傅曉明，柴廣躍，鐘海濤，田勁東，劉 文

(1.深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，廣東 深圳 518060;2.深圳市LED熱管理與故障分析評(píng)估公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，廣東 深圳 518060)

基于ZigBee的LED智能照明定位應(yīng)用研究

傅曉明1，2，柴廣躍1，2，鐘海濤2，田勁東1，2，劉 文1，2

(1.深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，廣東 深圳 518060;2.深圳市LED熱管理與故障分析評(píng)估公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，廣東 深圳 518060)

本文主要研究基于ZigBee的LED智能照明系統(tǒng)的定位服務(wù)技術(shù)方案。在不增加每盞燈硬件成本的前提下,通過(guò)建立RSSI值測(cè)距模型，優(yōu)化定位算法和設(shè)計(jì)ZigBee定位節(jié)點(diǎn)程序，使得用戶(hù)可以使用LED燈進(jìn)行物理信息的處理。用戶(hù)可以對(duì)LED照明智能控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)定位等功能。

智能照明；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；定位；RSSI；LED

引言

隨著“三網(wǎng)合一”、“三屏合一”的概念不斷被提出[1]，人們?cè)絹?lái)越熱衷于智能化的生活?；赯igBee的LED智能照明技術(shù)將照明系統(tǒng)與智能控制、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、終端設(shè)備以及應(yīng)用程序完全地整合起來(lái)[2]。通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使得用戶(hù)不僅能通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)的方式對(duì)燈光進(jìn)行隨心所欲的設(shè)置和操控，如根據(jù)個(gè)人的偏好設(shè)置對(duì)應(yīng)的燈光情景模式，或者為不同的時(shí)刻設(shè)置自己喜愛(ài)的照明效果，還可以使用該網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)與信息。同時(shí)，利用ZigBee的射頻特性輔之以相應(yīng)的定位算法，更可使該系統(tǒng)擴(kuò)展到定位、導(dǎo)航領(lǐng)域，特別適合于屏蔽衛(wèi)星導(dǎo)航的室內(nèi)定位服務(wù)的需求，如機(jī)場(chǎng)大廳、超市、餐飲、圖書(shū)館、倉(cāng)庫(kù)等需要定位服務(wù)的環(huán)境，在提供位置信息的同時(shí)還可推送需要的信息。

1 系統(tǒng)方案概述

本文所述系統(tǒng)的基本原理為通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈具的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)管，同時(shí)利用ZigBee無(wú)線(xiàn)射頻信號(hào)的強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的初步定位，并借助云網(wǎng)端實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”的智能互聯(lián)照明控制系統(tǒng)[3]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器、路由器、終端模塊以及PC上位機(jī)、手機(jī)Android客戶(hù)端和Web服務(wù)器。

ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口USB數(shù)據(jù)線(xiàn)連接PC端口作為網(wǎng)關(guān)，一方面作為PC上位機(jī)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收發(fā)送裝置，實(shí)現(xiàn)PC上位機(jī)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信。另一方面，ZigBee網(wǎng)關(guān)還兼顧互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信橋梁，實(shí)現(xiàn)手機(jī)Android客戶(hù)端通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)超遠(yuǎn)程接入照明控制系統(tǒng)。

ZigBee路由器則協(xié)助和搜索其它設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并作為數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)的中繼通信設(shè)備，能無(wú)限擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)范圍。本文所述系統(tǒng)中，ZigBee路由器還將作為照明燈具的指令接收器。用戶(hù)將可以根據(jù)個(gè)人的偏好，通過(guò)PC上位機(jī)由網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令至各個(gè)路由器，設(shè)置對(duì)應(yīng)的燈光模式。

ZigBee終端將作為定位節(jié)點(diǎn)，搜索附近最優(yōu)ZigBee路由器，計(jì)算最優(yōu)RSSI值，轉(zhuǎn)換成距離值，通過(guò)定位算法計(jì)算定位坐標(biāo)。

PHP服務(wù)器通過(guò)WebSocket協(xié)議與PC端的實(shí)現(xiàn)云連接，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的通信，則手機(jī)客戶(hù)端可以介入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，長(zhǎng)距離的監(jiān)控照明系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The system structure

