基于室內(nèi)照明區(qū)域人員定位的探討*

陶 陶, 汪 勝

(安徽工業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院,安徽 馬鞍山 243000)

基于室內(nèi)照明區(qū)域人員定位的探討*

陶 陶, 汪 勝

(安徽工業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院,安徽 馬鞍山 243000)

首先根據(jù)照明燈的照明光路構(gòu)建照明模型確定定位區(qū)域并且建立定位向量，然后通過對室內(nèi)照明燈場景的分析，將定位場景分為三大類，在第一類和第二類中分別采用定位向量的方法實現(xiàn)目標的區(qū)域定位，在第三類中采用常見的三邊定位方法實現(xiàn)對目標的定位，最后針對實際環(huán)境對實驗結(jié)果產(chǎn)生的誤差，嘗試采用線性最小二乘法精確計算方法進一步優(yōu)化定位結(jié)果。

照明區(qū)域；定位區(qū)域；定位向量；線性最小二乘法

1 定位模型的建立

1.1 照明燈的照明模型

照明燈的照明亮度隨著與照明燈距離的增大而不斷減小，通常只有在距離照明燈較近的某一區(qū)域的亮度能夠滿足人員對照明的需求。為了確定能夠滿足照明需求的照明區(qū)域，系統(tǒng)根據(jù)照明燈的照明光路，構(gòu)建照明燈的照明模型。室內(nèi)照明燈距離地面有一定高度，以照明燈為頂點，照明燈的照明區(qū)域為圓錐形，取照明燈在豎直方向坐標為圓心，一定距離為半徑畫圓，所得到的圓為照明的照明區(qū)域，將區(qū)域確定為一個定位區(qū)域，如圖1所示。

圖1 照明燈照明模型Fig.1 Lighting model of lamp

1.2 定位向量的建立

在校內(nèi)通常每個學生都有一張校園IC卡，每張卡都有唯一識別號，系統(tǒng)中目標標簽也有唯一識別號存儲在標簽內(nèi)的芯片中，記為Tg，Tg作為定位向量中的第1個參數(shù)；目標標簽從進入閱讀器工作區(qū)域到離開閱讀器工作區(qū)域這段時間內(nèi)，在不同的時刻會產(chǎn)生標簽識別號和閱讀器識別號相同，但時間戳不同的多組定位向量，將時間戳記為t作為定位向量的第2個參數(shù)；當目標標簽進入閱讀器工作區(qū)域時，閱讀器檢測到目標標簽的時刻記為閱讀器的設(shè)置與標簽類似每個閱讀器都有唯一識別號記為Rd作為定位向量的第3個參數(shù)；閱讀器讀取到目標標簽的R值，系統(tǒng)計算出R值與閱讀器處R值之間的差值，記為ΔR，ΔR作為定位向量的第4個參數(shù)[4]。因此將定位向量記為〈Tg,t,Rd,ΔR〉。

2 區(qū)域定位場景分析

在室內(nèi)，根據(jù)空間布局的需要通常照明燈的安置存在多種情況，如單道走廊、走廊拐角處、樓道、室內(nèi)大廳等場所照明燈的安置情況不同，沒有單一的布局規(guī)律。因此將定位場景分為三類，第一類為1個標簽1個閱讀器；第二類為1個標簽2個閱讀器；第三類為1個標簽3個或者3個以上閱讀器。針對不同的場景類別，采用不同的定位方法，在第一類和第二類中采用定位向量的方法實現(xiàn)定位，在第三類中采用三邊定位算法實現(xiàn)定位[5]。

2.1 1個標簽1個閱讀器

如圖2所示，R1是閱讀器，圓形區(qū)域是閱讀器工作區(qū)域即照明燈的照明區(qū)域，圖2中曲線是標簽T1經(jīng)過閱讀器工作區(qū)域的移動軌跡，t1、t2分別指標簽T1進入和離開某個閱讀器工作區(qū)域的某一時刻。

圖2 1個標簽1個閱讀器Fig.2 A label for a reader

在圖2中是1個標簽經(jīng)過1個閱讀器工作區(qū)域，從t1時刻進入到t2時刻離開，在這段時間內(nèi)閱讀器R1始終能夠檢測到標簽T1，隨著時間的推移后臺服務(wù)器收集到多組標簽識別號和閱讀器識別號相同、信號強度差值不同的定位向量：

后臺服務(wù)器在處理多組定位向量時，只判斷閱讀器與信號強度兩個參數(shù)，每個閱讀器對應(yīng)一個信號強度差值ΔR，服務(wù)器根據(jù)定位向量產(chǎn)生時間的先后逐個處理每個定位向量，首先讀取第2個參數(shù)，確定閱讀器后調(diào)取閱讀器數(shù)據(jù)庫中存儲的ΔR與第1個定位向量中的ΔR1進行比較，當ΔR大于ΔR1時服務(wù)器下達指令點亮R1閱讀器處照明燈，再與第2個定位向量中的ΔR2比較，若ΔR大于ΔR2服務(wù)器不再下達指令直接處理第3個定位向量，整個過程一直持續(xù)到在第i組定位向量中ΔRi大于ΔR時服務(wù)器下達照明燈熄滅指令。

