基于綜合度量聚類的LED路燈控制系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng)方法研究及其應(yīng)用

耿曉明，文玉梅，劉祥明

(1.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶　400044; 2.重慶四聯(lián)光電科技有限公司,重慶　400711)

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基于綜合度量聚類的LED路燈控制系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng)方法研究及其應(yīng)用

耿曉明1,2，文玉梅1，劉祥明2

(1.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶400044; 2.重慶四聯(lián)光電科技有限公司,重慶400711)

隨著近年LED路燈照明產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，LED路燈控制系統(tǒng)也在飛速發(fā)展.對(duì)于使用ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，在其系統(tǒng)組網(wǎng)過程中，底層Mash網(wǎng)絡(luò)的分簇一直靠人工進(jìn)行，需要反復(fù)嘗試，且控制效果不佳。本文從環(huán)境對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)綜合影響和聚類分析出發(fā)，提出一種基于綜合度量聚類的LED路燈控制系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng)方法。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用效果證明，在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較空曠的情況下，該聚類方法能夠較好的根據(jù)路燈終端節(jié)點(diǎn)的分布和使用環(huán)境自動(dòng)計(jì)算集中器的布局位置，可以有效降低系統(tǒng)組網(wǎng)難度，減少工作量和施工成本。

LED路燈；照明系統(tǒng); 組網(wǎng); ZigBee網(wǎng)絡(luò); 聚類分析

LED光源與傳統(tǒng)照明光源相比，具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前，隨著LED照明光源的發(fā)展，LED照明在傳統(tǒng)照明市場(chǎng)的滲透率逐步提升，國(guó)家也積極推出各種優(yōu)惠政策促進(jìn)中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展，作為政府主導(dǎo)的市政路燈照明成為L(zhǎng)ED的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。LED光源的可控性較好，且由于政府對(duì)節(jié)能和管理方面的要求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，誕生出LED路燈照明控制系統(tǒng)[1-2]，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)的LED路燈照明控制系統(tǒng)參照物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)[3]，采用四層的分層結(jié)構(gòu)，包括節(jié)點(diǎn)層、集中層、服務(wù)層和應(yīng)用層[4-5]，其節(jié)點(diǎn)層和集中層分布在LED照明現(xiàn)場(chǎng)，而服務(wù)層的各種服務(wù)器和防火墻在服務(wù)器機(jī)房，應(yīng)用層的配置客戶端和操作客戶端部署在控制室，應(yīng)用層還提供Web接入以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于LED路燈控制系統(tǒng)的路燈覆蓋面積可達(dá)幾十甚至上百平方公里，其數(shù)量可達(dá)數(shù)萬盞，導(dǎo)致ZigBee終端節(jié)點(diǎn)分布廣，需要組網(wǎng)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量大。集中器將這些覆蓋面廣和數(shù)量巨大的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)分割成一個(gè)個(gè)小的ZigBee子通訊網(wǎng)絡(luò)，減小甚至消除ZigBee子網(wǎng)絡(luò)相互之間的通訊干擾。通過集中器進(jìn)行ZigBee子通訊網(wǎng)絡(luò)分割的現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)工作目前主要由工程人員根據(jù)地理環(huán)境進(jìn)行，需要工程人員對(duì)照明現(xiàn)場(chǎng)地理環(huán)境比較熟悉，且勞動(dòng)強(qiáng)度巨大，需要反復(fù)嘗試，花費(fèi)周期較長(zhǎng)，同時(shí)工程人員的主觀因素也會(huì)影響到集中器部署位置，從而影響LED路燈照明控制系統(tǒng)的最終控制效果。鑒于此，作者提出一種基于綜合度量聚類的LED路燈控制系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng)方法，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度和組網(wǎng)周期，減少工程人員的主觀因素。

1　LED路燈控制系統(tǒng)組網(wǎng)

在LED路燈控制系統(tǒng)中，對(duì)整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2　 LED路燈照明控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2　Network structure of the LED streetlamp control system

