群體決策在智能路燈控制系統中的應用

殷文龍 馬小軍 蔣月紅

(南京工業大學自動化與電氣工程學院,江蘇 南京 211816)

群體決策在智能路燈控制系統中的應用

殷文龍 馬小軍 蔣月紅

(南京工業大學自動化與電氣工程學院,江蘇 南京 211816)

針對目前國內大部分城市路燈采用的定時控制和光敏控制易受干擾的問題,提出了一種基于ZigBee及群體決策的智能路燈控制系統。路燈節點通過ZigBee無線傳感網向路燈群中的協調器發送開燈的投票信息,協調器利用群體決策的原理分析數據。如果開燈投票大于預先設置的極限值,協調器就向所有的路燈發送開燈的命令。試驗表明,群體決策的方法解決了定時控制和光敏控制易受干擾的問題,提高了路燈控制系統的智能化水平。

ZigBee 智能路燈 群體決策 光敏傳感器 無線傳感器網絡

0 引言

自動控制的能力體現了路燈控制系統的智能化水平,但是目前路燈控制系統的智能化水平還不是很高[1]。本文設計了一個光敏控制和無線控制相結合的路燈控制系統。該系統可以根據環境照度變化,自動控制路燈的開關。受群體決策原理的啟發,可以把一個街道上的路燈看成是一個群體,運用群體決策的方法控制所有的路燈節點。

群體決策的現象不僅存在于人類社會活動中,而且在動物和昆蟲中也存在這種現象。有些研究者通過研究蜜蜂群,選擇它們新巢的群體決策的方法。而螞蟻在選擇新巢時也運用了群體決策的方法。蜜蜂群和螞蟻群中的成員都是獨立選擇它們新巢的,它們不會受到其他成員的干擾。在動物和昆蟲中,群體決策的方法是非常有效和精確的[2-3]。而本文中路燈控制系統中,開關燈的決策就是受到了動物和昆蟲的群體決策的啟發而產生的。

本文設計了一種基于光敏傳感器、無線傳感器網絡和群體決策的路燈控制系統。

1 系統綜述

整個路燈控制系統結構如圖1所示。該系統由一個主協調器、一個輔助協調器和一些路燈節點組成。每一盞路燈上都安裝一個光敏傳感器,所有的路燈節點和協調器形成了一個樹型網絡拓撲結構[4]。每一個路燈節點具有采集光環境照度的能力,并能對這些數據進行處理,處理完之后將路燈開關的控制投票數據發送給協調器。

圖1 路燈控制系統結構圖Fig.1 Architecture of the street light control system

群體決策通過投票的方式進行決策。協調器根據投票決策的方法做出最終決定。在做出決定之后,協調器向無線傳感器網絡中所有的路燈節點發送開燈或關燈的控制信號。協調器可以通過GPRS向路燈管理中心發送路燈節點的故障信息。當主協調器出現故障時,本文設計了輔助協調器來代替主協調器。輔助協調器需要將主協調器的故障信息發送給路燈管理中心。

2 系統設計

2.1 路燈協調器

路燈主協調器和輔助協調器的結構相同,它們由一個電源供應模塊、一個控制單元、一個GPRS模塊、一個無線傳感器網絡模塊和一個電壓檢測單元組成。

2.2 路燈節點

路燈節點由一個電源供應模塊、一個控制單元、兩個繼電器、一個光敏傳感器、一個電壓檢測單元和一些LED燈組成。控制單元通過光敏傳感器定期地采集環境照度信息。光敏傳感器是一個由TPS851光敏電阻組成的模塊,這個光敏電阻可以將光強度值轉化成電壓值。控制單元由ZigBee2430模塊組成,它可以處理電壓值和得出開關燈的投票信號。

2.3 輔助協調器

協調器繼承程序流程如圖2所示。

圖2 協調器繼承程序流程圖Fig.2 Flowchart of the coordinator inherit program

在無線傳感器網絡中,路燈的主協調器是網關,輔助協調器是后備網關,路燈節點是路由器。當網關中建立好一個網絡之后,路由器加入這個網絡組成一個無線傳感器網絡。網絡ID用來區分不同的無線傳感器網絡。網關只允許擁有相同網絡ID的路由器加入到無線傳感器網中。兩個協調器有兩個不同的網絡ID,分別是ID和ID1。路燈節點將兩個網絡ID存儲起來。

2.4 群體決策方法

路燈控制的群體決策過程如圖3所示。

圖3 群體決策過程圖Fig.3 The group decision-making process

所有的路燈節點通過定期對檢測到的環境照度進行處理,得出開關燈的投票決定,并將這些投票信息發送給協調器。協調器計算出所有路燈節點的投票信息。如果這個數量大于預設值,協調器就向所有的路燈節點發送開燈的控制信息；否則就發送關燈的控制信息。這個過程的數學描述如下所示:

3 試驗

首先做協調器開關試驗,檢測開關燈效率；然后檢測試驗標注下的路燈控制系統的群體決策的性能。

3.1 協調器開關燈試驗

本文設計一個簡單的協調器開關燈試驗,驗證協調器開關燈方案的功能。本次試驗中采用了一個主協調器、一個輔助協調器和八個路燈節點,模擬一個小型的路燈方案。路燈節點分成兩排,路燈間距20 cm。

開始時所有的路燈節點都加入主協調器。關閉主協調器,模擬主協調器出現故障的情景方案。然后所有的路燈節點加入到輔助協調器建立的網絡中。節點加入輔助協調器的時間消耗如圖4所示,水平軸表示測試的次數,垂直軸表示八盞路燈節點加入輔助協調器建立的網絡中的時間,平均時間是33.62 s。重新加入網絡的時間反映了協調器開關燈效率。對于像路燈這種無停電工作模式來說,這一性能是非常重要的。無線傳感器網絡重建的時間越短越好。

圖4 節點加入輔助協調器的時間消耗圖Fig.4 The time consumption for the node joining into the auxiliary coordinator

3.2 群體決策

我們設計一個試驗來驗證群體決策方法。本試驗采用了一個協調器和八個路燈節點。在協調器中設置開燈投票數的極限值是50%。也就是說,開燈投票數大于4時,協調器將對所有的路燈節點發送開燈的命令。

試驗過程中,用物體遮蓋住光敏傳感器。在10 s時,遮蓋住其中的兩個光敏傳感器；在20 s時,遮蓋住其中的三個光敏傳感器。在這兩種情形下,所有的路燈節點都沒有開,因為開燈的投票數小于預設值。我們把這些情形看做是周圍環境干擾因素。所以協調器在受到干擾的情況下,沒有對所有的路燈節點做出錯誤的控制。在30 s時,遮蓋住其中的五個光敏傳感器。這時,開燈的投票數大于預設值,協調器向所有的路燈節點發送開燈控制命令。當我們將其中的兩個光敏傳感器的遮蓋物移走之后,在40 s時,協調器向所有的路燈節點發送關燈命令。

這個路燈系統模型試驗驗證了群體決策方法可以應用到自動路燈控制系統中。根據螞蟻群選取新巢地址的原理可知,群體個數的數量越多,最終的決策結果就越準確。因此,我們可以得出這樣一個結論:隨著路燈節點的數量不斷的增加,開關燈決策的正確性就更加準確。在以后的工作中,我們將會對大規模的路燈控制系統進行試驗[6-7]。

4 結束語

本文提出了一個自動路燈控制系統。受到像動物和昆蟲的組織模型的啟發,提出了由一個主協調器、一個輔助協調器和一些路燈節點組成群體結構的無線傳感器網絡模型。裝有光敏傳感器的路燈節點通過與其他的路燈節點相互通信合作做出開關燈投票決定。群體決策的投票決策方法可以克制因為個別路燈節點做出的錯誤判斷,同樣可以提高反干擾能力和路燈控制系統的智能化水平。路燈協調器收集開關燈的投票信息,最終向所有的路燈節點發送開關燈的控制命令。當主協調器出現故障時,輔助協調器可以代替主協調器作為新的主協調器。本文檢測了光敏傳感器的性能。協調器的開關燈和群體決策的功能都通過相關試驗得到了驗證。

[1] 呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[2] 楊雷.群體決策理論與應用[M].北京:經濟科學出版社,2004.

[3] 楊善林.智能決策方法與智能決策支持系統[M].北京:科學出版社,2005.

[4] 林方鍵,胥布工.基于ZigBee網絡的路燈節能控制系統[J].控制工程,2009,16(3):18-20.

[5] 黃曉,王鋼.基于ZigBee技術的道路照明監控系統:中國, 200820203380.9[P].2009.

[6] Zhong S.A bid decision-making method based on group rational behaviour[C]∥International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation,2009.

[7] 彭巍巍.基于粗糙集與遺傳算法的群體決策模型研究[D].武漢:武漢理工大學,2012.

Application of Group Decision-making in Intelligent Street Lighting Control System

Currently,most of the urban street lights in our country are controlled timely or by photosensitive control,so the street illustration is susceptible to interference.In accordance with this condition,the intelligent street lighting control system based on ZigBee and group decisionmaking is proposed.Through ZigBee wireless sensor network,the street lighting node sends the voting information of turning on the lights to the coordinator in street light group.The coordinator analyses the data by using the principle of group decision making,if the voting information of turning on the lights exceeds the preset limit,the coordinator transmits the command of turning on to all the lights.The tests indicate that the group decision-making solves the problems of timely control and photosensitive control,and improves the intellectual level of the street light control system.

ZigBee Intelligent street lamp Group decision-making Photosensor Wireless sensor network(WSN)

TP273

A

修改稿收到日期:2013-07-25。

殷文龍(1988-),男,現為南京工業大學控制工程專業在讀碩士研究生;主要從事建筑智能化方向的研究。