陶 陶, 汪 勝

(安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(duì)室內(nèi)照明燈場(chǎng)景的分析，將定位場(chǎng)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)的區(qū)域定位，在第三類中采用常見的三邊定位方法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位，最后針對(duì)實(shí)際環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的誤差，嘗試采用線性最小二乘法精確計(jì)算方法進(jìn)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(duì)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(diǎn)，照明燈的照明區(qū)域?yàn)閳A錐形，取照明燈在豎直方向坐標(biāo)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(gè)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(gè)學(xué)生都有一張校園IC卡，每張卡都有唯一識(shí)別號(hào)，系統(tǒng)中目標(biāo)標(biāo)簽也有唯一識(shí)別號(hào)存儲(chǔ)在標(biāo)簽內(nèi)的芯片中，記為Tg，Tg作為定位向量中的第1個(gè)參數(shù)；目標(biāo)標(biāo)簽從進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域到離開閱讀器工作區(qū)域這段時(shí)間內(nèi)，在不同的時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生標(biāo)簽識(shí)別號(hào)和閱讀器識(shí)別號(hào)相同，但時(shí)間戳不同的多組定位向量，將時(shí)間戳記為t作為定位向量的第2個(gè)參數(shù)；當(dāng)目標(biāo)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域時(shí)，閱讀器檢測(cè)到目標(biāo)標(biāo)簽的時(shí)刻記為閱讀器的設(shè)置與標(biāo)簽類似每個(gè)閱讀器都有唯一識(shí)別號(hào)記為Rd作為定位向量的第3個(gè)參數(shù)；閱讀器讀取到目標(biāo)標(biāo)簽的R值，系統(tǒng)計(jì)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(gè)參數(shù)[4]。因此將定位向量記為〈Tg,t,Rd,ΔR〉。

2 區(qū)域定位場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)景分為三類，第一類為1個(gè)標(biāo)簽1個(gè)閱讀器；第二類為1個(gè)標(biāo)簽2個(gè)閱讀器；第三類為1個(gè)標(biāo)簽3個(gè)或者3個(gè)以上閱讀器。針對(duì)不同的場(chǎng)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(shí)現(xiàn)定位，在第三類中采用三邊定位算法實(shí)現(xiàn)定位[5]。

2.1 1個(gè)標(biāo)簽1個(gè)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(biāo)簽T1經(jīng)過閱讀器工作區(qū)域的移動(dòng)軌跡，t1、t2分別指標(biāo)簽T1進(jìn)入和離開某個(gè)閱讀器工作區(qū)域的某一時(shí)刻。

圖2 1個(gè)標(biāo)簽1個(gè)閱讀器Fig.2 A label for a reader

在圖2中是1個(gè)標(biāo)簽經(jīng)過1個(gè)閱讀器工作區(qū)域，從t1時(shí)刻進(jìn)入到t2時(shí)刻離開，在這段時(shí)間內(nèi)閱讀器R1始終能夠檢測(cè)到標(biāo)簽T1，隨著時(shí)間的推移后臺(tái)服務(wù)器收集到多組標(biāo)簽識(shí)別號(hào)和閱讀器識(shí)別號(hào)相同、信號(hào)強(qiáng)度差值不同的定位向量：

后臺(tái)服務(wù)器在處理多組定位向量時(shí)，只判斷閱讀器與信號(hào)強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)，每個(gè)閱讀器對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度差值ΔR，服務(wù)器根據(jù)定位向量產(chǎn)生時(shí)間的先后逐個(gè)處理每個(gè)定位向量，首先讀取第2個(gè)參數(shù)，確定閱讀器后調(diào)取閱讀器數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的ΔR與第1個(gè)定位向量中的ΔR1進(jìn)行比較，當(dāng)ΔR大于ΔR1時(shí)服務(wù)器下達(dá)指令點(diǎn)亮R1閱讀器處照明燈，再與第2個(gè)定位向量中的ΔR2比較，若ΔR大于ΔR2服務(wù)器不再下達(dá)指令直接處理第3個(gè)定位向量，整個(gè)過程一直持續(xù)到在第i組定位向量中ΔRi大于ΔR時(shí)服務(wù)器下達(dá)照明燈熄滅指令。

2.2 1個(gè)標(biāo)簽2個(gè)閱讀器

圖3 一個(gè)標(biāo)簽兩個(gè)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(biāo)簽T1經(jīng)過閱讀器工作區(qū)域的移動(dòng)軌跡，t1、t2、t3、t4分別指標(biāo)簽T1進(jìn)入或離開某個(gè)閱讀器工作區(qū)域的某一時(shí)刻。

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

在處理定位向量時(shí)，系統(tǒng)首先根據(jù)第2個(gè)參數(shù)即閱讀器識(shí)別號(hào)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(shí)點(diǎn)亮造成資源浪費(fèi)，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(biāo)簽識(shí)別號(hào)和時(shí)間戳同時(shí)相同的定位向量的第4個(gè)參數(shù)ΔR進(jìn)行比較，最后處理ΔR較小的定位向量，理論上標(biāo)簽在虛線左邊閱讀器R1處照明燈點(diǎn)亮，在虛線右邊閱讀器R2處照明燈點(diǎn)亮，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在著一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)誤差[6,7]。

