基于ZigBee的LED智能照明定位應用研究

傅曉明，柴廣躍，鐘海濤，田勁東，劉 文

(1.深圳大學光電工程學院，廣東 深圳 518060;2.深圳市LED熱管理與故障分析評估公共技術服務平臺，廣東 深圳 518060)

基于ZigBee的LED智能照明定位應用研究

傅曉明1，2，柴廣躍1，2，鐘海濤2，田勁東1，2，劉 文1，2

(1.深圳大學光電工程學院，廣東 深圳 518060;2.深圳市LED熱管理與故障分析評估公共技術服務平臺，廣東 深圳 518060)

本文主要研究基于ZigBee的LED智能照明系統的定位服務技術方案。在不增加每盞燈硬件成本的前提下,通過建立RSSI值測距模型，優化定位算法和設計ZigBee定位節點程序，使得用戶可以使用LED燈進行物理信息的處理。用戶可以對LED照明智能控制的同時實現定位等功能。

智能照明；ZigBee網絡；定位；RSSI；LED

引言

隨著“三網合一”、“三屏合一”的概念不斷被提出[1]，人們越來越熱衷于智能化的生活。基于ZigBee的LED智能照明技術將照明系統與智能控制、互聯網絡、終端設備以及應用程序完全地整合起來[2]。通過ZigBee網絡，使得用戶不僅能通過遠程無線的方式對燈光進行隨心所欲的設置和操控，如根據個人的偏好設置對應的燈光情景模式，或者為不同的時刻設置自己喜愛的照明效果，還可以使用該網絡傳輸數據與信息。同時，利用ZigBee的射頻特性輔之以相應的定位算法，更可使該系統擴展到定位、導航領域，特別適合于屏蔽衛星導航的室內定位服務的需求，如機場大廳、超市、餐飲、圖書館、倉庫等需要定位服務的環境，在提供位置信息的同時還可推送需要的信息。

1 系統方案概述

本文所述系統的基本原理為通過ZigBee網絡的無線數據傳輸實現對照明燈具的遠程控制與監管，同時利用ZigBee無線射頻信號的強弱實現室內的初步定位，并借助云網端實現“互聯網+”的智能互聯照明控制系統[3]，系統結構如圖1所示。系統主要包括構建ZigBee網絡的協調器、路由器、終端模塊以及PC上位機、手機Android客戶端和Web服務器。

ZigBee協調器通過串口USB數據線連接PC端口作為網關，一方面作為PC上位機的ZigBee網絡的無線數據接收發送裝置，實現PC上位機與ZigBee網絡的通信。另一方面，ZigBee網關還兼顧互聯網絡與ZigBee網絡的通信橋梁，實現手機Android客戶端通過移動互聯網超遠程接入照明控制系統。

ZigBee路由器則協助和搜索其它設備加入ZigBee網絡，并作為數據跳轉的中繼通信設備，能無限擴大網絡范圍。本文所述系統中，ZigBee路由器還將作為照明燈具的指令接收器。用戶將可以根據個人的偏好，通過PC上位機由網關發送指令至各個路由器，設置對應的燈光模式。

ZigBee終端將作為定位節點，搜索附近最優ZigBee路由器，計算最優RSSI值，轉換成距離值，通過定位算法計算定位坐標。

PHP服務器通過WebSocket協議與PC端的實現云連接，實現ZigBee網絡與互聯網絡的通信，則手機客戶端可以介入移動互聯網，長距離的監控照明系統。

圖1 系統總體結構Fig.1 The system structure

2 基于RSSI定位算法研究

目前，GPS全球定位計算是最受歡迎的定位技術，但該技術主要用于室外定位，同時GPS接收器在室內工作時，將受建筑物阻擋影響而大大衰減[4]。而ZigBee網絡的短距離、自組網、低功耗的特點[5]，在室內定位受到廣泛的關注。本文基于RSSI測距定位原理[6]，通過已知發射端的信號發送功率和接收端接收到的信號強度值計算，得出無線信號在傳播過程中傳播損耗的函數關系，然后使用經驗信號傳播模型將傳輸損耗轉化為距離，最后采用分布式定位算法計算定位坐標。