圖2中，Server表示服務(wù)器，E1,…,Ei,…,Em表示m個(gè)集中器，Ti_1,…,Ti_ni表示集中器Ei的Ni個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。在此定義：

定義1給定n個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的集合T，使用m個(gè)集中器將集合T劃分為m個(gè)集合：

(1)

且m<

(2)

稱這種集合劃分的過程為L(zhǎng)ED路燈控制系統(tǒng)組網(wǎng)。

在此，需要一種方法找到覆蓋T的m個(gè)覆蓋區(qū)域，在覆蓋區(qū)域內(nèi)的合適位置安裝集中器，使得區(qū)域內(nèi)通訊效果較好，同時(shí)使不同區(qū)域之間的通訊干擾較小。本文以終端節(jié)點(diǎn)空間距離和通訊環(huán)境系數(shù)作為度量，用聚類分析方法，找出集合T的T1,…,Ti,…,Tm各個(gè)中心點(diǎn)作為集中器安裝點(diǎn)。

2　LED路燈控制系統(tǒng)的綜合度量聚類自動(dòng)組網(wǎng)

2.1聚類分析

聚類分析[7]，其研究對(duì)象是大量的樣品，根據(jù)“物以類聚”的原理，對(duì)樣本進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，能按各自的特性來進(jìn)行無先驗(yàn)知識(shí)情況下進(jìn)行合理的分類。聚類過程，將樣本分類到不同的類或者簇，使得同一個(gè)簇中的對(duì)象具有較大的相似性，而不同簇間的對(duì)象有較大的相異性。聚類分析在不同的應(yīng)用領(lǐng)域都得到了發(fā)展，常常用作描述數(shù)據(jù)、衡量不同數(shù)據(jù)源間的相似性以及把數(shù)據(jù)源分類到不同的簇中。常用的聚類分析方法主要有分裂法、層次法、基于密度的方法、基于網(wǎng)格的方法和基于模型的方法等。在本案例中，由于路燈控制終端的數(shù)量往往在較多的情況下，才需要采用自動(dòng)計(jì)算的方法，如果采用分裂法和層次法等運(yùn)算量較大，因此采用了k-medoids方法[6,8]。

聚類分析的核心要素，一方面是對(duì)象間的相似性度量，另一方面在于根據(jù)相似性度量搜索類或簇的過程。

2.2聚類組網(wǎng)

2.2.1相似度量

兩個(gè)對(duì)象間的相似性常以距離來度量，距離越近表示兩個(gè)對(duì)象相似性越高，反之，則相似性越低.假設(shè)有對(duì)象X=(X1,…,Xi,…,Xn)和Y=(Y1,…,Yi,…,Yn)，其中Xi和Yi表示對(duì)象X和Y第i分量，常用閔可夫斯基(Minkowski)距離函數(shù)度量X和Y間的相似性，Minkowski距離定義為

(3)

當(dāng)p=1、p=2和p→∞時(shí)，式(3)分別表示曼哈頓距離、歐氏距離和切比雪夫距離。

由于終端節(jié)點(diǎn)在平面上的分布，可以采用歐氏距離來度量?jī)蓚€(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間的空間距離，但是ZigBee節(jié)點(diǎn)有效通信距離還受到其它因數(shù)影響，如終端節(jié)點(diǎn)附近建筑、樹木遮擋、城市熱點(diǎn)WIFI和汽車等，在此引入環(huán)境綜合因子α，以表征環(huán)境對(duì)終端節(jié)點(diǎn)ZigBee通信的影響程度。則任意兩個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的距離度量，在此定義為：

(4)

同時(shí)，考慮到ZigBee節(jié)點(diǎn)有效通信距離不得超過一定值，則式(4)修正為：

(5)

式中，Threshold 表示最大有效通訊距離，用于限制簇的作用距離，在本案例中定義為1.2 km。

α的取值可以參考非視距鏈路損耗表達(dá)式：

(6)

其中，d0是近發(fā)射端的參考位置點(diǎn)，d為發(fā)送模塊與接收模塊之間的距離，PL(d0)是參考點(diǎn)處的鏈路損耗，為鏈路損耗指數(shù)，Xσ(dB)為陰影衰落，為零均值標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ的高斯分布。

