基于ZigBee的LED智能照明定位应用研究

傅晓明，柴广跃，钟海涛，田劲东，刘 文

(1.深圳大学光电工程学院，广东 深圳 518060;2.深圳市LED热管理与故障分析评估公共技术服务平台，广东 深圳 518060)

基于ZigBee的LED智能照明定位应用研究

傅晓明1，2，柴广跃1，2，钟海涛2，田劲东1，2，刘 文1，2

(1.深圳大学光电工程学院，广东 深圳 518060;2.深圳市LED热管理与故障分析评估公共技术服务平台，广东 深圳 518060)

本文主要研究基于ZigBee的LED智能照明系统的定位服务技术方案。在不增加每盏灯硬件成本的前提下,通过建立RSSI值测距模型，优化定位算法和设计ZigBee定位节点程序，使得用户可以使用LED灯进行物理信息的处理。用户可以对LED照明智能控制的同时实现定位等功能。

智能照明；ZigBee网络；定位；RSSI；LED

引言

随着“三网合一”、“三屏合一”的概念不断被提出[1]，人们越来越热衷于智能化的生活。基于ZigBee的LED智能照明技术将照明系统与智能控制、互联网络、终端设备以及应用程序完全地整合起来[2]。通过ZigBee网络，使得用户不仅能通过远程无线的方式对灯光进行随心所欲的设置和操控，如根据个人的偏好设置对应的灯光情景模式，或者为不同的时刻设置自己喜爱的照明效果，还可以使用该网络传输数据与信息。同时，利用ZigBee的射频特性辅之以相应的定位算法，更可使该系统扩展到定位、导航领域，特别适合于屏蔽卫星导航的室内定位服务的需求，如机场大厅、超市、餐饮、图书馆、仓库等需要定位服务的环境，在提供位置信息的同时还可推送需要的信息。

1 系统方案概述

本文所述系统的基本原理为通过ZigBee网络的无线数据传输实现对照明灯具的远程控制与监管，同时利用ZigBee无线射频信号的强弱实现室内的初步定位，并借助云网端实现“互联网+”的智能互联照明控制系统[3]，系统结构如图1所示。系统主要包括构建ZigBee网络的协调器、路由器、终端模块以及PC上位机、手机Android客户端和Web服务器。

ZigBee协调器通过串口USB数据线连接PC端口作为网关，一方面作为PC上位机的ZigBee网络的无线数据接收发送装置，实现PC上位机与ZigBee网络的通信。另一方面，ZigBee网关还兼顾互联网络与ZigBee网络的通信桥梁，实现手机Android客户端通过移动互联网超远程接入照明控制系统。

ZigBee路由器则协助和搜索其它设备加入ZigBee网络，并作为数据跳转的中继通信设备，能无限扩大网络范围。本文所述系统中，ZigBee路由器还将作为照明灯具的指令接收器。用户将可以根据个人的偏好，通过PC上位机由网关发送指令至各个路由器，设置对应的灯光模式。

ZigBee终端将作为定位节点，搜索附近最优ZigBee路由器，计算最优RSSI值，转换成距离值，通过定位算法计算定位坐标。

PHP服务器通过WebSocket协议与PC端的实现云连接，实现ZigBee网络与互联网络的通信，则手机客户端可以介入移动互联网，长距离的监控照明系统。

图1 系统总体结构Fig.1 The system structure

2 基于RSSI定位算法研究

目前，GPS全球定位计算是最受欢迎的定位技术，但该技术主要用于室外定位，同时GPS接收器在室内工作时，将受建筑物阻挡影响而大大衰减[4]。而ZigBee网络的短距离、自组网、低功耗的特点[5]，在室内定位受到广泛的关注。本文基于RSSI测距定位原理[6]，通过已知发射端的信号发送功率和接收端接收到的信号强度值计算，得出无线信号在传播过程中传播损耗的函数关系，然后使用经验信号传播模型将传输损耗转化为距离，最后采用分布式定位算法计算定位坐标。

2.1建立RSSI值的测距模型

在无信号增益的理想情况下，信号的传播损耗有一定的理论模型，本文重点研究的测距模型是长期衰弱模型[7]，该模型衰减公式如式(1)所示：

其中n是信号传播损耗指数，Xσ表示一个均值为0的服从高斯分布的随机指数，d0表示距离为1 m，Pd0就是对应的信号强度值，记为A，令A=Pd0+Xσ，Pd的值实际可用RSSI(d)表示[8]。在实际测量中，公式(1)最终在室内环境的传播关系模型[9]化为

