基于WIFI定位高校实验楼宇的智能照明优化设计
发布时间：2022-03-01
摘 要：利用 WiFi技术设计了一种实验楼宇智能照明控制系统。通过 AP站点对 WiFi站点进行测距，单片机通过通信层将测距结果传送给管理层中照明管理服务器进行实时定位处理，并下发控制命令，实现对实验楼宇中的照明设备进行智能远程控制。文章对智能照明系统的整体方案、硬件系统架构设计与软件系统架构设计进行介绍。最后经过系统功能测试，文中的智能照明控制系统具有实时定位，远程动态照明控制和照明节能等功能要求。
关键词：WIFI定位;实验楼宇;智能照明控制系统;
目前大部分高校实验楼宇照明系统控制基本上都还是手动操作。自然光线不足时，需要实验人员手动开启照明设备;光照良好时，也有亮灯情况;人员离开之后时常发生常明灯现象。这些都造成高校电力资源的浪费。在倡导低碳经济背景下，如何节约照明用电日益受到相关学者的关注。近年来网络通信、传感器和微控制器等技术因具有智能化、系统化、网络化、连接方便、组 网 灵 活、功 耗 小、成本低等特点，获得了迅猛发展，在技术上支持了对建筑物照明控制系统的优化设计。研究者们据此提出了大 量 的 智 能 照 明 控 制 系 统 的 设 计 方 案。文献[1-2]利用Zigbee技术设计出应用于不同的建筑物的智能照明控制系统。文献[3-4]为实现建筑物照明节能，利用 WIFI技术设计出一种室内智能照明控制系统。文献[5]利用红外线技术设计出一种智能照明系 统，实现了室内照明设备的远程控制。文献[6-7]利用有线网络通信技术设计出高校智能控制照明系统。文献[8-9]利用传感器技术设计出适合不同应用领域的照明智能系统。文 献[10-11]利 用 微 控制器技术提出了照明智能系统的方案。上述研究增加了整个建筑照明系统的自动控制功能，但没有细化为更小的照明区域并进行相关控制功能研究。当前，移动智能终端技术和移动互联网技术获得了很多可喜的成果，在此基础上，进行基于移动对象的位置服务已经广泛应用于诸多领域。随着 WIFI技术的成熟与普及，学者们已经开始研究 WIFI定位及其应用领域。在建筑物照明控制系统设计中，利用 WIFI定位技术对室内照明分区控制设计的分析研究目前基本处于空白。文章基于 WIFI定位技术和改进 RSSI测距技术方法，利用改进的三边加权质心的定 位 算 法[12-14]，围 绕 高 校 实 验 楼 宇，在 室内分区基础上，提出了一种室内智能照明系统控制优化设计。具有实时计算定位室内人员位置，动态控制室内照明区域设备，远程控制照明等功能，实现了高校实验楼宇的照明系统的智能控制和照明节能的刚性要求。
1 系统整体方案
文中实验楼宇智能照明系统是一套由感知层、通信层和管理层构成、基于 WIFI定位技术的智能控制 系 统。感 知 层 是 整 个 智 能 照 明 系 统 实 现 对WIFI站点定位数据的采集与系统照明控制命令的执行终端。由待定位的 WIFI站点和照明区域终端组成。待定位的 WIFI站点是室内人员的 WIFI功能的手机;照明区域终端可以采集 WIFI站点发射的 RSSI信号强度并上传给通信层，同时执行照明管理服务器下发的照明控制命令，启闭室内指定区域的照明设备。通信层是管理层与感知层的数据通道，为整个智能照明控制系统上行发送数据和下行接收数据提供了保障。主要由无线网、有线网、交换路由设备和 AP控制器组成。AP控制器负责对实验楼宇中全部 AP站点进行控制管理。管理层是实验楼宇照明控制系统的数据处理中心和管理控制中心，由照明管理服务器与管理终端组成，实现对WIFI站点的实时定位、追踪、监控和管理等，负责对各区域的上行距离数据按照预设的定位技术与算法进行定位运算处理，下发照明控制命令对感知层的照明区域终端进行远程实时控制。同时，管理员可以实时监控整个智能照明控制系统的工作状态，对突发照明事件做到及时人工优先干预控制。实验楼宇智能照明整体方案如图1所示。
2 AP布局与室内照明分区
高校实验楼宇智能照明控制系统中 AP站点的布局，由实验室内照明区域来确定。实验室一般约面积大小为60m2。将实验室划分为6个照明区域，大空间实验室可以划分更多个照明区域。每个照明区域中设置一个分区 AP站点和一定数量的照明设备。分区 AP站点要求沿着实验室的角落与边缘布置且分布均匀，同时在实验室横向中线上增加两个独立 AP站点。根据几何优化定位算法要求，每三个 AP站点就可以实现对移动设备定位，因此，在室内 AP站点布局时尽可能确保任意三个 AP站点之间组成一个三角形。这样，带有 WIFI功能的人员在实验室中活动时，其活动范围总是落在某三个AP站点的内部，便于精确定位。在实验室外走道顶部安装有专用 AP站点，与室内分区 AP站点组成无线 局 域 网，负 责 进 行 数 据 通 信。具 体 实 验 室AP布局与照明分区图示如图2所示。
