CN107046702A - 一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，包括监控中心、用于根据监控中心的指令进行灯光控制的灯光控制器和基于无线传感器网络进行灯光参数监测的灯光参数监测模块；所述灯光参数监测模块将监测到的灯光参数数据上传至监控中心，所述监控中心与灯光控制器信息交互。本发明将无线网络应用于大型灯光控制，实现了对场景内灯具运行现状的有效监测和控制。

Description

一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统
技术领域
本发明涉及灯光控制领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统。
背景技术
相关技术中的大型灯光终端控制系统大多利用以太网络进行数据的有线传输，存在着成本高、综合布线复杂、通信电缆选择等实际工程问题，限制了灯光终端控制系统的发展前景。在控制灯光终端系统时，技术人员需要对灯光命令、灯具开关及亮度调节等方面进行及时且准确的把握，需要一套完善、精确的无线传感网络对温度参数、亮度参数及颜色参数等灯光参数的变化进行有效监测，并根据灯光控制命令等其他要求，实现大型灯光的最好效果。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，包括监控中心、用于根据监控中心的指令进行灯光控制的灯光控制器和基于无线传感器网络进行灯光参数监测的灯光参数监测模块；所述灯光参数监测模块将监测到的灯光参数数据上传至监控中心，所述监控中心与灯光控制器信息交互。
本发明的有益效果为：将无线网络应用于大型灯光控制，实现了对场景内灯具运行现状的有效监测和控制。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1本发明的结构框图；
图2是本发明监控中心的连接框图。
附图标记：
监控中心1、灯光控制器2、灯光参数监测模块3、灯光参数数据存储模块10、灯光参数数据分析模块20、灯光控制指令发送模块30。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1、图2，本实施例提供的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，包括监控中心1、用于根据监控中心1的指令进行灯光控制的灯光控制器2和基于无线传感器网络进行灯光参数监测的灯光参数监测模块3；所述灯光参数监测模块3将监测到的灯光参数数据上传至监控中心1，所述监控中心1与灯光控制器2信息交互。
优选地，所述监控中心1包括依次连接的灯光参数数据存储模块10、灯光参数数据分析模块20、灯光控制指令发送模块30。
优选地，所述的灯光参数数据包括灯光温度、灯光亮度、灯光颜色。
本发明上述实施例将无线网络应用于大型灯光控制，实现了对场景内灯具运行现状的有效监测和控制。
优选地，所述灯光参数监测模块3采用下述网络模型的无线传感器网络：无线传感器网络由多个灯光参数监测传感器节点和一个基站节点组成，所有灯光参数监测传感器节点均匀并随机地分布在特定的灯光监测区域，周期性地采集数据，所有灯光参数监测传感器节点设定相同的通信半径，灯光参数监测传感器节点采集的灯光参数数据通过多跳中继的方式路由到基站节点；灯光参数监测传感器节点设置数据缓存队列来保存近期采集的K个灯光参数数据，并通过簇头节点传输到基站节点，其中K表示数据缓存队列一次性能保存的数据量。
其中，进行灯光参数数据采集的过程中，所述的无线传感器网络采用设定的分簇算法进行分簇，具体为：
(1)基站节点向一跳范围内的灯光参数监测传感器节点发送分簇指令，接收到基站节点的分簇指令的灯光参数监测传感器节点向其通信范围内的灯光参数监测传感器节点广播分簇指令，各灯光参数监测传感器节点根据分簇指令开始分簇，在所述的一跳范围内的灯光参数监测传感器节点中确定簇头节点；
(2)簇头节点广播邀请消息到一跳范围内的邻居节点，邀请消息包含该簇头节点的AR模型参数、在近期设定时间段采集的K个灯光参数数据的均值以及其距离基站节点的跳数，邻居节点接收到邀请消息后，根据是否满足定义的相似节点判定条件确定其是否为该簇头节点的相似节点，若邻居节点判定为簇头节点的相似节点，则该邻居节点加入到该簇头节点所在的簇中并成为拓展节点；若邻居节点判定为不是簇头节点的相似节点，则向该簇头节点发送拒绝消息；所述定义的相似节点判定条件为：
且
式中，表示簇头节点Wi的AR模型参数，表示簇头节点Wi的邻居节点Wj的AR模型参数，表示的协方差，表示的标准差，表示的标准差，表示簇头节点在近期设定时间段采集的K个灯光参数数据的均值，表示簇头节点Wi的邻居节点Wj的在近期同一个设定时间段采集的K个灯光参数数据的均值，F1、F2为设定的阈值参数；
