基于WSN的室內(nèi)光照強(qiáng)度感應(yīng)控制方法仿真

徐鶴桐,杜 狀,孫 楊

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 引言

近年來(lái),隨著無(wú)線傳感技術(shù)的不斷發(fā)展,我國(guó)的生活及工業(yè)領(lǐng)域都離不開(kāi)其技術(shù)支持,同時(shí)人們生活及工作質(zhì)量的要求也越來(lái)越高,而此時(shí)普通的照明技術(shù)已經(jīng)不能滿足大部分人們的需求。更多的群體開(kāi)始享受便捷化、舒適化的智能照明環(huán)境,但由于技術(shù)發(fā)展的不成熟,導(dǎo)致多數(shù)照明機(jī)制都是通過(guò)一根傳感總線來(lái)控制與之相連的所有控制器,這使得傳感器之間的通信速度非常慢,并且容易出現(xiàn)斷連現(xiàn)象。所以就需要一種完善且高效的光強(qiáng)感應(yīng)控制技術(shù)來(lái)提高智能化控制的靈活性及準(zhǔn)確性。

文獻(xiàn)[1]提出一種基于光伏陣列的照明強(qiáng)度控制方法,主要將原始的光強(qiáng)數(shù)據(jù)輸入到光伏陣列中,通過(guò)光伏特征判定與其相似的強(qiáng)度參數(shù),對(duì)此參數(shù)進(jìn)行剔除操作。該方法雖然檢測(cè)效率較高,但忽略了原始數(shù)據(jù)的自身誤差影響,導(dǎo)致控制誤差較大,影響整體過(guò)程的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[2]采集大量波段信息,分析特定波段頻譜,并與強(qiáng)度參考閾值進(jìn)行逐一對(duì)比,完成控制。該方法的計(jì)算基數(shù)較大、耗能較高,整體算法的實(shí)用性不強(qiáng),且數(shù)據(jù)太多容易造成控制誤差。

綜合上述問(wèn)題,本文提出了一種基于WSN的室內(nèi)光照強(qiáng)度感應(yīng)控制方法。利用WSN的感應(yīng)觸發(fā)技術(shù)幫助強(qiáng)度數(shù)據(jù)的高效檢測(cè),通過(guò)無(wú)線傳感器完成控制信號(hào)的傳輸,利用執(zhí)行器完成有效控制。整體方法控制誤差較小、感應(yīng)觸發(fā)靈敏度較高。

2 光強(qiáng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

為保證光照強(qiáng)度感應(yīng)控制的質(zhì)量,需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行粗大誤差[3]剔除,清除異?；蛟肼晹?shù)據(jù),在最大程度上降低計(jì)算及控制誤差,處理公式為

|vi|?3λ

(1)

(2)

式中,ζ表示計(jì)算偏差,在數(shù)據(jù)集Mn中采集30組原始光強(qiáng)數(shù)據(jù),利用上述規(guī)則進(jìn)行重復(fù)迭代計(jì)算,直至沒(méi)有誤差為止,迭代公式為

(3)

基于此公式就可將原始數(shù)據(jù)的誤差控制在可承受范圍之內(nèi),保證控制方法的質(zhì)量及效率。

3 基于無(wú)線傳感的光強(qiáng)感應(yīng)控制方法

采用WSN(Wireless Sensor Networks無(wú)線傳感器[4])方法,并結(jié)合感應(yīng)觸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的有效控制。

首先,利用數(shù)據(jù)采樣器對(duì)室內(nèi)的光強(qiáng)信息進(jìn)行采樣收集,通過(guò)事件觸發(fā)器判定該光照強(qiáng)度是否超出規(guī)定指標(biāo),如果超出,立即通過(guò)執(zhí)行器將信息發(fā)送至終端控制器中;如果未超出規(guī)定指標(biāo),那么將改變地理位置重新進(jìn)行檢測(cè)判定。為了確保控制器接收到的是實(shí)時(shí)有效的光強(qiáng)信息,需要不斷進(jìn)行更新,及多次迭代計(jì)算來(lái)保證數(shù)據(jù)的更新頻率,這樣才能降低控制誤差,提高整體效率。

建立光強(qiáng)控制的時(shí)間動(dòng)態(tài)模型為

(4)

