劉 峰， 胡黃水＊， 常玉琪， 王 博

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

0 引 言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)及無(wú)線通信的進(jìn)步，無(wú)線傳感器／執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor and Actuator Networks，WSAN）發(fā)展迅速。一個(gè)傳感器／執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)是由無(wú)線鏈路互聯(lián)的傳感器與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成的分布式系統(tǒng)［1－2］。利用傳感器節(jié)點(diǎn)的感測(cè)數(shù)據(jù)，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。無(wú)線傳感器／執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域［3－5］。

近年來(lái)，無(wú)線傳感器／執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)逐漸應(yīng)用于智能燈控系統(tǒng)［6－8］。文獻(xiàn)［6］提出一個(gè)考慮用戶活動(dòng)和照度需求的燈控系統(tǒng)，并提出相應(yīng)的算法來(lái)控制照明設(shè)備以滿足用戶要求。文獻(xiàn)［7］提出的燈控方法中定義代價(jià)函數(shù)和用戶需求，通過優(yōu)化能量代價(jià)函數(shù)提高照明設(shè)備的能量利用率，但該方法主要應(yīng)用于娛樂、媒體等領(lǐng)域。文獻(xiàn)［8］考慮用戶需求和能量消耗之間的平衡關(guān)系，采用效用函數(shù)對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)以便系統(tǒng)效能最優(yōu)化。然而，文中并沒有考慮用戶在不同活動(dòng)時(shí)需要不同的亮度。從而可以看出，以上研究需要預(yù)先知道用戶當(dāng)前的位置，因此需要額外的定位機(jī)制。文獻(xiàn)［9］的燈控系統(tǒng)通過給每個(gè)用戶配備照度傳感器來(lái)測(cè)量其當(dāng)前所在位置的照度，并采用不同的決策來(lái)控制全局或局部照明設(shè)備，以滿足用戶要求和節(jié)省能量。然而實(shí)際應(yīng)用中給每個(gè)用戶配備傳感器并不可行，當(dāng)用戶數(shù)量大時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量復(fù)雜度很高。

比起不同用戶需要不同的照度，不同工作面位置需要不同的照度更切合實(shí)際。因此，文中通過在不同位置部署傳感器來(lái)控制相應(yīng)的照明設(shè)備，在滿足不同位置照度需求的同時(shí)降低系統(tǒng)的能量消耗。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖中執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)為可控的照明設(shè)備，其和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)建成一個(gè)無(wú)線傳感器／執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)將感測(cè)到的照度信息通過匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸給控制主機(jī)，控制主機(jī)根據(jù)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并做出相應(yīng)決策，傳達(dá)給執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。

1 系統(tǒng)模型

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦饕怯赏負(fù)錁?gòu)建和拓?fù)渚S護(hù)兩部分組成。最初的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化拓?fù)浣⒑螅W(wǎng)絡(luò)開始執(zhí)行它所指定的任務(wù)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)所包含的每一個(gè)行為如數(shù)據(jù)處理、感測(cè)和傳輸?shù)榷夹枰哪芰?，則隨著時(shí)間的推移，當(dāng)前的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳辉偬幱谧顑?yōu)運(yùn)行狀態(tài)，因此需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)使其重新保持最優(yōu)或接近最優(yōu)狀態(tài)。

從圖1中可見，燈控系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成。設(shè)燈控系統(tǒng)有n個(gè)傳感器，分別為S1，S2，…Sn，m個(gè)執(zhí)行器D1，D2，…，Dm，也稱為照明設(shè)備，所有照明設(shè)備可控且為“點(diǎn)狀”光源。對(duì)任一i＝1，2，…，n，傳感器節(jié)點(diǎn)Si周期地向控制主機(jī)發(fā)送當(dāng)前的照度值Vi。對(duì)任一j＝1，2，…，m，照明設(shè)備Dj產(chǎn)生的光強(qiáng)度記為Cj，且滿足，其中分別為照明設(shè)備Dj的最小和最大光強(qiáng)值。

根據(jù)光的傳播屬性可知任一照明設(shè)備光強(qiáng)的變化與感測(cè)位置照度變化滿足線性關(guān)系［10］，即對(duì)某照明設(shè)備Dj和傳感器Si，有：