2 基于RSSI定位算法研究

目前，GPS全球定位計(jì)算是最受歡迎的定位技術(shù)，但該技術(shù)主要用于室外定位，同時(shí)GPS接收器在室內(nèi)工作時(shí)，將受建筑物阻擋影響而大大衰減[4]。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)的短距離、自組網(wǎng)、低功耗的特點(diǎn)[5]，在室內(nèi)定位受到廣泛的關(guān)注。本文基于RSSI測(cè)距定位原理[6]，通過(guò)已知發(fā)射端的信號(hào)發(fā)送功率和接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度值計(jì)算，得出無(wú)線(xiàn)信號(hào)在傳播過(guò)程中傳播損耗的函數(shù)關(guān)系，然后使用經(jīng)驗(yàn)信號(hào)傳播模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，最后采用分布式定位算法計(jì)算定位坐標(biāo)。

2.1建立RSSI值的測(cè)距模型

在無(wú)信號(hào)增益的理想情況下，信號(hào)的傳播損耗有一定的理論模型，本文重點(diǎn)研究的測(cè)距模型是長(zhǎng)期衰弱模型[7]，該模型衰減公式如式(1)所示：

其中n是信號(hào)傳播損耗指數(shù)，Xσ表示一個(gè)均值為0的服從高斯分布的隨機(jī)指數(shù)，d0表示距離為1 m，Pd0就是對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度值，記為A，令A(yù)=Pd0+Xσ，Pd的值實(shí)際可用RSSI(d)表示[8]。在實(shí)際測(cè)量中，公式(1)最終在室內(nèi)環(huán)境的傳播關(guān)系模型[9]化為

式(1)式(2)給出了室內(nèi)環(huán)境中無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播的RSSI值與距離d的理論關(guān)系模型，其中A為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值[10]，被定義為離發(fā)送端距離1 m時(shí)接收到的平均信號(hào)強(qiáng)度值，n為與環(huán)境相關(guān)的路徑傳輸常數(shù)。

2.2基于RSSI測(cè)距的定位算法

建立RSSI的測(cè)距模型后，接著就是利用獲得的測(cè)量距離和已知的參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)三邊測(cè)量法[11]計(jì)算定位坐標(biāo)。已知坐標(biāo)A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)的三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，假設(shè)定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)D(x,y), 各參考節(jié)點(diǎn)到定位節(jié)點(diǎn)的距離分別是da、db、dc,分別以這三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)為圓心，畫(huà)半徑為da、db、dc的三個(gè)圓，在理想的情況下三個(gè)圓交于定位節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。那么三邊測(cè)量法的公式如下：

由方程(3)可得到

圖2 三邊測(cè)量法原理圖Fig.2 Principle of three-bonier measurement

三邊測(cè)量法是應(yīng)用在三個(gè)圓相交于一點(diǎn)的理想情況下，但是在實(shí)際應(yīng)用情況下，由于測(cè)距誤差和環(huán)境干擾等問(wèn)題，三圓并不能交于一點(diǎn)，這時(shí)若再使用三邊測(cè)量法將會(huì)出現(xiàn)無(wú)解[12]的情況，所以本文采用分布式的方法[13]來(lái)計(jì)算定位坐標(biāo)，其過(guò)程如下。

步驟一：以這三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)為圓心，以RSSI測(cè)距距離為半徑畫(huà)圓，此時(shí)每?jī)蓚€(gè)圓之間的位置關(guān)系可能是以下3種情形：沒(méi)有交點(diǎn)即兩圓相離、有一個(gè)交點(diǎn)即兩圓相切、有兩個(gè)交點(diǎn)即兩圓相交。原理如圖3所示。

步驟二：先對(duì)以參考節(jié)點(diǎn)A、B為圓心的兩圓位置關(guān)系進(jìn)行分析，當(dāng)這兩圓相離時(shí)，則可認(rèn)為定位節(jié)點(diǎn)的其中一個(gè)相關(guān)位置在兩圓心連線(xiàn)上，則定位節(jié)點(diǎn)D的相關(guān)位置DAB在線(xiàn)段AB上，且|ADAB|∶|DABB|=dA∶dB；當(dāng)兩圓相切時(shí)，則該切點(diǎn)就是定位節(jié)點(diǎn)D的相關(guān)位置DAB；當(dāng)兩圓相交時(shí)，以第三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)C作為參考，取其中一個(gè)靠近參考節(jié)點(diǎn)C的交點(diǎn)作為定位節(jié)點(diǎn)D的相關(guān)位置DAB。

