基于群體決策自主控制的街道照明系統(tǒng)?

程新華 張 健

（漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 漢中 723000）

基于群體決策自主控制的街道照明系統(tǒng)?

程新華 張 健

（漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 漢中 723000）

論文提出了一種街道照明的自主控制系統(tǒng)。所有的燈節(jié)點(diǎn)組成了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的燈組，所有的燈構(gòu)件通過形成樹形拓?fù)渑c燈領(lǐng)導(dǎo)相通。燈構(gòu)件周期性地使用光傳感器收集環(huán)境照明。當(dāng)發(fā)現(xiàn)照明低于預(yù)設(shè)閾值時，燈構(gòu)件將向燈領(lǐng)導(dǎo)發(fā)送開燈投票，燈領(lǐng)導(dǎo)者通過投票進(jìn)行組決策，并做出相應(yīng)決定，并發(fā)送決定給所有燈組成員打開或關(guān)閉所有路燈網(wǎng)絡(luò)。故障消息可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程路燈維護(hù)中心。該系統(tǒng)可以自動響應(yīng)光感變化。群體決策的方法提高了抗干擾能力和照明控制系統(tǒng)的智能水平。

光傳感器；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；群體決策；街道照明；自主控制

1 引言

街道照明控制系統(tǒng)是對街道燈和監(jiān)視器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，為汽車和行人提供照明的控制系統(tǒng)。目前主要有三種類型的路燈控制系統(tǒng)：線控制系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、無線控制系統(tǒng)［1］。線控制系統(tǒng)是將電源線和通信電纜安裝在照明系統(tǒng)中，這種類型的系統(tǒng)中的所有燈都是由照明控制中心通過通訊控制電纜集中進(jìn)行控制。這個系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是控制精度和可靠性高，缺點(diǎn)是設(shè)備投資昂貴和維修困難。自控系統(tǒng)包括時間控制和光敏控制：時間控制是通過日常開啟/關(guān)閉時間控制；光敏控制是利用光傳感器為每個燈節(jié)點(diǎn)提供開關(guān)信號。自控系統(tǒng)比線控制系統(tǒng)更簡單，設(shè)備投資成本更低，安裝和未來維護(hù)方便。但是，定時器控制有適應(yīng)環(huán)境照明的能力差變化，而光敏控制容易受到灰塵，雨和雪的影響。該系統(tǒng)的控制方式缺點(diǎn)是不靈活。無線控制系統(tǒng)包括無線控制，GPRS/GSM控制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）控制等。無線控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括靈活配置，安裝方便，有可擴(kuò)展功能和雙向通信。單個路燈的光控制很容易來自快速變化的環(huán)境照明的干擾。在不感知環(huán)境照明信息的情況下，無線控制缺乏智能。

為了避免當(dāng)前照明控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，利用傳感器，微電子和無線通信技術(shù)，有必要對街道照明系統(tǒng)的自主控制能力進(jìn)行改進(jìn)。無線通信技術(shù)具有低的優(yōu)點(diǎn)成本低，易于實(shí)施和維護(hù)。它正在替換有線通信控制在很多場合。WSN具有網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，功耗低的特點(diǎn)消費(fèi)，通信可信，低成本和大網(wǎng)絡(luò)容量。它已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控［2］，家庭自動化［3］，工業(yè)控制［4］和軍事偵察［5］。群體決策可以緩解個人偏見，使參與者能夠討論，辯論和協(xié)調(diào)聯(lián)盟的想法［6］。群體決策可建立一個投標(biāo)決策模型對團(tuán)體合理行為的承包商使用組決策理論［7］。