式(1)式(2)给出了室内环境中无线信号传播的RSSI值与距离d的理论关系模型，其中A为一个经验值[10]，被定义为离发送端距离1 m时接收到的平均信号强度值，n为与环境相关的路径传输常数。

2.2基于RSSI测距的定位算法

建立RSSI的测距模型后，接着就是利用获得的测量距离和已知的参考节点坐标，通过三边测量法[11]计算定位坐标。已知坐标A(xa,ya)、B(xb,yb)、C(xc,yc)的三个参考节点，假设定位节点坐标D(x,y), 各参考节点到定位节点的距离分别是da、db、dc,分别以这三个参考节点为圆心，画半径为da、db、dc的三个圆，在理想的情况下三个圆交于定位节点，如图2所示。那么三边测量法的公式如下：

由方程(3)可得到

图2 三边测量法原理图Fig.2 Principle of three-bonier measurement

三边测量法是应用在三个圆相交于一点的理想情况下，但是在实际应用情况下，由于测距误差和环境干扰等问题，三圆并不能交于一点，这时若再使用三边测量法将会出现无解[12]的情况，所以本文采用分布式的方法[13]来计算定位坐标，其过程如下。

步骤一：以这三个参考节点为圆心，以RSSI测距距离为半径画圆，此时每两个圆之间的位置关系可能是以下3种情形：没有交点即两圆相离、有一个交点即两圆相切、有两个交点即两圆相交。原理如图3所示。

步骤二：先对以参考节点A、B为圆心的两圆位置关系进行分析，当这两圆相离时，则可认为定位节点的其中一个相关位置在两圆心连线上，则定位节点D的相关位置DAB在线段AB上，且|ADAB|∶|DABB|=dA∶dB；当两圆相切时，则该切点就是定位节点D的相关位置DAB；当两圆相交时，以第三个参考节点C作为参考，取其中一个靠近参考节点C的交点作为定位节点D的相关位置DAB。

步骤三：然后再分别以参考节点A、C和参考节点B、C为圆心，重复步骤二，对两圆的位置关系进行分析，确定出定位节点D在AC圆心连线上的相关位置DAC和在BC圆心连线上的相关位置DBC。

步骤四：在理想情况下这三个相关位置是相交于同一点，但是实际情况下并不重合，那么这三个点所围成三角形的质心坐标则为定位节点D的定位估计坐标。设OAB、OAC、OBC的坐标分布为(xAB,yAB)、(xAC,yAC)、(xBC,yBC)，则定位节点坐标值如下式：

从以上定位过程中可看出，先计算出定位节点的三个相关位置，再根据相关位置获取定位节点的坐标，很好的适应定位过程中的各种情况，提高定位精度。

图3 分布定位算法原理图Fig.3 Principle of Distributed Localization Algorithm

2.3算法仿真与结果分析

本小节将利用MATLAB模拟室内环境，实现对加权质心定位算法、三边测量法和分步定位法进行模拟仿真，并分析各个算法的定位误差。假设测试环境在100 m×100 m的区域内，100个参考节点均匀的分布在此区域内，参考节点用黑实点表示，定位节点用星号表示。并引入一定的室内环境噪声干扰，其中参考节点与定位节点的RSSI测距距离是RSSI值通过加入高斯噪声后模拟的。同时，对50个随机的定位坐标分别采用三种定位算法来进行模拟仿真计算出实验坐标，并将结果与实际的定位坐标进行误差分析。三边测量定位仿真结果如图4所示，加权质心定位仿真结果如图6所示，分步定位仿真仿真结果如图8所示，误差分布结果如图9所示。

图4 三边测量定位仿真分布图Fig.4 The simulation map of trilateration localization

图5 加权质心定位仿真分布图Fig.5 The simulation map of Weighted Centroid Localization

图6 分布式定位仿真分布图Fig.6 The simulation map of Distributed Localizati

图7 三种定位算法的定位误差统计图Fig.7 The statistical grap of three kinds of the mobile localizationalgorithm

由仿真结果可得，采用三边测量法测得的定位节点的坐标位置会比较分散，与实际坐标位置偏离较远。这是因为，三边测量法受环境影响最大，当参考节点的信号强度所拟定的三圆不能交于一点时，会出现无解的情况，造成计算出的定位坐标误差大。

而采用分布式定位算法结果会比其他定位方法稳定，定位结果最为接近实际的定位坐标。其主要是因为分布定位算法首先选取待测定位节点最近的3个参考节点，并利用利用3个参考节点中的2个，求出定位节点的3个相关位置，再求出3个相关位置的中心，即定位坐标位置，这样能减少了环境噪声带来的误差，同时引入高斯模型能减小接收信号的波动性，也减少了一定的误差，有效的提高了定位精度，不过缺点是二次方程的求解过程计算量较大。