步驟三：然后再分別以參考節(jié)點(diǎn)A、C和參考節(jié)點(diǎn)B、C為圓心，重復(fù)步驟二，對(duì)兩圓的位置關(guān)系進(jìn)行分析，確定出定位節(jié)點(diǎn)D在AC圓心連線(xiàn)上的相關(guān)位置DAC和在BC圓心連線(xiàn)上的相關(guān)位置DBC。

步驟四：在理想情況下這三個(gè)相關(guān)位置是相交于同一點(diǎn)，但是實(shí)際情況下并不重合，那么這三個(gè)點(diǎn)所圍成三角形的質(zhì)心坐標(biāo)則為定位節(jié)點(diǎn)D的定位估計(jì)坐標(biāo)。設(shè)OAB、OAC、OBC的坐標(biāo)分布為(xAB,yAB)、(xAC,yAC)、(xBC,yBC)，則定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值如下式：

從以上定位過(guò)程中可看出，先計(jì)算出定位節(jié)點(diǎn)的三個(gè)相關(guān)位置，再根據(jù)相關(guān)位置獲取定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，很好的適應(yīng)定位過(guò)程中的各種情況，提高定位精度。

圖3 分布定位算法原理圖Fig.3 Principle of Distributed Localization Algorithm

2.3算法仿真與結(jié)果分析

本小節(jié)將利用MATLAB模擬室內(nèi)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)加權(quán)質(zhì)心定位算法、三邊測(cè)量法和分步定位法進(jìn)行模擬仿真，并分析各個(gè)算法的定位誤差。假設(shè)測(cè)試環(huán)境在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)，100個(gè)參考節(jié)點(diǎn)均勻的分布在此區(qū)域內(nèi)，參考節(jié)點(diǎn)用黑實(shí)點(diǎn)表示，定位節(jié)點(diǎn)用星號(hào)表示。并引入一定的室內(nèi)環(huán)境噪聲干擾，其中參考節(jié)點(diǎn)與定位節(jié)點(diǎn)的RSSI測(cè)距距離是RSSI值通過(guò)加入高斯噪聲后模擬的。同時(shí)，對(duì)50個(gè)隨機(jī)的定位坐標(biāo)分別采用三種定位算法來(lái)進(jìn)行模擬仿真計(jì)算出實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)，并將結(jié)果與實(shí)際的定位坐標(biāo)進(jìn)行誤差分析。三邊測(cè)量定位仿真結(jié)果如圖4所示，加權(quán)質(zhì)心定位仿真結(jié)果如圖6所示，分步定位仿真仿真結(jié)果如圖8所示，誤差分布結(jié)果如圖9所示。

圖4 三邊測(cè)量定位仿真分布圖Fig.4 The simulation map of trilateration localization

圖5 加權(quán)質(zhì)心定位仿真分布圖Fig.5 The simulation map of Weighted Centroid Localization

圖6 分布式定位仿真分布圖Fig.6 The simulation map of Distributed Localizati

圖7 三種定位算法的定位誤差統(tǒng)計(jì)圖Fig.7 The statistical grap of three kinds of the mobile localizationalgorithm

由仿真結(jié)果可得，采用三邊測(cè)量法測(cè)得的定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置會(huì)比較分散，與實(shí)際坐標(biāo)位置偏離較遠(yuǎn)。這是因?yàn)?，三邊測(cè)量法受環(huán)境影響最大，當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度所擬定的三圓不能交于一點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)解的情況，造成計(jì)算出的定位坐標(biāo)誤差大。

而采用分布式定位算法結(jié)果會(huì)比其他定位方法穩(wěn)定，定位結(jié)果最為接近實(shí)際的定位坐標(biāo)。其主要是因?yàn)榉植级ㄎ凰惴ㄊ紫冗x取待測(cè)定位節(jié)點(diǎn)最近的3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，并利用利用3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)中的2個(gè)，求出定位節(jié)點(diǎn)的3個(gè)相關(guān)位置，再求出3個(gè)相關(guān)位置的中心，即定位坐標(biāo)位置，這樣能減少了環(huán)境噪聲帶來(lái)的誤差，同時(shí)引入高斯模型能減小接收信號(hào)的波動(dòng)性，也減少了一定的誤差，有效的提高了定位精度，不過(guò)缺點(diǎn)是二次方程的求解過(guò)程計(jì)算量較大。