式中：ΔCj——Dj的光強(qiáng)變化值；

ΔLi——Si的照度變化值；

wi，j——Dj對(duì)Si的權(quán)值。

從式（1）可知，根據(jù)ΔLi及ΔCj就能計(jì)算到權(quán)值wi，j。如令D1增加10坎，測(cè)量到S1的照度增加2lx，則可得。因此，很容易通過照明設(shè)備Dj的光強(qiáng)變化量來(lái)決定某位置的照度。

由照度可加性，可知傳感器Si感測(cè)的照度Vi為自然光照度和照明設(shè)備照度之和，即：

燈控系統(tǒng)的目標(biāo)為滿足不同位置照度需求時(shí)能耗最小。可描述為：

滿足式（3）和式（4）條件時(shí)，使得下式成立：

式中：Rmini、Rmaxi——分別為所需求照度的最小、最大值。

2 照明設(shè)備控制

當(dāng)某一位置的照度不滿足需求時(shí)，觸發(fā)照明設(shè)備控制過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖

圖中，控制策略根據(jù)權(quán)值wi，j、各個(gè)照明設(shè)備的光強(qiáng)值范圍和、照度范圍和來(lái)計(jì)算滿足所有位置照度要求時(shí)的各個(gè)照明設(shè)備的光強(qiáng)，并使系統(tǒng)的能耗最小，也就是說計(jì)算所有照明設(shè)備的光強(qiáng)，使它們滿足式（3）和式（4），且達(dá)到目標(biāo)式（5）。

顯然，這是一個(gè)線性規(guī)劃問題。首先將式（3）～式（5）化為線性規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)形式，然后可通過單純形法［9］來(lái)計(jì)算，并求出最優(yōu)解Cj。

以場(chǎng)景來(lái)說明控制決策過程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)場(chǎng)景示例

已知照明設(shè)備D1、D2的光強(qiáng)范圍分別為［0，3 000］，且其初始值都為0，即ΔC1＝C1，ΔC2＝C2。傳感器S1、S2的照度需求范圍分別為700］，兩個(gè)位置的自然光照度都為100lx。D1、D2對(duì)S1、S2的權(quán)值分別為：w1.1＝0.2，w1.2＝0.4，w2.1＝0.4，w2.2＝0.3。令x1＝C1，x2＝C2，分別代入式（3）、式（4）和式（5）。則目標(biāo)為：

約束條件為：

接下來(lái)采用單純形法來(lái)求解。首先將其化為如下的線性規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)形。

采用大M法構(gòu)建基礎(chǔ)可行解，并進(jìn)行迭代，可得x1＝700，x2＝400。即C1＝700，C2＝400，此時(shí)照明設(shè)備光強(qiáng)最小值為1 100坎。

3 仿真測(cè)試

采用MATLAB仿真工具，在10×10m2和20×20m2空間內(nèi)分別部署5×5和9×9個(gè)可控照明設(shè)備，對(duì)任一的照明設(shè)備i，有＝3 000。不同位置的照度需求范圍見表1。

表1 照度需求范圍

接下來(lái)分別測(cè)量以上兩種情況下不同傳感器數(shù)量時(shí)系統(tǒng)的平均能量消耗，并和每個(gè)照明設(shè)備采用固定光強(qiáng)（PIX）進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)能量消耗

從圖中可見，文中所提出的算法LPM在滿足不同位置照度要求的同時(shí)，能量效率最高。且隨著照明設(shè)備和傳感器增多，同樣具有最好的效能，表明其具有良好的系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過提出一種智能的燈光控制系統(tǒng)，對(duì)不同位置所需的照度不同進(jìn)行考慮，并通過線性規(guī)劃來(lái)控制照明設(shè)備。在不同的場(chǎng)景下對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真測(cè)試，結(jié)果表明，文中所提出的智能燈控系統(tǒng)的能量效率相對(duì)于固定光強(qiáng)較高，且具有良好的系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

［1］ 曹向輝.無(wú)線傳感器／執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與算法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.

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