2.1建立RSSI值的測距模型

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

其中n是信號傳播損耗指數，Xσ表示一個均值為0的服從高斯分布的隨機指數，d0表示距離為1 m，Pd0就是對應的信號強度值，記為A，令A=Pd0+Xσ，Pd的值實際可用RSSI(d)表示[8]。在實際測量中，公式(1)最終在室內環境的傳播關系模型[9]化為

式(1)式(2)給出了室內環境中無線信號傳播的RSSI值與距離d的理論關系模型，其中A為一個經驗值[10]，被定義為離發送端距離1 m時接收到的平均信號強度值，n為與環境相關的路徑傳輸常數。

2.2基于RSSI測距的定位算法

建立RSSI的測距模型后，接著就是利用獲得的測量距離和已知的參考節點坐標，通過三邊測量法[11]計算定位坐標。已知坐標A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)的三個參考節點，假設定位節點坐標D(x,y), 各參考節點到定位節點的距離分別是da、db、dc,分別以這三個參考節點為圓心，畫半徑為da、db、dc的三個圓，在理想的情況下三個圓交于定位節點，如圖2所示。那么三邊測量法的公式如下：

由方程(3)可得到

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

三邊測量法是應用在三個圓相交于一點的理想情況下，但是在實際應用情況下，由于測距誤差和環境干擾等問題，三圓并不能交于一點，這時若再使用三邊測量法將會出現無解[12]的情況，所以本文采用分布式的方法[13]來計算定位坐標，其過程如下。

步驟一：以這三個參考節點為圓心，以RSSI測距距離為半徑畫圓，此時每兩個圓之間的位置關系可能是以下3種情形：沒有交點即兩圓相離、有一個交點即兩圓相切、有兩個交點即兩圓相交。原理如圖3所示。

步驟二：先對以參考節點A、B為圓心的兩圓位置關系進行分析，當這兩圓相離時，則可認為定位節點的其中一個相關位置在兩圓心連線上，則定位節點D的相關位置DAB在線段AB上，且|ADAB|∶|DABB|=dA∶dB；當兩圓相切時，則該切點就是定位節點D的相關位置DAB；當兩圓相交時，以第三個參考節點C作為參考，取其中一個靠近參考節點C的交點作為定位節點D的相關位置DAB。

步驟三：然后再分別以參考節點A、C和參考節點B、C為圓心，重復步驟二，對兩圓的位置關系進行分析，確定出定位節點D在AC圓心連線上的相關位置DAC和在BC圓心連線上的相關位置DBC。

步驟四：在理想情況下這三個相關位置是相交于同一點，但是實際情況下并不重合，那么這三個點所圍成三角形的質心坐標則為定位節點D的定位估計坐標。設OAB、OAC、OBC的坐標分布為(xAB,yAB)、(xAC,yAC)、(xBC,yBC)，則定位節點坐標值如下式：

從以上定位過程中可看出，先計算出定位節點的三個相關位置，再根據相關位置獲取定位節點的坐標，很好的適應定位過程中的各種情況，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算法仿真與結果分析

本小節將利用MATLAB模擬室內環境，實現對加權質心定位算法、三邊測量法和分步定位法進行模擬仿真，并分析各個算法的定位誤差。假設測試環境在100 m×100 m的區域內，100個參考節點均勻的分布在此區域內，參考節點用黑實點表示，定位節點用星號表示。并引入一定的室內環境噪聲干擾，其中參考節點與定位節點的RSSI測距距離是RSSI值通過加入高斯噪聲后模擬的。同時，對50個隨機的定位坐標分別采用三種定位算法來進行模擬仿真計算出實驗坐標，并將結果與實際的定位坐標進行誤差分析。三邊測量定位仿真結果如圖4所示，加權質心定位仿真結果如圖6所示，分步定位仿真仿真結果如圖8所示，誤差分布結果如圖9所示。

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

圖5 加權質心定位仿真分布圖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計圖Fig.7 The statistical grap of three kinds of the mobile localizationalgorithm

由仿真結果可得，采用三邊測量法測得的定位節點的坐標位置會比較分散，與實際坐標位置偏離較遠。這是因為，三邊測量法受環境影響最大，當參考節點的信號強度所擬定的三圓不能交于一點時，會出現無解的情況，造成計算出的定位坐標誤差大。