(3)拓展节点向自身的邻居节点发送自身收到的邀请消息，邻居节点接收到拓展节点的邀请消息后，进行(2)的操作。
其中，上述的AR模型(即自回归模型)是当前值相对于过去若干个数据的线性回归，描述的是当前值与历史数据之间的依赖关系。γ阶的AR模型表示当前值可由过去γ个数据经线性回归拟合而得，表示为：
其中，为灯光参数监测传感器节点Wη的AR模型参数，Γ为设定的常数，ξ为白噪音；本优选实施例采用最小二乘法获取灯光参数监测传感器节点Wη的AR模型参数。
本优选实施例在采用无线传感器网络进行灯光参数数据采集的过程中，自定义了无线传感器网络的分簇算法，该算法考虑了灯光参数监测传感器节点采集的灯光参数数据在时间上的相关性，使得簇内灯光参数监测传感器节点的数目能够根据设定的阈值参数F1、F2进行自适应调整，优化了分簇的质量，能够大大减少灯光参数数据采集过程中的能量消耗，提高灯光终端控制系统的灯光参数数据采集效率。
优选地，设定的分簇算法中根据采集的K个灯光参数数据的均值确定两个灯光参数监测传感器节点是否为相似性节点，由于每个时间段采集的K个灯光参数数据的均值会不同，均值的更新将影响灯光参数监测传感器节点之间的相似性关系，从而需要进行重新分簇，以确保最佳的分簇性能，为解决这个问题，本优选实施例中，当簇头节点满足分簇调整判定公式时，基站节点向该簇头节点发送调整分簇指令，簇头节点接收到调整分簇指令后，向其簇内的成员节点广播调整分簇指令，接收到调整分簇指令的所有灯光参数监测传感器节点检验其与簇头节点是否仍是相似节点，若不是，则向附近的簇头节点广播请求消息，根据所述的相似节点判定条件加入到合适的分簇，所述的分簇调整判定公式为：
且
式中，为簇头节点Wi在第t+1时间段采集的K个灯光参数数据的均值，为簇头节点Wi在第t时间段采集的K个灯光参数数据的均值，为簇头节点Wi所在簇内的成员节点在第t+1时间段采集的K个灯光参数数据的均值，簇头节点Wi所在簇内的成员节点在第t时间段采集的K个灯光参数数据的均值。
本优选实施例在保证分簇性能的前提下，根据采集的K个灯光参数数据的均值的更新进行自适应的分簇调整，相比于直接进行重新分簇的方式，减少了基于无线传感器网络的灯光参数监测模块3的通信开销，提高了灯光参数数据采集的能量效率，降低了灯光终端控制系统的运行成本。
优选地，确定簇头节点时具体执行：
(1)灯光参数监测传感器节点在接收到基站节点的分簇指令后，计算自身的簇头竞争能力值，其中簇头竞争能力值的计算公式为：
式中，表示灯光参数监测传感器节点Wg的簇头竞争能力值，(Wg)、S(Wg)、L(Wg)分别为灯光参数监测传感器节点Wg的剩余能量、可用内存、链路分组丢失率，Q(Wg)max为灯光参数监测传感器节点Wg的能量的最大值，S(Wg)max为灯光参数监测传感器节点Wg的内存的最大值，α、β、γ为设定的权重系数，且Y1+Y2+Y3＝1；
若灯光参数监测传感器节点的簇头竞争能力值大于设定簇头竞争能力阈值，则将该灯光参数监测传感器节点作为备选簇头节点；
(2)计算所有的备选簇头节点在近期设定时间段采集的K个灯光参数数据的均值，将得到的所有均值进行降序排序，形成均值排序序列，将均值排序序列中的中值对应的备选簇头选为簇头节点，若存在备选簇头节点与簇头节点满足下列关系公式，则剔除该备选簇头节点：
式中，为选出的簇头节点Wi′在近期设定时间段采集的K个灯光参数数据的均值，为备选簇头节点Wj′所述的近期设定时间段采集的K个灯光参数数据的均值；
(3)将未被剔除的备选簇头节点作为簇头节点。
本优选实施例能够相对减少分簇的数量，在保证簇头质量的前提下提高了簇头选择的效率，通过上述的关系公式剔除备选簇头节点，能够避免选出的簇头节点之间具备较大的相关性，进一步节省基于无线传感器网络的灯光参数监测模块3的能量，提高灯光参数监测模块3的灯光参数数据采集质量。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征是，包括监控中心、用于根据监控中心的指令进行灯光控制的灯光控制器和基于无线传感器网络进行灯光参数监测的灯光参数监测模块；所述灯光参数监测模块将监测到的灯光参数数据上传至监控中心，所述监控中心与灯光控制器信息交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征是，所述监控中心包括依次连接的灯光参数数据存储模块、灯光参数数据分析模块和灯光控制指令发送模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征是，所述的灯光参数数据包括灯光温度、灯光亮度、灯光颜色。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征是，所述灯光参数监测模块采用下述网络模型的无线传感器网络：无线传感器网络由多个灯光参数监测传感器节点和一个基站节点组成，所有灯光参数监测传感器节点均匀并随机地分布在特定的灯光监测区域，周期性地采集数据，所有灯光参数监测传感器节点设定相同的通信半径，灯光参数监测传感器节点采集的灯光参数数据通过多跳中继的方式路由到基站节点；灯光参数监测传感器节点设置数据缓存队列来保存近期采集的K个灯光参数数据，并通过簇头节点传输到基站节点，其中K表示数据缓存队列一次性能保存的数据量。