本文的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一條通過組合光傳感器控制和無線的控制的街道照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可以工作自動如打開/關(guān)閉工作環(huán)境中的路燈。受到社交動物和昆蟲的決策機(jī)制的啟發(fā)，我們將燈沿一條街道作為一個群體使用群體決策的方法來控制所有的燈節(jié)點(diǎn)。這個系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于光傳感器的照明控制系統(tǒng)，WSN和群體決策。所有的燈節(jié)點(diǎn)組成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），其中有燈領(lǐng)導(dǎo)，后繼領(lǐng)導(dǎo)，和一些燈組件。所有的燈組件通過形成樹拓?fù)渑c燈領(lǐng)導(dǎo)相通。燈組件周期性地使用光傳感器收集環(huán)境照明數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)照明低于預(yù)設(shè)閾值時，燈組件將發(fā)送投票給燈領(lǐng)導(dǎo)。燈領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算投票數(shù)，當(dāng)投票數(shù)大于預(yù)設(shè)閾值時，將發(fā)送一個開燈命令給所有燈組成員。像社交動物中的繼承行為，系統(tǒng)中的后繼領(lǐng)導(dǎo)者可以自動地取代當(dāng)前出故障的燈領(lǐng)導(dǎo)者，并可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送故障消息到遠(yuǎn)程路燈維護(hù)中心。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的系統(tǒng)可以自動響應(yīng)到環(huán)境光變化。并且群決策的方法提高了抗干擾性能力和照明控制系統(tǒng)的智能水平。本照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用超級電容器為備用電源和使用燈領(lǐng)導(dǎo)繼承的方法，從而實(shí)現(xiàn)不間斷操作。

2 系統(tǒng)概述

在WSN中，有一個協(xié)調(diào)器，一些路由器和一些可選終端設(shè)備。圖1示出了所提出的燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由燈領(lǐng)導(dǎo)，后繼領(lǐng)導(dǎo)和一些燈組件組成。這里，燈領(lǐng)導(dǎo)和后繼領(lǐng)導(dǎo)是協(xié)調(diào)員，而燈組件是路由器。每個路燈上安裝一個燈構(gòu)件，所有燈組件與燈領(lǐng)導(dǎo)形成樹形拓?fù)洹Ｃ總€燈構(gòu)件具有采集環(huán)境光強(qiáng)度數(shù)據(jù)的能力，并且能夠處理數(shù)據(jù)和向燈領(lǐng)導(dǎo)傳送燈ON/OFF控制投票數(shù)據(jù)。燈領(lǐng)導(dǎo)者通過投票進(jìn)行群組決策，并做出相應(yīng)決定。當(dāng)有決定時，燈領(lǐng)導(dǎo)將發(fā)送決定給所有燈組成員打開或關(guān)閉所有路燈網(wǎng)絡(luò)。燈頭也可以橋接本地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)到其他網(wǎng)絡(luò)，如GPRS和互聯(lián)網(wǎng)，用于將燈構(gòu)件故障消息發(fā)送到街道照明維修中心。燈領(lǐng)導(dǎo)是決策者，在街道照明系統(tǒng)中有非常重要的地位。所以，當(dāng)燈領(lǐng)導(dǎo)無法正常工作時，后繼領(lǐng)導(dǎo)者被用來做代替者。并且后繼領(lǐng)導(dǎo)也需要發(fā)送燈領(lǐng)導(dǎo)故障消息到路燈維護(hù)中心。

圖1 基于小組決策的擬議路燈控制系統(tǒng)的架構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 燈領(lǐng)導(dǎo)

燈領(lǐng)導(dǎo)和后繼領(lǐng)導(dǎo)有相同的架構(gòu)。如圖2所示，它們由電源模塊，控制單元，GPRS模塊，WSN模塊和電壓檢測單元組成。

圖2 燈領(lǐng)導(dǎo)和后領(lǐng)導(dǎo)的構(gòu)成

電源模塊將220 V AC轉(zhuǎn)換為3.3 V DC給模塊和單元。WSN模塊從中接收投票并將它們發(fā)送到控制單元。控制單位處理這些投票，以決定哪一個命令需要發(fā)送到所有組成員。當(dāng)控件元找到一個故障的成員，它將通過GPRS發(fā)送消息到街道照明維護(hù)中心模塊。控制單元還需要檢測電壓電源模塊為了判斷是否有停電事故。

