移動物聯(lián)網(wǎng)負載終端坐標(biāo)動態(tài)轉(zhuǎn)換算法

史西兵，趙政文

(1. 西安財經(jīng)大學(xué)信息學(xué)院，陜西 西安 710100；2. 西北工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院，陜西 西安 710129)

1 引言

移動物聯(lián)網(wǎng)通過安裝在不同物體上的傳感器，將接口與無線網(wǎng)絡(luò)連接，對物體賦予智能，實現(xiàn)人與物體、物體與物體的智能對話。不同領(lǐng)域?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)功能性需求不斷增加，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)功能與實際需求之間產(chǎn)生較大缺口負載終端，而負載管理技術(shù)的出現(xiàn)，改變了這個局面。負載管理技術(shù)是使用微電子技術(shù)與傳感器技術(shù)對不同物聯(lián)網(wǎng)終端的參數(shù)進行采集，記載各項參數(shù)實時應(yīng)用數(shù)據(jù)，以此增強物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用性，但是改管理系統(tǒng)存在風(fēng)險較為集中的問題，局部故障就能引起系統(tǒng)整體癱瘓，由此文獻[1]根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)節(jié)點部署特點，構(gòu)建虛擬力的函數(shù)模型并引入基函數(shù)矩陣，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)節(jié)點的優(yōu)化部署。，但是這種管理模式會增加數(shù)據(jù)量，加大運行成本；文獻[2]針對消息在物聯(lián)網(wǎng)中無方向性擴散的問題，結(jié)合節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢的感知，研究節(jié)點移動模型的基礎(chǔ)上提出了節(jié)點位置信息驅(qū)動的終端緩存管理機制，但是這些信息經(jīng)過采集后，通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)焦芾碇行模^程較為繁雜，實際能耗并沒有得到控制。文獻[3]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用云技術(shù)和無線通信技術(shù)對終端設(shè)備進行遠程監(jiān)控，形成電能質(zhì)量治理系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定且實時性較強，即使改終端設(shè)備具有一定管理能力，但是智能化程度依舊較低。

為使物聯(lián)網(wǎng)負載終端發(fā)揮最大作用，改善分布合理性與數(shù)字化終端位置，本文對其坐標(biāo)動態(tài)轉(zhuǎn)換算法進行研究，主要創(chuàng)新之處在于利用四點法直接計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的公式，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，滿足實際轉(zhuǎn)換精度要求，提高轉(zhuǎn)換效率，減少物聯(lián)網(wǎng)能耗浪費。

2 移動物聯(lián)網(wǎng)負載終端研究

2.1 負載終端測量計算

2.1.1 電參數(shù)采樣

負荷終端最關(guān)鍵的作用是測量運行參數(shù)，而精確的測量將影響物聯(lián)網(wǎng)的管理。測試儀器將物聯(lián)網(wǎng)輸入信號轉(zhuǎn)換成與功率形成比例的脈沖信號，再將信號轉(zhuǎn)換成分頻信號的作用。倍增器是測量過程中的重要部件，倍增器的種類直接影響測量模塊的組成。

通過作圖法能計算出一個周期內(nèi)每個采樣點功率p(tn)，計算公式如下

pu(tn)=i(tn)

(1)

某個周期內(nèi)平均功率P的表達式為

(2)

式中，u(tn)為采樣周期函數(shù)。假設(shè)Δt=tk-tk-1，因此在此周期內(nèi)的電能W表示為

(3)

式中，N為采樣次數(shù)。如果Δt=0，則有

(4)

式(4)表示將不同采樣點的輸入信號相乘，再與采樣周期相乘，得到此周期內(nèi)平均電能。式(3)屬于離散化表達式，能通過微處理器實現(xiàn)。此種方法利用A/D轉(zhuǎn)換器將交流輸入信號的模擬信號變換成數(shù)字信號。

假設(shè)在頻率為50Hz的交流電壓環(huán)境下，電流周期是20ms，采樣周期為100us，則每個周期能進行200次采樣。結(jié)合抽樣原則，增多采樣次數(shù)即可改善測量精準度。所以測量誤差主要來自采樣頻率、轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度以及元器件分散性導(dǎo)致的幅值與相位誤差[4-6]，可通過硬件電路與軟件程序?qū)崿F(xiàn)誤差補償。

2.1.2 電能參數(shù)測量

含有k次諧波并具有周期特性的非正弦輸入信號經(jīng)過諧波分析后可得

(5)

(6)

2.2 移動物聯(lián)網(wǎng)負載終端管理平臺構(gòu)建

2.2.1 結(jié)構(gòu)框圖

本次設(shè)計中，移動物聯(lián)網(wǎng)負載終端利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)參數(shù)測量、存儲和顯示等功能，使用通訊接口和上位機確保雙向通信，實現(xiàn)負荷管理相關(guān)功能。

圖1 終端結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 負荷管理終端操作系統(tǒng)選擇標(biāo)準