3 基于ZigBee的LED智能照明的定位系统设计

通过对定位算法的研究，在ZigBee智能照明的基础上增加定位应用服务，其布局结构如图8所示。网关通过串口连接PC端，负责PC端的数据发送接收装置。路由器作为参考节点是已知坐标信息的节点，用于记录与定位节点的RSSI值数据。终端作为定位节点，获取附近参考节点坐标和RSSI值，计算自己的坐标值，发送至PC端，并通过PC上位机动态显示出定位情况。

图8 定位系统结构图Fig.8 The positioning system architecture

3.1协调器节点设计

协调器在本系统中，通过广播的方式发送位置查询信息请求至定位节点，定位节点接收到该指令后开始进行定位计算，并把定位结果发送至PC端进行处理，实现定位坐标的动态显示。协调器定位流程图如图9所示。

图9 协调器定位流程图Fig.9 The location flow chart of coordiantor

3.2参考节点设计

参考节点是已知坐标值的节点，在定位测试环境中均匀分布，并提供自身的坐标值以及发送最优RSSI值给定位节点。参考节点在定位节点广播时，开始记录RSSI值，当接收到定位节点发送请求RSSI命令后，将收集到的RSSI值求最优值后发送回定位节点，参考节点的定位流程如图10所示。

图10 参考节点的定位流程图Fig.10 The location flow chart of referenced node

3.3定位节点设计

定位节点是要计算坐标的节点，一般需要三个或三个以上参考节点坐标和与之对应的RSSI值通过分布定位算法就可计算出定位节点的坐标。定位整体流程图如图11所示，其定位步骤如下：

图11 定位整体流程图Fig.11 The location flow chart

1)开启协调器，配置ZigBee网络。当PC端发送定位指令后，将发送至定位节点。定位节点会向网络中广播定位查询请求。

2)定位节点接收到PC端发送来的定位指令后，开始进行广播，在发送时只设置接收一跳范围内的参考节点的坐标信息和最优RSSI值。

3)参考节点接收到定位节点的广播信号后，开始记录该定位节点RSSI值，并进行高斯概率模型处理，选择出最优的RSSI值。

4)定位节点广播完成后，参考节点向定位节点发送RSSI值和自身的坐标信息。

5)定位节点将收到的参考节点信息进行排序，从中选择最优的3个,然后通过分布式定位算法计算出定位坐标。定位节点的定位流程如图12所示。

图12 定位节点的定位流程图Fig.12 The location flow chart of locating node

3.4PC上位机设计

PC上位机是通过Qt Creator 5.5进行软件开发，主要功能实现对照明灯具的智能控制、实时显示照明灯具的开关状态、以及在自定义地图上标注定位节点位置信息和配置参考节点的位置信息等。

主界面如图13所示，用于配置串口连接和web连接参数，同时实时显示各个节点的连接状态；照明界面如图14所示，可以实现单灯控制、全局控制、256级PWM调光以及实施显示灯具的开关状态；自定义地图定位界面如图15所示，当对参考节点进行配置后，参考节点将以黄点显示在自定义地图上，同时定位节点获取其定位坐标后将以红点显示在地图上。

图13 主界面示意图Fig.13 Home screen

图14 智能照明控制界面Fig.14 The intelligent lighting control interface

图15 自定义地图界面Fig.15 User interface of custom map

4 实验与分析

通过对基于ZigBee的智能照明系统的拓展，完善定位功能，变得更加全面，更加智能。本章将通过实践，本章重点对定位功能进行模拟测试和误差分析。

图17 CC2530最小系统原理图Fig.17 The schematic diagram of the CC2530 minimum-system

4.1基于ZigBee的网络定位系统测试环境搭建

本文所述定位服务，主要应用于较大的室内环境，如图书馆、超市、办公楼等。在本节模拟测试实验中，为了能实地测试本系统的基于ZigBee智能照明系统的定位服务，在有了第2节的理论支持以及定位算法模拟仿真的基础上，通过实践来验证该定位服务的可行性。实验场地选取本实验楼的会议室。设置如下：将PC机连接ZigBee协调器作为网关，用于发射ZigBee网络。而ZigBee模块将放置在同一水平面上的两侧，充当参考节点并设置相应的坐标位置信息。同时，定位终端用纽扣电池供电，作为移动节点进行测量。如图16所示进行实验测试。