而采用分布式定位算法結果會比其他定位方法穩定，定位結果最為接近實際的定位坐標。其主要是因為分布定位算法首先選取待測定位節點最近的3個參考節點，并利用利用3個參考節點中的2個，求出定位節點的3個相關位置，再求出3個相關位置的中心，即定位坐標位置，這樣能減少了環境噪聲帶來的誤差，同時引入高斯模型能減小接收信號的波動性，也減少了一定的誤差，有效的提高了定位精度，不過缺點是二次方程的求解過程計算量較大。

3 基于ZigBee的LED智能照明的定位系統設計

通過對定位算法的研究，在ZigBee智能照明的基礎上增加定位應用服務，其布局結構如圖8所示。網關通過串口連接PC端，負責PC端的數據發送接收裝置。路由器作為參考節點是已知坐標信息的節點，用于記錄與定位節點的RSSI值數據。終端作為定位節點，獲取附近參考節點坐標和RSSI值，計算自己的坐標值，發送至PC端，并通過PC上位機動態顯示出定位情況。

圖8 定位系統結構圖Fig.8 The positioning system architecture

3.1協調器節點設計

協調器在本系統中，通過廣播的方式發送位置查詢信息請求至定位節點，定位節點接收到該指令后開始進行定位計算，并把定位結果發送至PC端進行處理，實現定位坐標的動態顯示。協調器定位流程圖如圖9所示。

圖9 協調器定位流程圖Fig.9 The location flow chart of coordiantor

3.2參考節點設計

參考節點是已知坐標值的節點，在定位測試環境中均勻分布，并提供自身的坐標值以及發送最優RSSI值給定位節點。參考節點在定位節點廣播時，開始記錄RSSI值，當接收到定位節點發送請求RSSI命令后，將收集到的RSSI值求最優值后發送回定位節點，參考節點的定位流程如圖10所示。

圖10 參考節點的定位流程圖Fig.10 The location flow chart of referenced node

3.3定位節點設計

定位節點是要計算坐標的節點，一般需要三個或三個以上參考節點坐標和與之對應的RSSI值通過分布定位算法就可計算出定位節點的坐標。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)開啟協調器，配置ZigBee網絡。當PC端發送定位指令后，將發送至定位節點。定位節點會向網絡中廣播定位查詢請求。

2)定位節點接收到PC端發送來的定位指令后，開始進行廣播，在發送時只設置接收一跳范圍內的參考節點的坐標信息和最優RSSI值。

3)參考節點接收到定位節點的廣播信號后，開始記錄該定位節點RSSI值，并進行高斯概率模型處理，選擇出最優的RSSI值。

4)定位節點廣播完成后，參考節點向定位節點發送RSSI值和自身的坐標信息。

5)定位節點將收到的參考節點信息進行排序，從中選擇最優的3個,然后通過分布式定位算法計算出定位坐標。定位節點的定位流程如圖12所示。

圖12 定位節點的定位流程圖Fig.12 The location flow chart of locating node

3.4PC上位機設計

PC上位機是通過Qt Creator 5.5進行軟件開發，主要功能實現對照明燈具的智能控制、實時顯示照明燈具的開關狀態、以及在自定義地圖上標注定位節點位置信息和配置參考節點的位置信息等。

主界面如圖13所示，用于配置串口連接和web連接參數，同時實時顯示各個節點的連接狀態；照明界面如圖14所示，可以實現單燈控制、全局控制、256級PWM調光以及實施顯示燈具的開關狀態；自定義地圖定位界面如圖15所示，當對參考節點進行配置后，參考節點將以黃點顯示在自定義地圖上，同時定位節點獲取其定位坐標后將以紅點顯示在地圖上。

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 實驗與分析

通過對基于ZigBee的智能照明系統的拓展，完善定位功能，變得更加全面，更加智能。本章將通過實踐，本章重點對定位功能進行模擬測試和誤差分析。

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

4.1基于ZigBee的網絡定位系統測試環境搭建

本文所述定位服務，主要應用于較大的室內環境，如圖書館、超市、辦公樓等。在本節模擬測試實驗中，為了能實地測試本系統的基于ZigBee智能照明系統的定位服務，在有了第2節的理論支持以及定位算法模擬仿真的基礎上，通過實踐來驗證該定位服務的可行性。實驗場地選取本實驗樓的會議室。設置如下：將PC機連接ZigBee協調器作為網關，用于發射ZigBee網絡。而ZigBee模塊將放置在同一水平面上的兩側，充當參考節點并設置相應的坐標位置信息。同時，定位終端用紐扣電池供電，作為移動節點進行測量。如圖16所示進行實驗測試。