設(shè)光強(qiáng)傳感器的采樣周期為T(mén);數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間序列ψ公式表示為

ψp={T,2T,3T,…,kp,…}

(5)

式中,kp表示采樣的常數(shù)值,kp∈A,當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),事件觸發(fā)器就會(huì)發(fā)送當(dāng)前的采樣數(shù)值,并標(biāo)記當(dāng)下的時(shí)間序列表示為ψt={t1,t2,t3,…,tk,…},可以看出ψt?ψp。為了保證無(wú)線控制器的信號(hào)狀態(tài)穩(wěn)定,所以需要設(shè)立一定的觸發(fā)條件,來(lái)提高控制的靈敏性

eT(t)Ωe(t)?σxT(t)ξx(t)

(6)

式中,t∈[tk,tk+1],σ表示可控制閾值;ξ表示序列呈正向?qū)ΨQ的時(shí)間矩陣,此時(shí)的誤差向量表示為

e(t)=x(tk)-x(t),t∈[tk,tk+1]

(7)

通過(guò)對(duì)上述式(3)的代入計(jì)算,可得出光強(qiáng)的控制量[6]表達(dá)式為

u(t)=f(x(tk))=f(x(t)+e(t)),t∈[tk,tk+1]

(8)

(9)

式中,|·|表示歐式范數(shù)[8](取常數(shù)值),通過(guò)上述推導(dǎo)可得出以下關(guān)系

(10)

由上述計(jì)算過(guò)程可知,|ei(t)|2?σ|xi(t)|2+θi表示分布式控制機(jī)制的光強(qiáng)感應(yīng)觸發(fā)條件,在無(wú)線傳感器的第i個(gè)觸發(fā)時(shí)刻下的表達(dá)式為

σ|xi(tk+mT)|2+θi|}

(11)

(12)

式中,min表示最優(yōu)目標(biāo);J(t)表示光強(qiáng)控制的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)。為了保證光強(qiáng)控制算法的準(zhǔn)確性及時(shí)效性,以上述傳感器節(jié)點(diǎn)為例,用|e1(t)|2表示基于動(dòng)態(tài)向量[9]的光強(qiáng)感應(yīng)觸發(fā)條件;σ|x1(t)|2表示基于狀態(tài)向量[10]的光強(qiáng)感應(yīng)觸發(fā)條件,給出基于二者關(guān)系下的控制條件變化示意圖,如下圖1所示。

圖1 光強(qiáng)感應(yīng)控制的觸發(fā)條件變化圖

從圖1中可以看出,基于狀態(tài)觸發(fā)條件σ|x1(t)|2的變化曲線整體保持在上方,而動(dòng)態(tài)觸發(fā)條件|e1(t)|2則在閾值線下方。說(shuō)明想要控制機(jī)制保持穩(wěn)定,就需要二者符合此規(guī)則σ|x1(t)|2≤|e1(t)|2,這樣就能確保光強(qiáng)控制算法的最大觸發(fā)率,減少誤判率、增強(qiáng)整體的控制效率。

4 光照強(qiáng)度控制的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

上述過(guò)程通過(guò)無(wú)線傳感完成了室內(nèi)光照強(qiáng)度感應(yīng)的有效控制,同時(shí)為了保證光強(qiáng)控制的準(zhǔn)確性及時(shí)效性。將通過(guò)補(bǔ)償函數(shù)減少控制信號(hào)的傳輸時(shí)延,以及計(jì)算誤差,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率,實(shí)現(xiàn)控制機(jī)制的高效運(yùn)作。

首先,設(shè)E(s)為控制機(jī)制的初始輸入值;建立信號(hào)傳輸通道F1(s)用來(lái)表達(dá)不確定的時(shí)延因素;F2(s)表示不確定時(shí)延因素的反饋通道;Go(s)表示被控對(duì)象;Y(s)表示系統(tǒng)的初始輸出數(shù)值;Gδf(s)表示傳輸通道時(shí)延的函數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié);Gδq(s)表示反饋通道時(shí)延的函數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié);e-c1s、e-c2s分別表示控制機(jī)制的傳輸時(shí)延;c1、c2分別表示控制機(jī)制中隨機(jī)出現(xiàn)的不確定時(shí)延量。