信道鏈路損耗與所處的環(huán)境、工作頻段、工作距離有關(guān)，對(duì)于γ、σ、PL(d0=1m)，由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者在各頻段進(jìn)行了大規(guī)模的測(cè)試，并對(duì)參數(shù)值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析[9-13]，Sohrabi等人[10]給出了各種不同近地傳播條件下，800～1000 MHz頻率范圍內(nèi)，帶寬為200 MHz信號(hào)的測(cè)試結(jié)果。

表1　800～1000 MHz近地測(cè)量的平均路徑損耗、陰影方差和參考距離的路徑損耗范圍[10]

從表1可知，茂密的樹木對(duì)無線信號(hào)衰減影響是很大的。在路燈控制系統(tǒng)的實(shí)際安裝環(huán)境中，有很多路段綠化較好，道路兩旁樹林較多，且樹木高度與路燈高度相當(dāng)，將路燈和路燈控制終端埋在樹葉中，會(huì)導(dǎo)致無線信號(hào)衰減較大。同時(shí)，道路兩旁的建筑也是影響通訊信號(hào)的一個(gè)主要因素。

而在IEEE802.15.4a信道模型[12]中，也給出了(2～10)GHz無線通訊各種傳輸環(huán)境下各種修正因子的測(cè)量值。其中戶外場(chǎng)地的視距傳輸(LOS)情況下γ、σ、PL(d0=1m)分別為1.76、0.83、-45.6，非視距傳輸(NLOS)情況下分別為2.5、2、-73.0。

由于本算法無需對(duì)具體衰減值進(jìn)行詳細(xì)的求解，只需對(duì)信號(hào)衰減區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)單的劃分。因此，綜合考慮通訊模塊參數(shù)、路燈間距以及路燈被樹木遮擋的情況、附近建筑物的高度和密度等，結(jié)合上述測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)α的取值進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分類，如表2所示。

表2　環(huán)境綜合因子分檔

對(duì)于道路兩旁建筑物較密集且高度遠(yuǎn)高于路燈的環(huán)境不適合本算法。

2.2.2聚類算法

以式(4)定義的距離度量作為相似性度量，對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇，設(shè)簇的中心節(jié)點(diǎn)為Ei，亦即集中器的安裝位置，其數(shù)學(xué)描述為：

(7)

公式(7)表示從終端節(jié)點(diǎn)集合T中找到m個(gè)節(jié)點(diǎn)，及其m個(gè)不相交的終端節(jié)點(diǎn)子集合T1,T2,…,Ti,…,Tm，每個(gè)子集合Ti到Ei的相似度量之和使得DistTotal最小。

聚類算法流程，如圖3所示。

圖3　聚類算法流程圖Fig.3　Flow chart of clustering algorithm

聚類算法的詳細(xì)描述如下：

a. 設(shè)置起始簇?cái)?shù)目m=1，及其最大迭代次數(shù)maxstep的初始值；

c. 按式(5)計(jì)算T中每個(gè)節(jié)點(diǎn)Tj與E每個(gè)元素Ei的距離度量，將Tj劃分到具有最小距離值的Ei所在的簇中，從而形成m個(gè)簇；

e. 按式(7)計(jì)算距離之和dist；

f. 判斷當(dāng)前迭代次數(shù)大于等于大于最大迭代次數(shù)或各個(gè)中心不再變化，若是，則進(jìn)入下一步，否則，進(jìn)入步驟(c)；

g. 判斷是否滿足dist<∞，若不滿足，則更新簇的數(shù)目m=m+1，進(jìn)入步驟(b)，否則，進(jìn)入下一步；

重復(fù)上述步驟，最終得到m個(gè)集中器的安放位置及其對(duì)應(yīng)分簇。

3　仿真及實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)來源于重慶四聯(lián)光電科技有限公司，取用重慶市北碚區(qū)高速路出口的464個(gè)LED路燈終端節(jié)點(diǎn)的安裝位置，根據(jù)所在環(huán)境特征，其終端及其對(duì)應(yīng)的綜合因子α分布，如圖4所示。