負荷終端設(shè)計要滿足連續(xù)運行的要求，在正常運行時，要實現(xiàn)對用電端參數(shù)的實時測量，以達到檢測測試點的用電狀態(tài)，管理負荷，另外，負荷端還要有一定的擴展性。因此需要利用開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)的動態(tài)容量增長。

1)移植性

在嵌入式軟件的開發(fā)過程中，對可移植性的需求是必須關(guān)注的。性能更好的軟件通常具有更好的移植性能，并且可以運行于任意平臺的系統(tǒng)中。軟件的通用性常常無法與其它性能相結(jié)合，所以產(chǎn)品必須與操作系統(tǒng)緊密相連[7-8]，才能保證最優(yōu)性能。

2)可用資源

以低成本、高質(zhì)量的產(chǎn)品為基礎(chǔ)，以快速占領(lǐng)市場為根本目標(biāo)，對系統(tǒng)資源的有效利用是選擇系統(tǒng)類型時要著重考慮的標(biāo)準。

3)系統(tǒng)定制績效

針對產(chǎn)品需求，不同的用戶關(guān)注的焦點不同，因此在設(shè)計時必須考慮系統(tǒng)的定制能力。

4)發(fā)展費用

每次選擇都會對未來的開發(fā)和生產(chǎn)成本產(chǎn)生重大影響，如選擇硬件的成本、人員培訓(xùn)成本以及與其他伙伴的溝通成本。

3 負載終端坐標(biāo)動態(tài)轉(zhuǎn)換算法探究

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型建立

動態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換主要分為不同參心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、地心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、參心和地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，本質(zhì)均為不同空間中直角坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換，其核心內(nèi)容是構(gòu)建轉(zhuǎn)換模型與計算轉(zhuǎn)換參數(shù)。本文通過建立布爾莎模型對其進行分析。

(7)

式(14)即為布爾莎模型，也可稱作B模型，此模型認為所有點坐標(biāo)均不會受到平移、旋轉(zhuǎn)、尺度等因素影響。

3.2 基于4點法的轉(zhuǎn)換參數(shù)計算

已知4點法由四個公共點構(gòu)成，可組成四組方程

(8)

將點2、3、4列方程減去第一列方程，即去除平移參數(shù)。獲取旋轉(zhuǎn)矩陣后，通過運算得出反對稱矩陣[9]

S=2(I+RT)-1-1

(9)

利用上述公式即可得到轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3.3 旋轉(zhuǎn)矩陣與位移向量獲取

點集P與Q的質(zhì)心分別表示為p、q，經(jīng)過中心化處理后的點集表示為

(10)

(11)

由于噪聲干擾與獲取數(shù)據(jù)存在的不確定性，可通過減少誤差函數(shù)方法對誤差進行補償。本文利用最小平方誤差函數(shù)最小化方式將誤差降到最低。

(12)

通過中心化處理后的總誤差表達式為

(13)

當(dāng)Δ出現(xiàn)最小值時，即可獲取旋轉(zhuǎn)矩陣R以及位移向量T。

3.4 基于網(wǎng)格的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)

網(wǎng)格坐標(biāo)轉(zhuǎn)換核心是將較大轉(zhuǎn)換區(qū)域分割為小網(wǎng)格單元，并將網(wǎng)格節(jié)點當(dāng)做中心進行坐標(biāo)變換[10]，從而達到小范圍的精準擬合與整網(wǎng)連續(xù)效果。

3.4.1 構(gòu)建網(wǎng)格

將待轉(zhuǎn)換部分分割為有固定間隔的規(guī)則網(wǎng)格，采用此區(qū)域中一些存在新老兩個坐標(biāo)的公用點坐標(biāo)差值[11-12]，通過數(shù)學(xué)模型計算每個網(wǎng)格單元節(jié)點相對的變換成新坐標(biāo)的修正量。

3.4.2 網(wǎng)格內(nèi)插

結(jié)合待求目標(biāo)所在網(wǎng)格區(qū)域，獲取網(wǎng)格文件對應(yīng)四個節(jié)點坐標(biāo)修正量，利用雙線性內(nèi)插模型對其計算。可得：

x=(Lp-L1)/(L2-L1);Y=(Bp-B1).(B2-B1)

(14)

(15)

式中，t1，t2，t3、t4分別表示節(jié)點坐標(biāo)內(nèi)的四個網(wǎng)格節(jié)點a、b、c、d坐標(biāo)修正量，(B1，L1)，(B2，L2)，(B3，L3)，(B4，L4)代表四個網(wǎng)格節(jié)點在舊坐標(biāo)系中經(jīng)緯坐標(biāo)；(Bp，Lp)描述待計算目標(biāo)經(jīng)緯度坐標(biāo)，z是待計算目標(biāo)的坐標(biāo)修正量。

3.4.3 加權(quán)平均模型

構(gòu)建坐標(biāo)轉(zhuǎn)換網(wǎng)格所需模型既有較為復(fù)雜的最小曲率模型，也包括加權(quán)平均模型，本文利用后者提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精準度。