3 基于ZigBee的LED智能照明的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)定位算法的研究，在ZigBee智能照明的基礎(chǔ)上增加定位應(yīng)用服務(wù)，其布局結(jié)構(gòu)如圖8所示。網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口連接PC端，負(fù)責(zé)PC端的數(shù)據(jù)發(fā)送接收裝置。路由器作為參考節(jié)點(diǎn)是已知坐標(biāo)信息的節(jié)點(diǎn)，用于記錄與定位節(jié)點(diǎn)的RSSI值數(shù)據(jù)。終端作為定位節(jié)點(diǎn)，獲取附近參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和RSSI值，計(jì)算自己的坐標(biāo)值，發(fā)送至PC端，并通過(guò)PC上位機(jī)動(dòng)態(tài)顯示出定位情況。

圖8 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The positioning system architecture

3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器在本系統(tǒng)中，通過(guò)廣播的方式發(fā)送位置查詢(xún)信息請(qǐng)求至定位節(jié)點(diǎn)，定位節(jié)點(diǎn)接收到該指令后開(kāi)始進(jìn)行定位計(jì)算，并把定位結(jié)果發(fā)送至PC端進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)定位坐標(biāo)的動(dòng)態(tài)顯示。協(xié)調(diào)器定位流程圖如圖9所示。

圖9 協(xié)調(diào)器定位流程圖Fig.9 The location flow chart of coordiantor

3.2參考節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

參考節(jié)點(diǎn)是已知坐標(biāo)值的節(jié)點(diǎn)，在定位測(cè)試環(huán)境中均勻分布，并提供自身的坐標(biāo)值以及發(fā)送最優(yōu)RSSI值給定位節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)在定位節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)，開(kāi)始記錄RSSI值，當(dāng)接收到定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求RSSI命令后，將收集到的RSSI值求最優(yōu)值后發(fā)送回定位節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)的定位流程如圖10所示。

圖10 參考節(jié)點(diǎn)的定位流程圖Fig.10 The location flow chart of referenced node

3.3定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

定位節(jié)點(diǎn)是要計(jì)算坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，一般需要三個(gè)或三個(gè)以上參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和與之對(duì)應(yīng)的RSSI值通過(guò)分布定位算法就可計(jì)算出定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。定位整體流程圖如圖11所示，其定位步驟如下：

圖11 定位整體流程圖Fig.11 The location flow chart

1)開(kāi)啟協(xié)調(diào)器，配置ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)PC端發(fā)送定位指令后，將發(fā)送至定位節(jié)點(diǎn)。定位節(jié)點(diǎn)會(huì)向網(wǎng)絡(luò)中廣播定位查詢(xún)請(qǐng)求。

2)定位節(jié)點(diǎn)接收到PC端發(fā)送來(lái)的定位指令后，開(kāi)始進(jìn)行廣播，在發(fā)送時(shí)只設(shè)置接收一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息和最優(yōu)RSSI值。

3)參考節(jié)點(diǎn)接收到定位節(jié)點(diǎn)的廣播信號(hào)后，開(kāi)始記錄該定位節(jié)點(diǎn)RSSI值，并進(jìn)行高斯概率模型處理，選擇出最優(yōu)的RSSI值。

4)定位節(jié)點(diǎn)廣播完成后，參考節(jié)點(diǎn)向定位節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI值和自身的坐標(biāo)信息。

5)定位節(jié)點(diǎn)將收到的參考節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行排序，從中選擇最優(yōu)的3個(gè),然后通過(guò)分布式定位算法計(jì)算出定位坐標(biāo)。定位節(jié)點(diǎn)的定位流程如圖12所示。

圖12 定位節(jié)點(diǎn)的定位流程圖Fig.12 The location flow chart of locating node

3.4PC上位機(jī)設(shè)計(jì)