其中,信號(hào)傳輸通道Gδf(s)的函數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)表達(dá)關(guān)系式為

(13)

與上述同理,反饋通道Gδq(s)的函數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)表達(dá)關(guān)系式為

Gδq(s)=(1-e-c1s)Go(s)

(14)

控制過(guò)程中的補(bǔ)償機(jī)制需要根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)信號(hào)傳輸通道及反饋通道進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償,才能彌補(bǔ)控制時(shí)延影響的不確定性,保證控制精準(zhǔn)度。為此,需要利用差分方程來(lái)計(jì)算補(bǔ)償函數(shù)的詳細(xì)參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)高效的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

設(shè)原始被控對(duì)象的時(shí)延信號(hào)傳輸函數(shù)表達(dá)關(guān)系式為

(15)

將式(15)代入到式(13)、(14)中,就能對(duì)信號(hào)傳遞的時(shí)間進(jìn)行延遲計(jì)算,得到關(guān)于傳輸通道及反饋通道的補(bǔ)償傳遞函數(shù)為:

Gδf(s)=(γ1s3c2+(γ2c2+2γ1)s2+(γ3c2+2γ2)s+2γ3)

(γ1c2s3+(γ2c2+2γ1)s2+(γ3c2+2γ2)s+2γ3+2δ1c2)

(16)

Gδq(s)=2c1δ1(c1s3+(2γ2+c1γ2)s2+(γ3c1+2γ2)s+2γ3)

(17)

根據(jù)上述傳遞函數(shù)就可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸通道及反饋通道時(shí)延問(wèn)題的有效改善。

5 實(shí)驗(yàn)分析

5.1 實(shí)驗(yàn)背景

為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及真實(shí)性,將在某處居民樓室內(nèi)進(jìn)行光照強(qiáng)度控制實(shí)驗(yàn)。在住宅室內(nèi)部署1個(gè)傳感器總節(jié)點(diǎn)、5個(gè)光強(qiáng)感應(yīng)節(jié)點(diǎn)以及9個(gè)信號(hào)控制節(jié)點(diǎn),并搭載無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),方便數(shù)據(jù)的讀取和記錄。其中,傳感器總節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集最新的光照強(qiáng)度以及外界光照參數(shù);感應(yīng)層的全部節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)對(duì)采集強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行分類(lèi)挑選,剔除異常數(shù)據(jù),保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性、減少計(jì)算誤差;而控制層的全部節(jié)點(diǎn)則利用本文方法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度數(shù)值的有效控制,并進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋,確保信息的時(shí)效性。

另外,由于光強(qiáng)傳感器在工作時(shí)容易受到自身非線性輸入、輸出值以及外界環(huán)境因素的影響,所以必須在實(shí)驗(yàn)前對(duì)所有感應(yīng)、控制節(jié)點(diǎn)以及傳感器進(jìn)行敏感性檢測(cè)。并且對(duì)初始數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)平滑性處理,即對(duì)原始數(shù)據(jù)的輸入和輸出值進(jìn)行序列分組,然后再逐一平均化,以便減少外界干擾、降低計(jì)算誤差、增強(qiáng)數(shù)值參數(shù)的信噪比,進(jìn)而提高光強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)的時(shí)效性以及準(zhǔn)確性,完善實(shí)驗(yàn)過(guò)程。圖2為實(shí)驗(yàn)拓?fù)涫疽鈭D。

圖2 實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

5.2 光強(qiáng)感應(yīng)控制器的觸發(fā)時(shí)間對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比本文方法、光伏陣列控制法以及特定波段控制法下光強(qiáng)感應(yīng)的觸發(fā)時(shí)間,來(lái)判定各方法的信號(hào)控制效率,得出具體實(shí)驗(yàn)結(jié)論,如下圖3所示。

圖3 光強(qiáng)感應(yīng)觸發(fā)時(shí)間對(duì)比

從圖3中可以看出,在同一控制節(jié)點(diǎn)數(shù)量下,基于光伏陣列控制法以及特定波段控制法的感應(yīng)觸發(fā)時(shí)間曲線幅度較高,變化較為明顯。并且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,其所需時(shí)間也在不斷增大,相鄰兩次觸發(fā)間的時(shí)間間隔過(guò)大,周期性較差。這說(shuō)明二者方法的觸發(fā)感應(yīng)效果較差,控制機(jī)制的靈敏性不強(qiáng),這樣就會(huì)導(dǎo)致需要大量時(shí)間來(lái)完成信號(hào)的傳輸,整體效率較低、實(shí)驗(yàn)效果較差。