2.2 1個標簽2個閱讀器

圖3 一個標簽兩個閱讀器Fig.3 A label for two readers

如圖3所示，R1、R2是閱讀器，圓形區(qū)域是閱讀器工作區(qū)域即照明燈的照明區(qū)域，圖3中曲線是標簽T1經(jīng)過閱讀器工作區(qū)域的移動軌跡，t1、t2、t3、t4分別指標簽T1進入或離開某個閱讀器工作區(qū)域的某一時刻。

在圖3中是1個標簽經(jīng)過有重疊工作區(qū)域的兩個閱讀器，在t1時刻到t2時刻和t3時刻到t4時刻標簽分別在R1和R22個閱讀器工作區(qū)域移動，后臺服務(wù)器處理過程與圖2中原理相同。在t2時刻到t3時刻內(nèi)，標簽在R1和R2兩個閱讀器重疊的工作區(qū)域移動，閱讀器R1和R2均感知到標簽，并產(chǎn)生多組標簽識別號相同、閱讀器識別號不同、時間戳相同、ΔR不同的定位向量：

在處理定位向量時，系統(tǒng)首先根據(jù)第2個參數(shù)即閱讀器識別號將收集到的定位向量分成兩組：

R1組：

R2組：

為了避免在重疊區(qū)域兩閱讀器處照明燈同時點亮造成資源浪費，在圖3中用虛線將重疊區(qū)域分成兩部分，然后系統(tǒng)將兩組定位向量中的標簽識別號和時間戳同時相同的定位向量的第4個參數(shù)ΔR進行比較，最后處理ΔR較小的定位向量，理論上標簽在虛線左邊閱讀器R1處照明燈點亮，在虛線右邊閱讀器R2處照明燈點亮，但實驗發(fā)現(xiàn)存在著一定數(shù)量的實驗誤差[6,7]。

2.3 1個標簽3個或以上閱讀器

如圖4中所示，R1、R2、R3為閱讀器，圓形區(qū)域為其工作區(qū)域，虛線為目標標簽的移動軌跡。標簽經(jīng)過R1和R3獨立區(qū)域時，定位處理方式同一個閱讀器1個標簽相同；當標簽經(jīng)過R1和R2以及R2和R3兩閱讀器公共工作區(qū)域時，定位處理方式同兩個閱讀器1個標簽相同；當標簽在R1、R2和R33個共同區(qū)域時，采用常見的三邊定位法對標簽進行定位。另外，當3個以上閱讀器同時檢測到目標標簽時，依據(jù)RSSI定位模型，取3個R值最強的閱讀器，依舊采用3邊定位算法對目標進行定位[8]。

圖4 1個標簽3個閱讀器Fig.4 A label for three readers

值得一提的是當2個或2個以上標簽經(jīng)過閱讀器工作區(qū)域時，閱讀器感知到各個目標標簽，產(chǎn)生閱讀器識別號相同、標簽識別號不同、時間戳相同以及ΔR不同的多組定位向量，如有2個標簽T1和T2在R1閱讀器工作區(qū)域出現(xiàn)，系統(tǒng)收集到多組定位向量：

此時若仍然分組處理定位向量必然會有冗余定位向量，影響系統(tǒng)運行效率，因此要采取過濾算法將多余的定位向量過濾掉，減少系統(tǒng)運算時間。系統(tǒng)檢測各個定位向量的第2個參數(shù)與第3個參數(shù)，當出現(xiàn)若干個定位向量的第2個參數(shù)和第3個參數(shù)同時相同時，將其中任一定位向量定為冗余定位向量并將其過濾，只處理其中一個定位向量。在上述有兩個標簽T1和T2同時出現(xiàn)在R1閱讀器工作區(qū)域時，系統(tǒng)對收集到的定位向量進行過濾，剩余的定位向量如下：

即當兩個或者多個標簽同時在閱讀器工作區(qū)域移動時，系統(tǒng)對收集到的定位向量進行判斷，若兩個或者多個定位向量的時間戳和閱讀器同時相同時，采用過濾算法過濾掉冗余的定位向量，減少運行時間[9]。

3 基于線性最小二乘估計的誤差優(yōu)化

實驗的誤差主要來自采集信號強度值時外界噪音對其大小的影響，為了保證對目標節(jié)點的定位精度，除了依據(jù)ΔR值對目標節(jié)點區(qū)域定位以外，根據(jù)RSSI定位模型，采用數(shù)學方法對目標節(jié)點進行進一步的坐標定位，以此來減小實驗誤差，提高定位精度[10]。

