群体决策在智能路灯控制系统中的应用

殷文龙 马小军 蒋月红

(南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏 南京 211816)

群体决策在智能路灯控制系统中的应用

殷文龙 马小军 蒋月红

(南京工业大学自动化与电气工程学院,江苏 南京 211816)

针对目前国内大部分城市路灯采用的定时控制和光敏控制易受干扰的问题,提出了一种基于ZigBee及群体决策的智能路灯控制系统。路灯节点通过ZigBee无线传感网向路灯群中的协调器发送开灯的投票信息,协调器利用群体决策的原理分析数据。如果开灯投票大于预先设置的极限值,协调器就向所有的路灯发送开灯的命令。试验表明,群体决策的方法解决了定时控制和光敏控制易受干扰的问题,提高了路灯控制系统的智能化水平。

ZigBee 智能路灯 群体决策 光敏传感器 无线传感器网络

0 引言

自动控制的能力体现了路灯控制系统的智能化水平,但是目前路灯控制系统的智能化水平还不是很高[1]。本文设计了一个光敏控制和无线控制相结合的路灯控制系统。该系统可以根据环境照度变化,自动控制路灯的开关。受群体决策原理的启发,可以把一个街道上的路灯看成是一个群体,运用群体决策的方法控制所有的路灯节点。

群体决策的现象不仅存在于人类社会活动中,而且在动物和昆虫中也存在这种现象。有些研究者通过研究蜜蜂群,选择它们新巢的群体决策的方法。而蚂蚁在选择新巢时也运用了群体决策的方法。蜜蜂群和蚂蚁群中的成员都是独立选择它们新巢的,它们不会受到其他成员的干扰。在动物和昆虫中,群体决策的方法是非常有效和精确的[2-3]。而本文中路灯控制系统中,开关灯的决策就是受到了动物和昆虫的群体决策的启发而产生的。

本文设计了一种基于光敏传感器、无线传感器网络和群体决策的路灯控制系统。

1 系统综述

整个路灯控制系统结构如图1所示。该系统由一个主协调器、一个辅助协调器和一些路灯节点组成。每一盏路灯上都安装一个光敏传感器,所有的路灯节点和协调器形成了一个树型网络拓扑结构[4]。每一个路灯节点具有采集光环境照度的能力,并能对这些数据进行处理,处理完之后将路灯开关的控制投票数据发送给协调器。

图1 路灯控制系统结构图Fig.1 Architecture of the street light control system

群体决策通过投票的方式进行决策。协调器根据投票决策的方法做出最终决定。在做出决定之后,协调器向无线传感器网络中所有的路灯节点发送开灯或关灯的控制信号。协调器可以通过GPRS向路灯管理中心发送路灯节点的故障信息。当主协调器出现故障时,本文设计了辅助协调器来代替主协调器。辅助协调器需要将主协调器的故障信息发送给路灯管理中心。

2 系统设计

2.1 路灯协调器

路灯主协调器和辅助协调器的结构相同,它们由一个电源供应模块、一个控制单元、一个GPRS模块、一个无线传感器网络模块和一个电压检测单元组成。

2.2 路灯节点

路灯节点由一个电源供应模块、一个控制单元、两个继电器、一个光敏传感器、一个电压检测单元和一些LED灯组成。控制单元通过光敏传感器定期地采集环境照度信息。光敏传感器是一个由TPS851光敏电阻组成的模块,这个光敏电阻可以将光强度值转化成电压值。控制单元由ZigBee2430模块组成,它可以处理电压值和得出开关灯的投票信号。

2.3 辅助协调器

协调器继承程序流程如图2所示。

图2 协调器继承程序流程图Fig.2 Flowchart of the coordinator inherit program

在无线传感器网络中,路灯的主协调器是网关,辅助协调器是后备网关,路灯节点是路由器。当网关中建立好一个网络之后,路由器加入这个网络组成一个无线传感器网络。网络ID用来区分不同的无线传感器网络。网关只允许拥有相同网络ID的路由器加入到无线传感器网中。两个协调器有两个不同的网络ID,分别是ID和ID1。路灯节点将两个网络ID存储起来。