相對(duì)比下,本文方法所耗用的時(shí)間較短、效率較高,并且可以明顯看出,在每一節(jié)點(diǎn)處的觸發(fā)時(shí)間幾乎都是相等的,數(shù)值間的差異性不大。說(shuō)明本文可以很好地穩(wěn)定感應(yīng)信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)效性,保證在短時(shí)間內(nèi)完成光強(qiáng)信號(hào)的感應(yīng)與控制,在提高整體效率的同時(shí)還能增強(qiáng)信息的發(fā)送率。

5.3 基于光強(qiáng)控制信號(hào)的對(duì)比分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的控制效果,對(duì)比不同方法控制下的信號(hào)變化曲線,結(jié)果如下。

由圖4可知,沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何技術(shù)處理的原始控制信號(hào)變化曲線分布相對(duì)混亂,光強(qiáng)信號(hào)間的差值較大,浮動(dòng)范圍過(guò)廣,說(shuō)明檢測(cè)環(huán)境中的影響因素較多。

圖4 原始光強(qiáng)的信號(hào)變化曲線

從圖5中可以看出,光伏陣列法對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的控制效果較差,與原始數(shù)據(jù)相比只完成了局部改善,并且圖中的部分區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重干擾情況。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要就是,沒(méi)有對(duì)原始信號(hào)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,導(dǎo)致信號(hào)在控制器的輸入與輸出時(shí)受到二次干擾,影響方法控制性能。

圖5 光伏陣列法的控制信號(hào)變化曲線

從圖6中可以看出,相比于光伏陣列控制法該方法對(duì)信號(hào)控制的效果要相對(duì)優(yōu)異一些,但整體分布不夠均勻、數(shù)值間的差異性大,對(duì)于受干擾情況的處理效果不明顯,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)有效解決。

圖6 特定波段法的控制信號(hào)變化曲線

從圖7中可以看出,本文方法下信號(hào)變化曲線整體呈穩(wěn)定波動(dòng)趨勢(shì),并且相鄰采樣時(shí)間內(nèi)的信號(hào)差值不大,波動(dòng)幅度基本保持一致。這說(shuō)明本方法對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的控制效果較佳,有效改善了原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常噪聲及外界干擾問(wèn)題,提高了光強(qiáng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性及時(shí)效性。這主要是因?yàn)?本文不僅在檢測(cè)前對(duì)光強(qiáng)數(shù)據(jù)方差進(jìn)行了預(yù)處理,還實(shí)行了動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償,最大程度上降低檢測(cè)誤差、提高控制準(zhǔn)確率、增強(qiáng)算法魯棒性,并縮短了所需時(shí)間。說(shuō)明本方法具有較高的實(shí)用性,可具體應(yīng)用在公共安全、智能環(huán)保、智能交通、智能消防等多個(gè)領(lǐng)域。

圖7 基于本文方法的控制信號(hào)變化曲線

6 結(jié)論

通過(guò)分析室內(nèi)光照強(qiáng)度的分布狀況,本文給出一種基于WSN無(wú)線傳感器的方法實(shí)現(xiàn)有效控制。通過(guò)數(shù)據(jù)剔除的方式改善原始數(shù)據(jù)粗大誤差問(wèn)題、提高算法的魯棒性及準(zhǔn)確率。通過(guò)無(wú)線傳感器、光強(qiáng)數(shù)據(jù)采樣器、執(zhí)行器以及控制器,實(shí)現(xiàn)基于不同光強(qiáng)感應(yīng)觸發(fā)條件下的高效控制,保證控制質(zhì)量、降低時(shí)間耗用。最后,利用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償減少計(jì)算及判定誤差,增強(qiáng)算法的實(shí)用性。仿真結(jié)果證明,本文方法檢測(cè)誤差較小、控制質(zhì)量較高,可為各智能控制領(lǐng)域提供有效幫助。