圖16 定位實驗場地實景圖Fig.16 The real map of experiment for site simulation

4.2實驗硬件介紹

本實驗選用了具有高性能的RF收發優點的CC2530片上系統作為ZigBee模塊。并將CC2530的最小系統分離出來成為單獨的模塊，貫徹模塊化思想。這樣不僅便于進行功能的拓展，也有利于對系統進行維護。ZigBee節點模塊的電路設計原理圖和最小系統成品圖如圖17和圖18所示。

圖18 CC2530最小系統模塊Fig.18 CC2530 microcomputer system module

而驅動電源電路采用兩級電路設，第一級采用QX1510驅動芯片電路方案對220 V交流電源進行濾波整流，完成AC/DC的電源轉換，向外提供兩路恒壓輸出，分別是9 V和43 V。9 V輸出經過電壓轉換向CC2530模塊和LED控制模塊QX9920芯片提供電源。第二級電路將45 V恒壓輸出通過QX9920調制芯片轉換為恒流輸出，CC2530模塊的IO口輸出PWM信號到LED恒流驅動器，實現對LED的調光和控制，其框架圖如圖19所示，實物如圖20所示。

4.3系統定位功能測試

4.3.1 實驗過程

利用4.1節搭建好的實驗場景，在能實現無線燈控的情況下，模擬室內定位的過程，并進行定位信息數據的采集和誤差分析，并將所設置好的坐標載入各個ZigBee模塊中，存入位置坐標信息，其坐標系建立如圖21所示，參考節點坐標設置如表1所示，此時PC上位機地圖如圖22所示，同時將移動節點放置于一確定點P(5,7)。

圖19 驅動電源框架圖Fig.19 The frame of driving power

圖20 驅動電源Fig.20 Driving power

表1 參考節點的位置分布

圖21 坐標系建立Fig.21 Coordinate System

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

組網成功后開始定位測試，定位節點根據圖12定位流程圖運行，參考節點將采集的RSSI信息發送至定位節點，定位節點再將RSSI值轉化距離值,然后通過分布定位算法計算出模擬坐標P1(6.2,7.9)。PC上位機定位顯示界面圖如圖23所示。

圖23 定位效果圖Fig.23 Location map

為了驗證實驗數據和分析誤差，將移動節點分別放置在實驗區內多個確定點，并記錄實際坐標和定位算法所得坐標，最后將定位算法所得坐標和實際坐標進行對比，通過MATLAB將這多組數據進行對比，如圖24所示。

圖24 定位實驗結果Fig.24 The results of postion test

4.3.2 實驗結果分析

通過實際模擬室內環境的測試可以得其誤差保持在2～3 m之間，與采用Matlab進行室內定位的仿真結果相近，計算得到的定位節點坐標可以不錯的反映出定位節點所在的位置。雖然基本實現了定位功能，完成了設計要求，但定位效果仍不理想，造成誤差的原因有以下幾個：

1)用戶實時定位時，動態的移動測試誤差比靜態的等待定位結果平穩下來的誤差要大，因為一直的移動會影響到RSSI測距的準確性，而且手持定位節點進行測量有時也是會遮蔽信號或者造成多徑效應。

2)定位實驗環境的復雜因素和簡化計算復雜度使得RSSI-d模型的建立不精確，A、n參數的選取導致距離測量存在誤差。

3)定位算法的采用，參考節點的密集數量和天線的放置也有很大的影響。

5 結語

本文以基于ZigBee的LED智能照明控制系統為基礎，利用ZigBee技術的低功耗、低成本、自組網的優點，在不增加硬件成本的前提下擴展出定位功能。對無線測距定位計算中的RSSI定位算法進行了初步研究，通過對信號傳播損耗模型中的參數A和n值的優化及采用分布定位算法，減小了測距和坐標計算的誤差，提升了LED智能照明系統的應用價值。

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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

廣東省重大科技項目資助項目(項目編號2014B010120004)；深圳市重大產業攻關項目(項目編號JSGG20140519105124218)