3.2 燈組件

如圖3所示，燈組件是由電源模塊，控制單元，兩個繼電器，一個燈傳感器，電壓檢測單元和一些LED組成。

電源模塊可以將220 V AC轉(zhuǎn)換為5 V DC輸送給兩個繼電器，并可以轉(zhuǎn)化為3.3V DC給其他模塊和單元。控件單元通過光傳感器周期性地收集環(huán)境光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。光傳感器是由兩個光敏電阻GL5528組合兩個可以將光強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換成電壓值的電阻組成的。加入WSN，燈組件將其投票發(fā)送給燈領(lǐng)導(dǎo)者。燈領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)燈組件投票進(jìn)行燈開閉決定。電壓檢測單元檢測電源模塊的電壓判斷是否有電纜故障，并檢測流過燈的電流以查看燈是否正常工作。LED顯示燈組件的工作狀態(tài)。

圖3 燈組件的構(gòu)成

3.3 群體決策方法

我們的系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)自主照明控制。因此，我們需要傳感器來收集環(huán)境光強(qiáng)信息并做出自動控制決定。如圖4所示，所有燈組件通過處理環(huán)境光強(qiáng)度信息進(jìn)行開/關(guān)控制表決，并定期將投票發(fā)送給燈領(lǐng)導(dǎo)者。燈領(lǐng)導(dǎo)者統(tǒng)計(jì)不同燈組件的選票數(shù)。如果該數(shù)大于閾值，燈領(lǐng)導(dǎo)將向所有燈發(fā)送開燈命令，打開所有的燈，否則將向所有燈組件發(fā)送關(guān)閉命令。

圖4 控制燈組件ON/OFF的群體決策

這里l是燈頭領(lǐng)導(dǎo)所做的投票結(jié)果，值為1或0；n為燈構(gòu)件的總數(shù)；i是從1到n；mi是來自第i燈具的投票，值也是1或0，1表示打開和0表示關(guān)閉；t是預(yù)設(shè)的閾值。當(dāng)(mi)/n的值大于t，那么將發(fā)送開燈命令。

這個的數(shù)學(xué)模型描述為階躍函數(shù)u：

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

首先，對光傳感器性能進(jìn)行測試，得到閾值。其次，通過領(lǐng)導(dǎo)切換實(shí)驗(yàn)來測試開關(guān)效率。最后，給出實(shí)驗(yàn)室中照明控制系統(tǒng)群體決策的測試結(jié)果。

4.1 光傳感器性能

用一個45W燈泡的臺燈照燈組件中的光傳感器。光傳感器會將光強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換成電壓值，發(fā)送到燈領(lǐng)導(dǎo)。燈領(lǐng)導(dǎo)又將電壓值傳輸?shù)絇C。調(diào)整臺燈到燈組件的距離，重復(fù)該試驗(yàn)20次。D表示燈組件和臺燈之間的距離。結(jié)果示于圖5。橫軸表示燈組件和臺燈之間的距離。縱軸表示不同環(huán)境光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的電壓值。

圖5 光傳感器測試結(jié)果

這個測試可以提供閾值電壓的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。電壓在45cm的距離時是1000mV。在這個距離的照明類似于自然采光。因此在群體決策中將使用1000mV作為閾值電壓。

4.2 領(lǐng)導(dǎo)切換

本節(jié)設(shè)計(jì)了一個簡單的領(lǐng)導(dǎo)切換實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了驗(yàn)證所提出的領(lǐng)導(dǎo)切換功能方法。在實(shí)驗(yàn)中使用20個燈組件，以20cm間隔設(shè)置在兩條線上，用來模擬小規(guī)模的街道照明場景。首先，我們關(guān)閉燈領(lǐng)導(dǎo)者，模擬燈領(lǐng)導(dǎo)出現(xiàn)故障事故的場景。然后，所有燈構(gòu)件接合后領(lǐng)導(dǎo)者網(wǎng)絡(luò)，測試出了20個燈組件的重新接合時間。如圖6所示，橫軸表示試驗(yàn)的編號，縱軸表示20個燈組加入后繼領(lǐng)導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)所花費(fèi)的時間。

圖6 20個燈組加入后繼領(lǐng)導(dǎo)的時間

測試平均時間為34.15s。重新加入時間顯示出領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)換效率，這對于在路燈控制中的不間斷操作是很重要的。

