移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)負(fù)載終端坐標(biāo)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換算法

史西兵，趙政文

(1. 西安財(cái)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(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710129)

1 引言

移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)安裝在不同物體上的傳感器，將接口與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，對(duì)物體賦予智能，實(shí)現(xiàn)人與物體、物體與物體的智能對(duì)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(shí)際需求之間產(chǎn)生較大缺口負(fù)載終端，而負(fù)載管理技術(shù)的出現(xiàn)，改變了這個(gè)局面。負(fù)載管理技術(shù)是使用微電子技術(shù)與傳感器技術(shù)對(duì)不同物聯(lián)網(wǎng)終端的參數(shù)進(jìn)行采集，記載各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時(shí)應(yīng)用數(shù)據(jù)，以此增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用性，但是改管理系統(tǒng)存在風(fēng)險(xiǎn)較為集中的問(wèn)題，局部故障就能引起系統(tǒng)整體癱瘓，由此文獻(xiàn)[1]根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)部署特點(diǎn)，構(gòu)建虛擬力的函數(shù)模型并引入基函數(shù)矩陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化部署。，但是這種管理模式會(huì)增加數(shù)據(jù)量，加大運(yùn)行成本；文獻(xiàn)[2]針對(duì)消息在物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)方向性擴(kuò)散的問(wèn)題，結(jié)合節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)的感知，研究節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型的基礎(chǔ)上提出了節(jié)點(diǎn)位置信息驅(qū)動(dòng)的終端緩存管理機(jī)制，但是這些信息經(jīng)過(guò)采集后，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)焦芾碇行?，過(guò)程較為繁雜，實(shí)際能耗并沒(méi)有得到控制。文獻(xiàn)[3]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用云技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)時(shí)性較強(qiáng)，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(fù)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(duì)其坐標(biāo)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行研究，主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于利用四點(diǎn)法直接計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的公式，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，滿足實(shí)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(fèi)。

2 移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)負(fù)載終端研究

2.1 負(fù)載終端測(cè)量計(jì)算

2.1.1 電參數(shù)采樣

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

通過(guò)作圖法能計(jì)算出一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)功率p(tn)，計(jì)算公式如下

pu(tn)=i(tn)

(1)

某個(gè)周期內(nèi)平均功率P的表達(dá)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(diǎn)的輸入信號(hào)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(dá)式，能通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)。此種方法利用A/D轉(zhuǎn)換器將交流輸入信號(hào)的模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。

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(gè)周期能進(jìn)行200次采樣。結(jié)合抽樣原則，增多采樣次數(shù)即可改善測(cè)量精準(zhǔn)度。所以測(cè)量誤差主要來(lái)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(guò)硬件電路與軟件程序?qū)崿F(xiàn)誤差補(bǔ)償。

2.1.2 電能參數(shù)測(cè)量

含有k次諧波并具有周期特性的非正弦輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)諧波分析后可得

(5)

(6)

2.2 移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)負(fù)載終端管理平臺(tái)構(gòu)建

2.2.1 結(jié)構(gòu)框圖

本次設(shè)計(jì)中，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)負(fù)載終端利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量、存儲(chǔ)和顯示等功能，使用通訊接口和上位機(jī)確保雙向通信，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷管理相關(guān)功能。

圖1 終端結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 負(fù)荷管理終端操作系統(tǒng)選擇標(biāo)準(zhǔn)

負(fù)荷終端設(shè)計(jì)要滿足連續(xù)運(yùn)行的要求，在正常運(yùn)行時(shí)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)用電端參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，以達(dá)到檢測(cè)測(cè)試點(diǎn)的用電狀態(tài)，管理負(fù)荷，另外，負(fù)荷端還要有一定的擴(kuò)展性。因此需要利用開(kāi)放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)容量增長(zhǎng)。

1)移植性

在嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)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(yùn)行于任意平臺(tái)的系統(tǒng)中。軟件的通用性常常無(wú)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(chǎng)為根本目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)資源的有效利用是選擇系統(tǒng)類型時(shí)要著重考慮的標(biāo)準(zhǔn)。

3)系統(tǒng)定制績(jī)效

針對(duì)產(chǎn)品需求，不同的用戶關(guān)注的焦點(diǎn)不同，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮系統(tǒng)的定制能力。

4)發(fā)展費(fèi)用

每次選擇都會(huì)對(duì)未來(lái)的開(kāi)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(fù)載終端坐標(biāo)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換算法探究

3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型建立

動(dòng)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(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。本文通過(guò)建立布爾莎模型對(duì)其進(jìn)行分析。

(7)

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

3.2 基于4點(diǎn)法的轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算

已知4點(diǎn)法由四個(gè)公共點(diǎn)構(gòu)成，可組成四組方程

(8)