3 软件架构设计
3.1 改进 RSSI测距方法
RSSI是最简单最基础的测距方法之一，RSSI测距技术是将信号强度的衰减转化为信号的传播距离。其具有 强 抗 多 径 衰 落 与 强 抗 干 扰 能 力 强 的 特点，对系统硬件的要求不高，在定位领域中受到广泛的应用。在 RSSI的测距计算模型中，基于固定的 WIFI站点发射信号强度值，对室内 AP站点所接收的信号强度值进行运算处理，计算出信号的传播损耗，利用 RSSI的测距技术计算模型，把信号传播损耗数据转换成距离数据。
3.2 改进的三边质心定位算法
传统三边测量定位算法是一种易理解易实现的算法，即通过3个 AP站点的位置数据，使用定位算法计算出待定位站点的位置。同时，它也是一种理想型的定位算法，要 求 以3个 AP 站 点 与 WIFI站点之间的距离为半径的三个圆相交于一点，这个共同交点即为待定位节点的位置。由于环境与计算误差的影 响，在 实 际 工 程 中，3个 AP 站 点 WIFI站点之间的距离为半径三个圆往往有6个交点，且没有共同的交点，通过数学方法从图中的6个交点中选出最为理想3个的交点，形成的三角图形。3个 AP站点与 WIFI站点之间的距离为半径的三个圆相交情况如图3 中所示。
3.3 智能照明控制系统的工作过程
文中设计的智能照明控制系统在系统初始化成功后，等待 WIFI模 块 启 动，WIFI模 块 启 动 后 整个照明系统开始处于工作状态。当用户手机进入实验室时，光敏传感器首先检测区域内光照强度，并将结果发送给单片机。若光照强度大于单片机中设定阈 值 (300lx)，则单片机不会启动照明驱动模块;反之，实验室内所有的照明区域终端中的WIFI模块 检 测 室 内 的 用 户 手 机 发 射 的 RSSI值，将其发送给各区域的单片机处理成距离数据，所有单片机将这些距离数据通过通信网络上传到照明系统中的照明管理服务器。服务器利用改进的三边质心定位算法对用户手机位置进行定位运算，并将定位结果处理成照明控制指令，并通过网络下发给指定的照明区域终端中单片机，最后由此区域终端中单片机启动照明驱动模块，照明驱动模块根据区域内的实时光照强度值开启并调整其中的照明设备功率值，以满足指定区域的光照要求。智能照明系统中的管理终端具有优先管理控制权，可以远程手动控制实验楼宇中室内区域 LED 照明设备的工作状态，工作流程如图4所示：
4 实验验证
为了验证文中基于 WIFI定位设计的高校实验楼宇的智能照明系统的功能，将智能照明控制系统应用于某高校实验楼内部，进行了系统定位精准性与节能性测试。
定位精准性试验：将实验楼中一间实验室分成6个 照 明 分 区，且 按 照 前 述 AP 布 局 要 求 将 8 个WIFI模块设置在指定位置，使用了10个用户智能手机在 室 内 指 位 置。手 机 分 布 位 置 如 图 5，并 启动。平面内对用户智能手机进行定位精度测试，系统最终的试验结果，两者的误差如图6所示。其中最小误 差 为0.05M，最 大 误 差 为0.34M，平 均 误差为0.13M。
系统节能性试验：用另一间具有相同数量和功率的照明设备普通实验室与上述智能照明实验室进行为期一个月的试验运行比较。其自动控制开灯率(开灯率=亮灯数/总灯数)见表1。由表中数据比较分析得出，本文基本 WIFI定位设计智能照明系统的白天开灯率较普通照明系 统 开 灯 率 降 低 了9.42%，晚上开灯率降低了25.82%。
5 结语
鉴于当前高校实验楼宇照明系统的控制现状，本文利用 WIFI定位技术设计了实验楼宇智能照明控制系统。该照明系统采用改进了的 RSSI测距方法，提高了 RSSI的准确度，利用改进了的三边质心定位算法，提升了 WIFI定位的精确度，减少了环境与计算误差的影响。经实验验证，本文设计的智能照明控制系统具有实时人员定位，自动控制照明设备，手动远程控制照明设备等功能，实现了高校实验楼宇的照明系统的智能控制和照明节能的要求，为其他建筑物室内照明系统的控制设计提供一个新思路。——论文作者：潘有顺 彭天昊 康万杰
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