2.4 群体决策方法

路灯控制的群体决策过程如图3所示。

图3 群体决策过程图Fig.3 The group decision-making process

所有的路灯节点通过定期对检测到的环境照度进行处理,得出开关灯的投票决定,并将这些投票信息发送给协调器。协调器计算出所有路灯节点的投票信息。如果这个数量大于预设值,协调器就向所有的路灯节点发送开灯的控制信息；否则就发送关灯的控制信息。这个过程的数学描述如下所示:

3 试验

首先做协调器开关试验,检测开关灯效率；然后检测试验标注下的路灯控制系统的群体决策的性能。

3.1 协调器开关灯试验

本文设计一个简单的协调器开关灯试验,验证协调器开关灯方案的功能。本次试验中采用了一个主协调器、一个辅助协调器和八个路灯节点,模拟一个小型的路灯方案。路灯节点分成两排,路灯间距20 cm。

开始时所有的路灯节点都加入主协调器。关闭主协调器,模拟主协调器出现故障的情景方案。然后所有的路灯节点加入到辅助协调器建立的网络中。节点加入辅助协调器的时间消耗如图4所示,水平轴表示测试的次数,垂直轴表示八盏路灯节点加入辅助协调器建立的网络中的时间,平均时间是33.62 s。重新加入网络的时间反映了协调器开关灯效率。对于像路灯这种无停电工作模式来说,这一性能是非常重要的。无线传感器网络重建的时间越短越好。

图4 节点加入辅助协调器的时间消耗图Fig.4 The time consumption for the node joining into the auxiliary coordinator

3.2 群体决策

我们设计一个试验来验证群体决策方法。本试验采用了一个协调器和八个路灯节点。在协调器中设置开灯投票数的极限值是50%。也就是说,开灯投票数大于4时,协调器将对所有的路灯节点发送开灯的命令。

试验过程中,用物体遮盖住光敏传感器。在10 s时,遮盖住其中的两个光敏传感器；在20 s时,遮盖住其中的三个光敏传感器。在这两种情形下,所有的路灯节点都没有开,因为开灯的投票数小于预设值。我们把这些情形看做是周围环境干扰因素。所以协调器在受到干扰的情况下,没有对所有的路灯节点做出错误的控制。在30 s时,遮盖住其中的五个光敏传感器。这时,开灯的投票数大于预设值,协调器向所有的路灯节点发送开灯控制命令。当我们将其中的两个光敏传感器的遮盖物移走之后,在40 s时,协调器向所有的路灯节点发送关灯命令。

这个路灯系统模型试验验证了群体决策方法可以应用到自动路灯控制系统中。根据蚂蚁群选取新巢地址的原理可知,群体个数的数量越多,最终的决策结果就越准确。因此,我们可以得出这样一个结论:随着路灯节点的数量不断的增加,开关灯决策的正确性就更加准确。在以后的工作中,我们将会对大规模的路灯控制系统进行试验[6-7]。

4 结束语

本文提出了一个自动路灯控制系统。受到像动物和昆虫的组织模型的启发,提出了由一个主协调器、一个辅助协调器和一些路灯节点组成群体结构的无线传感器网络模型。装有光敏传感器的路灯节点通过与其他的路灯节点相互通信合作做出开关灯投票决定。群体决策的投票决策方法可以克制因为个别路灯节点做出的错误判断,同样可以提高反干扰能力和路灯控制系统的智能化水平。路灯协调器收集开关灯的投票信息,最终向所有的路灯节点发送开关灯的控制命令。当主协调器出现故障时,辅助协调器可以代替主协调器作为新的主协调器。本文检测了光敏传感器的性能。协调器的开关灯和群体决策的功能都通过相关试验得到了验证。

[1] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[2] 杨雷.群体决策理论与应用[M].北京:经济科学出版社,2004.

[3] 杨善林.智能决策方法与智能决策支持系统[M].北京:科学出版社,2005.

[4] 林方键,胥布工.基于ZigBee网络的路灯节能控制系统[J].控制工程,2009,16(3):18-20.

[5] 黄晓,王钢.基于ZigBee技术的道路照明监控系统:中国, 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.基于粗糙集与遗传算法的群体决策模型研究[D].武汉:武汉理工大学,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。

殷文龙(1988-),男,现为南京工业大学控制工程专业在读硕士研究生;主要从事建筑智能化方向的研究。