wǎng)中。兩個(gè)協(xié)調(diào)器有兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)ID,分別是ID和ID1。路燈節(jié)點(diǎn)將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID存儲起來。

2.4 群體決策方法

路燈控制的群體決策過程如圖3所示。

圖3 群體決策過程圖Fig.3 The group decision-making process

所有的路燈節(jié)點(diǎn)通過定期對檢測到的環(huán)境照度進(jìn)行處理,得出開關(guān)燈的投票決定,并將這些投票信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器計(jì)算出所有路燈節(jié)點(diǎn)的投票信息。如果這個(gè)數(shù)量大于預(yù)設(shè)值,協(xié)調(diào)器就向所有的路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送開燈的控制信息；否則就發(fā)送關(guān)燈的控制信息。這個(gè)過程的數(shù)學(xué)描述如下所示:

3 試驗(yàn)

首先做協(xié)調(diào)器開關(guān)試驗(yàn),檢測開關(guān)燈效率；然后檢測試驗(yàn)標(biāo)注下的路燈控制系統(tǒng)的群體決策的性能。

3.1 協(xié)調(diào)器開關(guān)燈試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的協(xié)調(diào)器開關(guān)燈試驗(yàn),驗(yàn)證協(xié)調(diào)器開關(guān)燈方案的功能。本次試驗(yàn)中采用了一個(gè)主協(xié)調(diào)器、一個(gè)輔助協(xié)調(diào)器和八個(gè)路燈節(jié)點(diǎn),模擬一個(gè)小型的路燈方案。路燈節(jié)點(diǎn)分成兩排,路燈間距20 cm。

開始時(shí)所有的路燈節(jié)點(diǎn)都加入主協(xié)調(diào)器。關(guān)閉主協(xié)調(diào)器,模擬主協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障的情景方案。然后所有的路燈節(jié)點(diǎn)加入到輔助協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中。節(jié)點(diǎn)加入輔助協(xié)調(diào)器的時(shí)間消耗如圖4所示,水平軸表示測試的次數(shù),垂直軸表示八盞路燈節(jié)點(diǎn)加入輔助協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間,平均時(shí)間是33.62 s。重新加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間反映了協(xié)調(diào)器開關(guān)燈效率。對于像路燈這種無停電工作模式來說,這一性能是非常重要的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重建的時(shí)間越短越好。

圖4 節(jié)點(diǎn)加入輔助協(xié)調(diào)器的時(shí)間消耗圖Fig.4 The time consumption for the node joining into the auxiliary coordinator

3.2 群體決策

我們設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)來驗(yàn)證群體決策方法。本試驗(yàn)采用了一個(gè)協(xié)調(diào)器和八個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)。在協(xié)調(diào)器中設(shè)置開燈投票數(shù)的極限值是50%。也就是說,開燈投票數(shù)大于4時(shí),協(xié)調(diào)器將對所有的路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送開燈的命令。

試驗(yàn)過程中,用物體遮蓋住光敏傳感器。在10 s時(shí),遮蓋住其中的兩個(gè)光敏傳感器；在20 s時(shí),遮蓋住其中的三個(gè)光敏傳感器。在這兩種情形下,所有的路燈節(jié)點(diǎn)都沒有開,因?yàn)殚_燈的投票數(shù)小于預(yù)設(shè)值。我們把這些情形看做是周圍環(huán)境干擾因素。所以協(xié)調(diào)器在受到干擾的情況下,沒有對所有的路燈節(jié)點(diǎn)做出錯(cuò)誤的控制。在30 s時(shí),遮蓋住其中的五個(gè)光敏傳感器。這時(shí),開燈的投票數(shù)大于預(yù)設(shè)值,協(xié)調(diào)器向所有的路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送開燈控制命令。當(dāng)我們將其中的兩個(gè)光敏傳感器的遮蓋物移走之后,在40 s時(shí),協(xié)調(diào)器向所有的路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)燈命令。

這個(gè)路燈系統(tǒng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了群體決策方法可以應(yīng)用到自動路燈控制系統(tǒng)中。根據(jù)螞蟻群選取新巢地址的原理可知,群體個(gè)數(shù)的數(shù)量越多,最終的決策結(jié)果就越準(zhǔn)確。因此,我們可以得出這樣一個(gè)結(jié)論:隨著路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不斷的增加,開關(guān)燈決策的正確性就更加準(zhǔn)確。在以后的工作中,我們將會對大規(guī)模的路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)[6-7]。

4 結(jié)束語

本文提出了一個(gè)自動路燈控制系統(tǒng)。受到像動物和昆蟲的組織模型的啟發(fā),提出了由一個(gè)主協(xié)調(diào)器、一個(gè)輔助協(xié)調(diào)器和一些路燈節(jié)點(diǎn)組成群體結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。裝有光敏傳感器的路燈節(jié)點(diǎn)通過與其他的路燈節(jié)點(diǎn)相互通信合作做出開關(guān)燈投票決定。群體決策的投票決策方法可以克制因?yàn)閭€(gè)別路燈節(jié)點(diǎn)做出的錯(cuò)誤判斷,同樣可以提高反干擾能力和路燈控制系統(tǒng)的智能化水平。路燈協(xié)調(diào)器收集開關(guān)燈的投票信息,最終向所有的路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送開關(guān)燈的控制命令。當(dāng)主協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障時(shí),輔助協(xié)調(diào)器可以代替主協(xié)調(diào)器作為新的主協(xié)調(diào)器。本文檢測了光敏傳感器的性能。協(xié)調(diào)器的開關(guān)燈和群體決策的功能都通過相關(guān)試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。

[1] 呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[2] 楊雷.群體決策理論與應(yīng)用[M].北京:經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社,2004.

[3] 楊善林.智能決策方法與智能決策支持系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[4] 林方鍵,胥布工.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)[J].控制工程,2009,16(3):18-20.

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Application of Group Decision-making in Intelligent Street Lighting Control System

Currently,most of the urban street lights in our country are controlled timely or by photosensitive control,so the street illustration is susceptible to interference.In accordance with this condition,the intelligent street lighting control system based on ZigBee and group decisionmaking is proposed.Through ZigBee wireless sensor network,the street lighting node sends the voting information of turning on the lights to the coordinator in street light group.The coordinator analyses the data by using the principle of group decision making,if the voting information of turning on the lights exceeds the preset limit,the coordinator transmits the command of turning on to all the lights.The tests indicate that the group decision-making solves the problems of timely control and photosensitive control,and improves the intellectual level of the street light control system.

ZigBee Intelligent street lamp Group decision-making Photosensor Wireless sensor network(WSN)

TP273

A

修改稿收到日期:2013-07-25。

殷文龍(1988-),男,現(xiàn)為南京工業(yè)大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事建筑智能化方向的研究。