5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征是，进行灯光参数数据采集的过程中，所述的无线传感器网络采用设定的分簇算法进行分簇，具体为：
(1)基站节点向一跳范围内的灯光参数监测传感器节点发送分簇指令，接收到基站节点的分簇指令的灯光参数监测传感器节点向其通信范围内的灯光参数监测传感器节点广播分簇指令，各灯光参数监测传感器节点根据分簇指令开始分簇，在所述的一跳范围内的灯光参数监测传感器节点中确定簇头节点；
(2)簇头节点广播邀请消息到一跳范围内的邻居节点，邀请消息包含该簇头节点的AR模型参数、在近期设定时间段采集的K个灯光参数数据的均值以及其距离基站节点的跳数，邻居节点接收到邀请消息后，根据是否满足定义的相似节点判定条件确定其是否为该簇头节点的相似节点，若邻居节点判定为簇头节点的相似节点，则该邻居节点加入到该簇头节点所在的簇中并成为拓展节点；若邻居节点判定为不是簇头节点的相似节点，则向该簇头节点发送拒绝消息；所述定义的相似节点判定条件为：
<mrow> <msqrt> <mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <msub> <mi>H</mi> <msub> <mi>W</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <msub> <mi>H</mi> <msub> <mi>W</mi> <mi>j</mi> </msub> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>F</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>|</mo> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>0</mn> </mrow>
且
式中，表示簇头节点Wi的AR模型参数，表示簇头节点Wi的邻居节点Wj的AR模型参数，表示的协方差，表示的标准差，表示的标准差，表示簇头节点在近期设定时间段采集的K个灯光参数数据的均值，表示簇头节点Wi的邻居节点Wj的在近期同一个设定时间段采集的K个灯光参数数据的均值，F1、F2为设定的阈值参数；
(3)拓展节点向自身的邻居节点发送自身收到的邀请消息，邻居节点接收到拓展节点的邀请消息后，进行(2)的操作。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的灯光终端控制系统，其特征是，当簇头节点满足分簇调整判定公式时，基站节点向该簇头节点发送调整分簇指令，簇头节点接收到调整分簇指令后，向其簇内的成员节点广播调整分簇指令，接收到调整分簇指令的所有灯光参数监测传感器节点检验其与簇头节点是否仍是相似节点，若不是，则向附近的簇头节点广播请求消息，根据所述的相似节点判定条件加入到合适的分簇，所述的分簇调整判定公式为：
且
<mrow> <msqrt> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>H</mi> <msub> <mi>W</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>H</mi> <msub> <mi>W</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>&gt;</mo> <mn>0</mn> </mrow>
式中，为簇头节点Wi在第t+1时间段采集的K个灯光参数数据的均值，为簇头节点Wi在第t时间段采集的K个灯光参数数据的均值，为簇头节点Wi所在簇内的成员节点在第t+1时间段采集的K个灯光参数数据的均值，簇头节点Wi所在簇内的成员节点在第t时间段采集的K个灯光参数数据的均值。
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