圖4　終端節(jié)點(diǎn)及其綜合因子分布Fig.4　Distribution of terminals and comprehensive factors

圖4中，根據(jù)地理環(huán)境特征，將重慶市北碚區(qū)高速路出口分為3個(gè)區(qū)域：區(qū)域#1，以街道為主，因?yàn)榫G化較好，樹木遮擋較多，有部分燈具甚至藏在樹中，故區(qū)域內(nèi)所有終端節(jié)點(diǎn)的α=0.70；區(qū)域#2，以高速立交橋?yàn)橹鳎瑯淠菊趽踺^少，故區(qū)域內(nèi)綜合因子取值α=0.90；區(qū)域#3，有一定程度的樹木遮擋，在此區(qū)域內(nèi)綜合因子取值α=0.80。

根據(jù)上述終端節(jié)點(diǎn)及其綜合因子分布，分別按歐氏距離和綜合距離度量的聚類結(jié)果，如圖5所示。

圖5　歐氏距離(a,b)和綜合距離(c,d)度量的聚類結(jié)果Fig.5　Calculations of clustering algorithm with Euclidean distance (a,b) and comprehensive distance (c,d)

圖5中，(a)表示歐氏距離的聚類結(jié)果，(b)表示其每次迭代的總的距離；(c)表示考慮綜合因子后的聚類結(jié)果，(d)表示其每次迭代的總的距離.兩種不同度量的聚類結(jié)果都收斂，但是其形狀和中心不相同。

歐氏距離作為聚類相似性度量具有一定的合理性，但是沒有考慮到環(huán)境的綜合影響，而綜合距離作為相似性度量進(jìn)行聚類，在一定程度上彌補(bǔ)了這一缺陷，滿足通信環(huán)境較差(α取值較小)的區(qū)域放置更密集的集中器，在環(huán)境不是很差(α取值較大)的區(qū)域集中器放置更為稀疏，集中器的安放位置更貼近現(xiàn)實(shí)工程情況。

4　結(jié)論

本文從LED路燈控制系統(tǒng)底層Mash網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)出發(fā)，研究其在環(huán)境影響下的自動(dòng)化組網(wǎng)方法，結(jié)合聚類技術(shù)，進(jìn)一步提出基于綜合度量聚類的LED路燈控制系統(tǒng)自動(dòng)組網(wǎng)的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，此方法提高工作效率的同時(shí)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和工作周期，改變了以往完全依賴人工組網(wǎng)的狀況，同時(shí)能夠反映出環(huán)境對(duì)組網(wǎng)和集中器安裝位置的影響.由于文中只考慮到地形較為平坦和建筑物不是很高的LED路燈環(huán)境，下一步將研究非平坦地形和高大建筑影響下的LED路燈控制系統(tǒng)組網(wǎng)方法。

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The Research and Application of an Automatic Networking Method Based on Cluster of Comprehensive Measuringfor LED Lighting Control Systems

GENG Xiaoming1,2, WEN Yumei1, LIU Xiangming2

(1.The College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University, Chongqing400044, China;2.ChongqingSilianOptoelectronicScienceandTechnologyCo.LTD,Chongqing400711,China)

In recent years, the LED street light control systems have developed rapidlywith the vigorous development of LED lighting industry and IoT(the Internet of Things) technology.For the systems using ZigBee communication Mash network, clustering is difficult and not cost effective because of the man-hours needed for multiple attempts at proper placement of concentrators. This paper provides a networking method usinga clustering algorithm analysis based on comprehensive environmental factors, such as spread distance, location of lighting, etc., which can automatically calculate installation positions of concentrators. We’ve used this method on manyactual projects and it has proved to make the network processing easier and reduce engineering cost in an open landscape.

LED street lamp; lighting system; networking; ZigBee network; cluster analysis

國(guó)家863項(xiàng)目(2013AA03A118)；重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2012gg-yyjsB50003)

耿曉明，E-mail：gxm771208@126.com

TP181; TP301.6

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.022