2.3 1個(gè)標(biāo)簽3個(gè)或以上閱讀器

如圖4中所示，R1、R2、R3為閱讀器，圓形區(qū)域?yàn)槠涔ぷ鲄^(qū)域，虛線為目標(biāo)標(biāo)簽的移動(dòng)軌跡。標(biāo)簽經(jīng)過R1和R3獨(dú)立區(qū)域時(shí)，定位處理方式同一個(gè)閱讀器1個(gè)標(biāo)簽相同；當(dāng)標(biāo)簽經(jīng)過R1和R2以及R2和R3兩閱讀器公共工作區(qū)域時(shí)，定位處理方式同兩個(gè)閱讀器1個(gè)標(biāo)簽相同；當(dāng)標(biāo)簽在R1、R2和R33個(gè)共同區(qū)域時(shí)，采用常見的三邊定位法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行定位。另外，當(dāng)3個(gè)以上閱讀器同時(shí)檢測(cè)到目標(biāo)標(biāo)簽時(shí)，依據(jù)RSSI定位模型，取3個(gè)R值最強(qiáng)的閱讀器，依舊采用3邊定位算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位[8]。

圖4 1個(gè)標(biāo)簽3個(gè)閱讀器Fig.4 A label for three readers

值得一提的是當(dāng)2個(gè)或2個(gè)以上標(biāo)簽經(jīng)過閱讀器工作區(qū)域時(shí)，閱讀器感知到各個(gè)目標(biāo)標(biāo)簽，產(chǎn)生閱讀器識(shí)別號(hào)相同、標(biāo)簽識(shí)別號(hào)不同、時(shí)間戳相同以及ΔR不同的多組定位向量，如有2個(gè)標(biāo)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(shí)若仍然分組處理定位向量必然會(huì)有冗余定位向量，影響系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)算時(shí)間。系統(tǒng)檢測(cè)各個(gè)定位向量的第2個(gè)參數(shù)與第3個(gè)參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)若干個(gè)定位向量的第2個(gè)參數(shù)和第3個(gè)參數(shù)同時(shí)相同時(shí)，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(gè)定位向量。在上述有兩個(gè)標(biāo)簽T1和T2同時(shí)出現(xiàn)在R1閱讀器工作區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)對(duì)收集到的定位向量進(jìn)行過濾，剩余的定位向量如下：

即當(dāng)兩個(gè)或者多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)在閱讀器工作區(qū)域移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)收集到的定位向量進(jìn)行判斷，若兩個(gè)或者多個(gè)定位向量的時(shí)間戳和閱讀器同時(shí)相同時(shí)，采用過濾算法過濾掉冗余的定位向量，減少運(yùn)行時(shí)間[9]。

3 基于線性最小二乘估計(jì)的誤差優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)的誤差主要來自采集信號(hào)強(qiáng)度值時(shí)外界噪音對(duì)其大小的影響，為了保證對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位精度，除了依據(jù)ΔR值對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)區(qū)域定位以外，根據(jù)RSSI定位模型，采用數(shù)學(xué)方法對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的坐標(biāo)定位，以此來減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高定位精度[10]。

目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域后系統(tǒng)檢測(cè)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度值，根據(jù)無線信號(hào)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(jì)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(jì)問題，通過計(jì)算將定位坐標(biāo)以代數(shù)解的形式得出，然后通過兩點(diǎn)坐標(biāo)的距離計(jì)算公式進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與閱讀器的距離，判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否在閱讀器工作區(qū)域，減小外界噪音對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。

由RSSI定位模型[11]可得節(jié)點(diǎn)間RSSI信號(hào)強(qiáng)度Pi與相對(duì)距離的關(guān)系式：

pi=p0-10βlgdi+εi

(1)

(2)

其中i=1,2,...,N，利用泰勒級(jí)數(shù)對(duì)式(2)的右邊進(jìn)行展開，忽略高階項(xiàng)，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(jì)值為

(6)

(7)

其中i=1,2,...,N。

假設(shè)參數(shù)z的估計(jì)誤差為Δz，其值為

(8)

估計(jì)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(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)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(duì)照明區(qū)域的場(chǎng)景分析和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的區(qū)域定位，并針對(duì)實(shí)際環(huán)境所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)區(qū)域定位結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在室內(nèi)照明區(qū)域的準(zhǔn)確定位，最后依據(jù)目標(biāo)位置信息，來控制照明燈的開啟與關(guān)閉，從而達(dá)到節(jié)能減排的應(yīng)用效果。

[1] 王剛,米欣.關(guān)于當(dāng)前高校節(jié)能管理的幾點(diǎn)思考[J].節(jié)能,2016,35(7):11-13

WANG G,MI X.Several Ideas for Energy Conseriation Managment in Colleges and Universities[J].Energy,2016,35 (7):11-13