將點(diǎn)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(guò)運(yùn)算得出反對(duì)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(diǎn)集P與Q的質(zhì)心分別表示為p、q，經(jīng)過(guò)中心化處理后的點(diǎn)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(guò)減少誤差函數(shù)方法對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)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(guò)中心化處理后的總誤差表達(dá)式為

(13)

當(dāng)Δ出現(xiàn)最小值時(shí)，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(shí)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(diǎn)當(dāng)做中心進(jìn)行坐標(biāo)變換[10]，從而達(dá)到小范圍的精準(zhǔn)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(gè)坐標(biāo)的公用點(diǎn)坐標(biāo)差值[11-12]，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)相對(duì)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(duì)應(yīng)四個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)修正量，利用雙線性內(nèi)插模型對(duì)其計(jì)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(diǎn)坐標(biāo)內(nèi)的四個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)a、b、c、d坐標(biāo)修正量，(B1，L1)，(B2，L2)，(B3，L3)，(B4，L4)代表四個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在舊坐標(biāo)系中經(jīng)緯坐標(biāo)；(Bp，Lp)描述待計(jì)算目標(biāo)經(jīng)緯度坐標(biāo)，z是待計(jì)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(zhǔn)度。

加權(quán)平均模型結(jié)合附近點(diǎn)對(duì)于中心點(diǎn)遠(yuǎn)近距離不同的權(quán)重，距離中心點(diǎn)越近的數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)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(diǎn)估計(jì)值，xi表示中心點(diǎn)附近數(shù)據(jù)點(diǎn)，wi是與數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)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(diǎn)到中心點(diǎn)距離，dmin為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到中心點(diǎn)最短距離。

距離計(jì)算方式通過(guò)大地線計(jì)算公式的簡(jiǎn)化形式表示

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

(18)

3.4.4 計(jì)算步驟

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

2)通過(guò)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(diǎn)附近一定半徑區(qū)域內(nèi)的公共點(diǎn)殘差擬合在格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)殘差；

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

5)經(jīng)過(guò)雙線內(nèi)插獲得網(wǎng)格中隨機(jī)一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)負(fù)載終端動(dòng)態(tài)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所提方法性能，對(duì)負(fù)載終端坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)需求，獲取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(guò)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(duì)誤差曲線的收斂效果較強(qiáng)且高于其它文獻(xiàn)方法，說(shuō)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?yàn)樨?fù)載終端具有設(shè)備數(shù)量多、分布分散以及通信實(shí)時(shí)性要求高等特性，因此必須選擇可靠性較高且方便維護(hù)的終端，且對(duì)終端維護(hù)時(shí)間有所要求，以下為本文方法與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]方法在終端維護(hù)時(shí)間上的對(duì)比：

圖3 不同方法轉(zhuǎn)換速度對(duì)比圖

由圖3可知，本文方法所用維護(hù)時(shí)間在最大坐標(biāo)時(shí)達(dá)到最高，與其它文獻(xiàn)方法相比，維護(hù)時(shí)間最多減少0.7s，說(shuō)明其對(duì)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(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，減少轉(zhuǎn)換誤差。

終端設(shè)備只將現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)裝置信息根據(jù)指定規(guī)范進(jìn)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(gè)過(guò)程中，轉(zhuǎn)換參數(shù)大小會(huì)影響轉(zhuǎn)換結(jié)果準(zhǔn)確度即轉(zhuǎn)換參數(shù)越大，結(jié)果準(zhǔn)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(yàn)證本文方法對(duì)參數(shù)的轉(zhuǎn)換效果即轉(zhuǎn)換參數(shù)大小。圖4為驗(yàn)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(duì)參數(shù)的轉(zhuǎn)換效果更好，因?yàn)樵谙嗤鴺?biāo)數(shù)量前提下所提方法坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所需時(shí)間低于其它兩種對(duì)比方法，因?yàn)樵摲椒ㄓ?jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便，提高轉(zhuǎn)換效率。

5 結(jié)論

1)負(fù)載終端可以對(duì)用電現(xiàn)場(chǎng)實(shí)行全方面監(jiān)控，是需求管理工具，利用所提方法對(duì)其進(jìn)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(duì)負(fù)載終端坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究。

2)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換網(wǎng)格時(shí)需要分析其靈活程度即轉(zhuǎn)換過(guò)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(shí)驗(yàn)表明，誤差值最高可降低到1，維護(hù)時(shí)間最多減少0.7s且轉(zhuǎn)換參數(shù)保持在0.8以上，實(shí)現(xiàn)提高負(fù)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(jì)不同密度子網(wǎng)格，這些網(wǎng)格只用來(lái)實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域覆蓋。