目標節(jié)點進入閱讀器工作區(qū)域后系統(tǒng)檢測到目標節(jié)點信號發(fā)射信號強度值，根據(jù)無線信號RSSI的定位模型，采用以非線性優(yōu)化函數(shù)為基礎(chǔ)的定位計算方法，將非線性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為線性最小二乘估計問題，通過計算將定位坐標以代數(shù)解的形式得出，然后通過兩點坐標的距離計算公式進一步計算目標節(jié)點與閱讀器的距離，判斷目標節(jié)點是否在閱讀器工作區(qū)域，減小外界噪音對實驗帶來的實驗誤差。

由RSSI定位模型[11]可得節(jié)點間RSSI信號強度Pi與相對距離的關(guān)系式：

pi=p0-10βlgdi+εi

(1)

(2)

其中i=1,2,...,N，利用泰勒級數(shù)對式(2)的右邊進行展開，忽略高階項，由此式(2)變換為

(3)

(4)

其中i=1,2,...,N，令z=[xyx2+y2]T，將式(4)改寫為線性矩陣形式為

(5)

依據(jù)線性最小二乘平方原理，參數(shù)z的無偏估計值為

(6)

(7)

其中i=1,2,...,N。

假設(shè)參數(shù)z的估計誤差為Δz，其值為

(8)

估計誤差Δz的方差為

(9)

從參數(shù)z提取出z(1∶ 2)即為被定位目標節(jié)點坐標[11]。

4 結(jié)束語

針對當前高校室內(nèi)照明燈的應(yīng)用現(xiàn)狀，基于現(xiàn)有的照明系統(tǒng)，引入了物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)。通過對照明區(qū)域的場景分析和設(shè)計，實現(xiàn)目標的區(qū)域定位，并針對實際環(huán)境所帶來的實驗誤差，對區(qū)域定位結(jié)果進行進一步優(yōu)化，實現(xiàn)目標在室內(nèi)照明區(qū)域的準確定位，最后依據(jù)目標位置信息，來控制照明燈的開啟與關(guān)閉，從而達到節(jié)能減排的應(yīng)用效果。

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責任編輯：田 靜

?現(xiàn)的基本思路是在室內(nèi)照明燈處安置閱讀器并采集標簽在閱讀器處接收的信號強度指示(

Signal Strength Indication,RSSI),記為R值，然后采集標簽在距離閱讀器一定距離處的R值，將這兩者的差值記為ΔR錄入數(shù)據(jù)庫[2]。當攜帶有標簽的人員進入閱讀器工作區(qū)域，閱讀器感知到標簽并檢測到標簽所在位置的R值，系統(tǒng)計算R值與標簽在閱讀器處R值之間的差值并與數(shù)據(jù)庫中ΔR比較，若產(chǎn)生的差值小于ΔR則系統(tǒng)發(fā)送指令點亮照明燈，從而達到照明的目的；隨著人員的走動，標簽與閱讀器兩者的距離不斷增大，閱讀器接收到標簽反射回來的R值越來越小，故而與標簽在閱讀器處的R值的差值越來越大，當差值大于ΔR時，系統(tǒng)發(fā)送指令熄滅照明燈，到此整個照明過程結(jié)束[3]。

Discussion on Personnel Position in Indoor Lighting Area

TAO Tao, WANG Sheng

(School of Computer Science and Technology, Anhui University of Technology, Anhui Maanshan 243000, China)

The positioning area is firstly determined according to the constructed lighting model based on the lighting lamp light path, and positioning vector is built. The analysis of indoor lighting lamp scene classifies the positioning scene into three classes, the regional position of the target is realized by respectively using positioning vector method in the first class and the second class, and the target position is achieved in the third class by using common three edge position method. Finally, the positioning results are further optimized by using precise calculation method of linear least square according to the deviation produced in experiments in actual environment.

lighting area; positioning area; positioning vector; linear least square method

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0003.016

2016-10-09；

2016-11-10. * 基金項目：國家自然科學基金(61402009)；賽爾網(wǎng)絡(luò)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新項目(NGII20150617);安徽工業(yè)大學研究生創(chuàng)新研究基金(2015073).

陶陶(1977-)，男，安徽無為人，副教授，博士，從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究.

TP391.7

A

1672-058X(2017)03-0088-05

高校校園教學樓和宿舍樓常見到兩種場景：一是教室或者辦公室的照明燈在只有少數(shù)人員時仍然全部點亮；二是走廊或者樓道的照明燈通常是聲控照明燈或者光控照明燈，聲音過大時某一區(qū)域的照明燈全部點亮或者天黑會引起走廊內(nèi)光控照明燈全部點亮直到天亮。兩種場景中，在無人或者有少數(shù)人員的情況下照明燈全部點亮必然會導(dǎo)致電力資源的浪費。為此，在現(xiàn)有照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)定位技術(shù)[1]，根據(jù)人員位置準確點亮局部照明燈達到最大化校園用電節(jié)能。