[2] 祝正元,徐昌慶,劉乾晨,等.基于差分信號(hào)強(qiáng)度的指紋室內(nèi)定位算法[J].信息技術(shù),2014,38(8):96-99

ZHU Z Y,XU C Q,LIU Q C.Fingerprint Indoor Localization Algorithm Based on Differential Signal Strength [J].Information Technology,2014,38 (8):96-99[3] ZHONG P L,LIU L J.Bayesian Optimization RSSI and Indoor location Algorithm of Iterative Least Square[J].International Journal of Smart Home,2015,9(6)31-42[4] HE B.Method and Server for Collecting Radio Fingerprint Posi-tioning Data: U S, 9119085[P].2015-8-25

[5] 李軍懷,賈金朋,王懷軍,等.基于信號(hào)強(qiáng)度差的 RFID 室內(nèi)定位研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2015,42(11):154-157

LI J H,JIA J P,WANG H J.RFID Indoor Localization Based on Poor Signal Strength[J].Computer Science,2015,42 (11):154-157[6] ZHANG K Q.An Area State-aided Indoor Localization Algor-ithm and Its Implementation.[C]∥Communication Workshop (ICCW),2015 IEEE International Conference on,2015:1102-1110

[7] LI A G,LIU S S.RSSI Assisted in Distance-scale Mapping Positioning Algorithm.[C]∥Wireless Communication and Network:Proceedings of 2015 International Workshop on Wireless Communication and Network (IWWCN2015),2015:1719-1724

[8] 陳舒婭.模塊化機(jī)器人移動(dòng)定位系統(tǒng)的應(yīng)用和研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015,38(24):40-43

CHEN S Y.Application and Research of Mobile Positioning System Based on Modular Robot[J].Modern Electronic Technology,2015,38 (24):40-43

[9] CHEN G F.Dynamic Base Station Selection Strategies Based on Location Fingerprinting.[C]∥Antennas and Propag-ation(APCAP),2015 IEEE 4th Asia-Pacific Conference on,2015:1001-1010

[10] 李夢(mèng)含,夏小超.函數(shù)帶誤差的部分線性模型約束下的統(tǒng)計(jì)推斷[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,32(7):5-15

LI M H,XIA X C.Statistical Inference for the Partial Linear Model with Error Function [J].Journal of Chong-qing Technology and Business University(Natural Science Edition),2015,32 (7):5-15[11] 蔡朝暉,夏溪,胡波,等.室內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度指紋定位算法改進(jìn)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2014,41(11):178-181

CAI C H,XIA X,HU B,et al.Indoor Signal Intensity Fingerprint Localization Algorithm for Improvemen[J].Computer Science,2014,41 (11):178-181

[12] 袁鑫,吳曉平,王國(guó)英.線性最小二乘法的 RSSI 定位精確計(jì)算方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2015,28(10):1412-1417

YUAN X,WU X P,WANG G Y.Linear Least Square Method of Rssi Positioning Accuracy Calculation Method[J].Journal of Sensing Technology,2015,28(10):1412-1417

責(zé)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(biāo)簽在閱讀器處接收的信號(hào)強(qiáng)度指示(

Signal Strength Indication,RSSI),記為R值，然后采集標(biāo)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(kù)[2]。當(dāng)攜帶有標(biāo)簽的人員進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域，閱讀器感知到標(biāo)簽并檢測(cè)到標(biāo)簽所在位置的R值，系統(tǒng)計(jì)算R值與標(biāo)簽在閱讀器處R值之間的差值并與數(shù)據(jù)庫(kù)中ΔR比較，若產(chǎn)生的差值小于ΔR則系統(tǒng)發(fā)送指令點(diǎn)亮照明燈，從而達(dá)到照明的目的；隨著人員的走動(dòng)，標(biāo)簽與閱讀器兩者的距離不斷增大，閱讀器接收到標(biāo)簽反射回來的R值越來越小，故而與標(biāo)簽在閱讀器處的R值的差值越來越大，當(dāng)差值大于ΔR時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送指令熄滅照明燈，到此整個(gè)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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61402009)；賽爾網(wǎng)絡(luò)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(NGII20150617);安徽工業(yè)大學(xué)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(xué)樓和宿舍樓常見到兩種場(chǎng)景：一是教室或者辦公室的照明燈在只有少數(shù)人員時(shí)仍然全部點(diǎn)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(shí)某一區(qū)域的照明燈全部點(diǎn)亮或者天黑會(huì)引起走廊內(nèi)光控照明燈全部點(diǎn)亮直到天亮。兩種場(chǎng)景中，在無人或者有少數(shù)人員的情況下照明燈全部點(diǎn)亮必然會(huì)導(dǎo)致電力資源的浪費(fèi)。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(zhǔn)確點(diǎn)亮局部照明燈達(dá)到最大化校園用電節(jié)能。