4.3 群體決策

我們設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一項(xiàng)測試，以驗(yàn)證建議采取群體決策方法。在測試中使用燈領(lǐng)導(dǎo)和20個燈組件，LED用于顯示燈組件是否工作，當(dāng)繼電器關(guān)閉，指示燈亮起，相反，燈管LED熄滅。設(shè)置投票比例的閥值為50%，這意味著投票數(shù)大于10，燈領(lǐng)導(dǎo)將控制所有燈開啟。

圖7 群體決策測試

如圖7，我們用燈罩蓋住燈體內(nèi)的光傳感器，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在t=4s，兩個燈組成員的光傳感器被覆蓋。在t=13 s時，8兩個燈組成員的光傳感器被覆蓋。在這兩個時刻，所有燈具都沒有打開燈，因?yàn)榈陀陂y值。實(shí)驗(yàn)中我們看到，燈領(lǐng)導(dǎo)不會做出錯誤的決定打開所有燈組。當(dāng)t=18s時，12個燈組成員光傳感器在被覆蓋，投票數(shù)大于閾值。燈頭領(lǐng)導(dǎo)給所有燈構(gòu)件發(fā)送開啟命令。燈開LED熄滅，表示繼電器已切換上。在t=24s時，當(dāng)我們從兩個成員中移走兩個覆蓋時，燈領(lǐng)導(dǎo)做出發(fā)送燈熄燈的決定，此時LED指示燈點(diǎn)亮表示繼電器是關(guān)閉的。小型路燈系統(tǒng)在本試驗(yàn)中驗(yàn)證可以使用組決策方法街道照明系統(tǒng)的自主控制。

5 結(jié)語

我們提出了一個自主控制的街道照明系統(tǒng)。受社會組織模式的啟發(fā)動物和昆蟲，基于WSN的燈組架構(gòu)組成的燈領(lǐng)導(dǎo)，后繼領(lǐng)導(dǎo)和一些燈組件。燈具用燈傳感器通過相互協(xié)作來進(jìn)行ON/OFF控制決策。組決策中的投票方法克服了單個燈的錯誤動作，提高抗干擾能力和照明控制系統(tǒng)的智能水平。燈領(lǐng)導(dǎo)收集投票并決定是否以打開或關(guān)閉所有燈。當(dāng)電流燈領(lǐng)導(dǎo)者失敗，后繼領(lǐng)導(dǎo)者可以成功作為一個新的燈領(lǐng)導(dǎo)者。光傳感器的性能已經(jīng)過測試。領(lǐng)導(dǎo)切換和群體決策功能已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證。路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想目標(biāo)是系統(tǒng)可以很好得工作，為我們的日常生活提供安全穩(wěn)定街道照明。

未來的工作將集中在以下方面：1）我們計(jì)劃添加其他傳感器并研究如何融合使用傳感器，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能水平。2）我們計(jì)劃開發(fā)新的算法來制造燈具互相更有效地合作和設(shè)計(jì)新的路由以縮短燈管頭重建時間。

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Group Decision Making Based Autonomous Control System for Street Lighting

CHENG XinhuaZHANG Jian
（Hanzhong Vocational and Technical College，Hanzhong 723000）

This paper presents an autonomous control system for street lighting.All the nodes form a wireless sensor network（WSN）based light group，all the lamp components through the formation of a tree topology and the lamp connected.The light member periodically uses the light sensor to collect ambient illumination.When it is found that the illumination is below the preset threshold，The lamp component sends a turn-on vote to the lamp leader，who votes through the group decision and makes a decision and sends a decision to turn on or turn off all streetlight networks for all lamp group members.Fault messages can be sent to the remote network through the GPRS network maintenance center.The system can automatically respond to changes in ambient light.The method of group decision-making improves the anti-jamming ability and the intelligence level of lighting control system.

light sensor，wireless sensor network，group decision making，street lighting，autonomous control

TP873

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.012

Class Number TP873

2017年4月14日，

2017年5月24日

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號：60974112）資助。

程新華，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電子電工技術(shù)以及自動控制系統(tǒng)。張健，男，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)和軟件開發(fā)。