图16 定位实验场地实景图Fig.16 The real map of experiment for site simulation

4.2实验硬件介绍

本实验选用了具有高性能的RF收发优点的CC2530片上系统作为ZigBee模块。并将CC2530的最小系统分离出来成为单独的模块，贯彻模块化思想。这样不仅便于进行功能的拓展，也有利于对系统进行维护。ZigBee节点模块的电路设计原理图和最小系统成品图如图17和图18所示。

图18 CC2530最小系统模块Fig.18 CC2530 microcomputer system module

而驱动电源电路采用两级电路设，第一级采用QX1510驱动芯片电路方案对220 V交流电源进行滤波整流，完成AC/DC的电源转换，向外提供两路恒压输出，分别是9 V和43 V。9 V输出经过电压转换向CC2530模块和LED控制模块QX9920芯片提供电源。第二级电路将45 V恒压输出通过QX9920调制芯片转换为恒流输出，CC2530模块的IO口输出PWM信号到LED恒流驱动器，实现对LED的调光和控制，其框架图如图19所示，实物如图20所示。

4.3系统定位功能测试

4.3.1 实验过程

利用4.1节搭建好的实验场景，在能实现无线灯控的情况下，模拟室内定位的过程，并进行定位信息数据的采集和误差分析，并将所设置好的坐标载入各个ZigBee模块中，存入位置坐标信息，其坐标系建立如图21所示，参考节点坐标设置如表1所示，此时PC上位机地图如图22所示，同时将移动节点放置于一确定点P(5,7)。

图19 驱动电源框架图Fig.19 The frame of driving power

图20 驱动电源Fig.20 Driving power

表1 参考节点的位置分布

图21 坐标系建立Fig.21 Coordinate System

图22 地图显示界面Fig.22 The display interface of map

组网成功后开始定位测试，定位节点根据图12定位流程图运行，参考节点将采集的RSSI信息发送至定位节点，定位节点再将RSSI值转化距离值,然后通过分布定位算法计算出模拟坐标P1(6.2,7.9)。PC上位机定位显示界面图如图23所示。

图23 定位效果图Fig.23 Location map

为了验证实验数据和分析误差，将移动节点分别放置在实验区内多个确定点，并记录实际坐标和定位算法所得坐标，最后将定位算法所得坐标和实际坐标进行对比，通过MATLAB将这多组数据进行对比，如图24所示。

图24 定位实验结果Fig.24 The results of postion test

4.3.2 实验结果分析

通过实际模拟室内环境的测试可以得其误差保持在2～3 m之间，与采用Matlab进行室内定位的仿真结果相近，计算得到的定位节点坐标可以不错的反映出定位节点所在的位置。虽然基本实现了定位功能，完成了设计要求，但定位效果仍不理想，造成误差的原因有以下几个：

1)用户实时定位时，动态的移动测试误差比静态的等待定位结果平稳下来的误差要大，因为一直的移动会影响到RSSI测距的准确性，而且手持定位节点进行测量有时也是会遮蔽信号或者造成多径效应。

2)定位实验环境的复杂因素和简化计算复杂度使得RSSI-d模型的建立不精确，A、n参数的选取导致距离测量存在误差。

3)定位算法的采用，参考节点的密集数量和天线的放置也有很大的影响。

5 结语

本文以基于ZigBee的LED智能照明控制系统为基础，利用ZigBee技术的低功耗、低成本、自组网的优点，在不增加硬件成本的前提下扩展出定位功能。对无线测距定位计算中的RSSI定位算法进行了初步研究，通过对信号传播损耗模型中的参数A和n值的优化及采用分布定位算法，减小了测距和坐标计算的误差，提升了LED智能照明系统的应用价值。

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ResearchontheApplicationofLEDIntelligentLightingPositioningBasedonZigBee

FU Xiaoming1,2, CHAI Guangyue1,2, ZHONG Haitao2, TIAN Jindong1,2, LIU Wen1,2
(1.OptoelectronicEngineeringInstitute,ShenzhenUniversity，Shenzhen518060，China; 2.ShenzhenPublicTechnicalServicePlatformForLEDThermalManagement&FailureAnalysis,ShenzhenUniversity，Shenzhen518060，China)

LED intelligent lighting system based on ZigBee location-based services is studied. RSSI values ranging model is built without increasing cost of per lamp hardware to optimize localization algorithm and ZigBee locating node program, allowing users process physical information with LED lights. Users can control the LED lighting intelligently, and simultaneously, realizing its location function and etc.

intelligent lighting; ZigBee network; location; RSSI； LED

TP274.2

B

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.008

广东省重大科技项目资助项目(项目编号2014B010120004)；深圳市重大产业攻关项目(项目编号JSGG20140519105124218)