加權(quán)平均模型結(jié)合附近點對于中心點遠近距離不同的權(quán)重，距離中心點越近的數(shù)據(jù)點對其產(chǎn)生影響也越大，因此占比越高，反之權(quán)重越小。模型通常表現(xiàn)為以下形式

(16)

式中，X為中心點估計值，xi表示中心點附近數(shù)據(jù)點，wi是與數(shù)據(jù)點相對權(quán)重。

權(quán)函數(shù)種類較多，本文利用如下形式

(17)

式中，di表示數(shù)據(jù)點到中心點距離，dmin為每個數(shù)據(jù)點到中心點最短距離。

距離計算方式通過大地線計算公式的簡化形式表示

di=Rcos-1(sinBisinRg+cosBicosBgcos(Li-Lg))

(18)

3.4.4 計算步驟

1)利用公共點坐標(biāo)差，通過最小二乘回歸定義一個平面模型：ax+by+c=z(x，y)；

2)通過平面回歸模型擬合值減掉獲取的一組殘差；

3)使用加權(quán)平均模型將節(jié)點附近一定半徑區(qū)域內(nèi)的公共點殘差擬合在格網(wǎng)節(jié)點中，計算節(jié)點殘差；

4)利用節(jié)點回歸模型擬合值加上殘差，獲取節(jié)點相對的新老坐標(biāo)系修正量；

5)經(jīng)過雙線內(nèi)插獲得網(wǎng)格中隨機一點坐標(biāo)修正量，加上舊坐標(biāo)即可獲得轉(zhuǎn)換后的新坐標(biāo)，從而實現(xiàn)移動物聯(lián)網(wǎng)負載終端動態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

4 實驗研究

為驗證所提方法性能，對負載終端坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進行實驗。實驗環(huán)境為Intel(R)Core(TM)i5-2520M處理器+4GB內(nèi)存+Linux操作系統(tǒng)。其中，在Amazon WebServices(AWS)datasets (https：∥aws.amazon.com/cn/datasets/ ) 根據(jù)實驗需求，獲取的數(shù)據(jù)長度為1060，初始數(shù)據(jù)采集包含經(jīng)度、維度等信息。

在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中x軸、y軸與z軸的初始值與變換值誤差曲線如圖2所示。

圖2 誤差曲線示意圖

由圖2可知，本文方法對誤差曲線的收斂效果較強且高于其它文獻方法，說明該方法能顯著提高物聯(lián)網(wǎng)的有效信息量和物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍，并顯著降低能耗，誤差值最高可降低到1。

因為負載終端具有設(shè)備數(shù)量多、分布分散以及通信實時性要求高等特性，因此必須選擇可靠性較高且方便維護的終端，且對終端維護時間有所要求，以下為本文方法與文獻[1]、文獻[2]和文獻[3]方法在終端維護時間上的對比：

圖3 不同方法轉(zhuǎn)換速度對比圖

由圖3可知，本文方法所用維護時間在最大坐標(biāo)時達到最高，與其它文獻方法相比，維護時間最多減少0.7s，說明其對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度較高，主要由于本文利用最小平方誤差函數(shù)對誤差進行補償，減少轉(zhuǎn)換誤差。

終端設(shè)備只將現(xiàn)場統(tǒng)計裝置信息根據(jù)指定規(guī)范進行集中采集，再按照通信規(guī)約將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理系統(tǒng)，這個過程中，轉(zhuǎn)換參數(shù)大小會影響轉(zhuǎn)換結(jié)果準確度即轉(zhuǎn)換參數(shù)越大，結(jié)果準確度越高，二次轉(zhuǎn)換的幾率越小，能耗控制效果得到保障，由此，驗證本文方法對參數(shù)的轉(zhuǎn)換效果即轉(zhuǎn)換參數(shù)大小。圖4為驗證結(jié)果。

圖4 不同方法參數(shù)的轉(zhuǎn)換效果

由圖4可知，本文方法對參數(shù)的轉(zhuǎn)換效果更好，因為在相同坐標(biāo)數(shù)量前提下所提方法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所需時間低于其它兩種對比方法，因為該方法計算過程簡便，提高轉(zhuǎn)換效率。

5 結(jié)論

1)負載終端可以對用電現(xiàn)場實行全方面監(jiān)控，是需求管理工具，利用所提方法對其進性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可有效緩解壓力，因此本文在網(wǎng)格基礎(chǔ)上對負載終端坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進行研究。

2)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換網(wǎng)格時需要分析其靈活程度即轉(zhuǎn)換過程中x軸、y軸與z軸的初始值與變換值誤差曲線變化程度，實驗表明，誤差值最高可降低到1，維護時間最多減少0.7s且轉(zhuǎn)換參數(shù)保持在0.8以上，實現(xiàn)提高負載終端整體利用率的最初目標(biāo)。

3)在今后研究中需要結(jié)合不同精度要求設(shè)計不同密度子網(wǎng)格，這些網(wǎng)格只用來實現(xiàn)局部區(qū)域覆蓋。