PC上位機(jī)是通過(guò)Qt Creator 5.5進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，主要功能實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈具的智能控制、實(shí)時(shí)顯示照明燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、以及在自定義地圖上標(biāo)注定位節(jié)點(diǎn)位置信息和配置參考節(jié)點(diǎn)的位置信息等。

主界面如圖13所示，用于配置串口連接和web連接參數(shù)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)；照明界面如圖14所示，可以實(shí)現(xiàn)單燈控制、全局控制、256級(jí)PWM調(diào)光以及實(shí)施顯示燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；自定義地圖定位界面如圖15所示，當(dāng)對(duì)參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置后，參考節(jié)點(diǎn)將以黃點(diǎn)顯示在自定義地圖上，同時(shí)定位節(jié)點(diǎn)獲取其定位坐標(biāo)后將以紅點(diǎn)顯示在地圖上。

圖13 主界面示意圖Fig.13 Home screen

圖14 智能照明控制界面Fig.14 The intelligent lighting control interface

圖15 自定義地圖界面Fig.15 User interface of custom map

4 實(shí)驗(yàn)與分析

通過(guò)對(duì)基于ZigBee的智能照明系統(tǒng)的拓展，完善定位功能，變得更加全面，更加智能。本章將通過(guò)實(shí)踐，本章重點(diǎn)對(duì)定位功能進(jìn)行模擬測(cè)試和誤差分析。

圖17 CC2530最小系統(tǒng)原理圖Fig.17 The schematic diagram of the CC2530 minimum-system

4.1基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建

本文所述定位服務(wù)，主要應(yīng)用于較大的室內(nèi)環(huán)境，如圖書(shū)館、超市、辦公樓等。在本節(jié)模擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，為了能實(shí)地測(cè)試本系統(tǒng)的基于ZigBee智能照明系統(tǒng)的定位服務(wù)，在有了第2節(jié)的理論支持以及定位算法模擬仿真的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證該定位服務(wù)的可行性。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選取本實(shí)驗(yàn)樓的會(huì)議室。設(shè)置如下：將PC機(jī)連接ZigBee協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)關(guān)，用于發(fā)射ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而ZigBee模塊將放置在同一水平面上的兩側(cè)，充當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)并設(shè)置相應(yīng)的坐標(biāo)位置信息。同時(shí)，定位終端用紐扣電池供電，作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。如圖16所示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖16 定位實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地實(shí)景圖Fig.16 The real map of experiment for site simulation

4.2實(shí)驗(yàn)硬件介紹

本實(shí)驗(yàn)選用了具有高性能的RF收發(fā)優(yōu)點(diǎn)的CC2530片上系統(tǒng)作為ZigBee模塊。并將CC2530的最小系統(tǒng)分離出來(lái)成為單獨(dú)的模塊，貫徹模塊化思想。這樣不僅便于進(jìn)行功能的拓展，也有利于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊的電路設(shè)計(jì)原理圖和最小系統(tǒng)成品圖如圖17和圖18所示。

圖18 CC2530最小系統(tǒng)模塊Fig.18 CC2530 microcomputer system module

而驅(qū)動(dòng)電源電路采用兩級(jí)電路設(shè)，第一級(jí)采用QX1510驅(qū)動(dòng)芯片電路方案對(duì)220 V交流電源進(jìn)行濾波整流，完成AC/DC的電源轉(zhuǎn)換，向外提供兩路恒壓輸出，分別是9 V和43 V。9 V輸出經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換向CC2530模塊和LED控制模塊QX9920芯片提供電源。第二級(jí)電路將45 V恒壓輸出通過(guò)QX9920調(diào)制芯片轉(zhuǎn)換為恒流輸出，CC2530模塊的IO口輸出PWM信號(hào)到LED恒流驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的調(diào)光和控制，其框架圖如圖19所示，實(shí)物如圖20所示。

4.3系統(tǒng)定位功能測(cè)試

4.3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

利用4.1節(jié)搭建好的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，在能實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)燈控的情況下，模擬室內(nèi)定位的過(guò)程，并進(jìn)行定位信息數(shù)據(jù)的采集和誤差分析，并將所設(shè)置好的坐標(biāo)載入各個(gè)ZigBee模塊中，存入位置坐標(biāo)信息，其坐標(biāo)系建立如圖21所示，參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)置如表1所示，此時(shí)PC上位機(jī)地圖如圖22所示，同時(shí)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放置于一確定點(diǎn)P(5,7)。

圖19 驅(qū)動(dòng)電源框架圖Fig.19 The frame of driving power

圖20 驅(qū)動(dòng)電源Fig.20 Driving power

表1 參考節(jié)點(diǎn)的位置分布

圖21 坐標(biāo)系建立Fig.21 Coordinate System

圖22 地圖顯示界面Fig.22 The display interface of map

組網(wǎng)成功后開(kāi)始定位測(cè)試，定位節(jié)點(diǎn)根據(jù)圖12定位流程圖運(yùn)行，參考節(jié)點(diǎn)將采集的RSSI信息發(fā)送至定位節(jié)點(diǎn)，定位節(jié)點(diǎn)再將RSSI值轉(zhuǎn)化距離值,然后通過(guò)分布定位算法計(jì)算出模擬坐標(biāo)P1(6.2,7.9)。PC上位機(jī)定位顯示界面圖如圖23所示。

圖23 定位效果圖Fig.23 Location map

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析誤差，將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分別放置在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)多個(gè)確定點(diǎn)，并記錄實(shí)際坐標(biāo)和定位算法所得坐標(biāo)，最后將定位算法所得坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)MATLAB將這多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖24所示。

圖24 定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.24 The results of postion test

4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)際模擬室內(nèi)環(huán)境的測(cè)試可以得其誤差保持在2～3 m之間，與采用Matlab進(jìn)行室內(nèi)定位的仿真結(jié)果相近，計(jì)算得到的定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)可以不錯(cuò)的反映出定位節(jié)點(diǎn)所在的位置。雖然基本實(shí)現(xiàn)了定位功能，完成了設(shè)計(jì)要求，但定位效果仍不理想，造成誤差的原因有以下幾個(gè)：

1)用戶(hù)實(shí)時(shí)定位時(shí)，動(dòng)態(tài)的移動(dòng)測(cè)試誤差比靜態(tài)的等待定位結(jié)果平穩(wěn)下來(lái)的誤差要大，因?yàn)橐恢钡囊苿?dòng)會(huì)影響到RSSI測(cè)距的準(zhǔn)確性，而且手持定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量有時(shí)也是會(huì)遮蔽信號(hào)或者造成多徑效應(yīng)。

2)定位實(shí)驗(yàn)環(huán)境的復(fù)雜因素和簡(jiǎn)化計(jì)算復(fù)雜度使得RSSI-d模型的建立不精確，A、n參數(shù)的選取導(dǎo)致距離測(cè)量存在誤差。

3)定位算法的采用，參考節(jié)點(diǎn)的密集數(shù)量和天線(xiàn)的放置也有很大的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以基于ZigBee的LED智能照明控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用ZigBee技術(shù)的低功耗、低成本、自組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在不增加硬件成本的前提下擴(kuò)展出定位功能。對(duì)無(wú)線(xiàn)測(cè)距定位計(jì)算中的RSSI定位算法進(jìn)行了初步研究，通過(guò)對(duì)信號(hào)傳播損耗模型中的參數(shù)A和n值的優(yōu)化及采用分布定位算法，減小了測(cè)距和坐標(biāo)計(jì)算的誤差，提升了LED智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

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ResearchontheApplicationofLEDIntelligentLightingPositioningBasedonZigBee

FU Xiaoming1,2, CHAI Guangyue1,2, ZHONG Haitao2, TIAN Jindong1,2, LIU Wen1,2
(1.OptoelectronicEngineeringInstitute,ShenzhenUniversity，Shenzhen518060，China; 2.ShenzhenPublicTechnicalServicePlatformForLEDThermalManagement&FailureAnalysis,ShenzhenUniversity，Shenzhen518060，China)

LED intelligent lighting system based on ZigBee location-based services is studied. RSSI values ranging model is built without increasing cost of per lamp hardware to optimize localization algorithm and ZigBee locating node program, allowing users process physical information with LED lights. Users can control the LED lighting intelligently, and simultaneously, realizing its location function and etc.

intelligent lighting; ZigBee network; location; RSSI； LED

TP274.2

B

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.008

廣東省重大科技項(xiàng)目資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2014B010120004)；深圳市重大產(chǎn)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)JSGG20140519105124218)