基于群体决策自主控制的街道照明系统∗

程新华 张 健

（汉中职业技术学院 汉中 723000）

基于群体决策自主控制的街道照明系统∗

程新华 张 健

（汉中职业技术学院 汉中 723000）

论文提出了一种街道照明的自主控制系统。所有的灯节点组成了一个基于无线传感器网络（WSN）的灯组，所有的灯构件通过形成树形拓扑与灯领导相通。灯构件周期性地使用光传感器收集环境照明。当发现照明低于预设阈值时，灯构件将向灯领导发送开灯投票，灯领导者通过投票进行组决策，并做出相应决定，并发送决定给所有灯组成员打开或关闭所有路灯网络。故障消息可以通过GPRS网络发送到远程路灯维护中心。该系统可以自动响应光感变化。群体决策的方法提高了抗干扰能力和照明控制系统的智能水平。

光传感器；无线传感器网络；群体决策；街道照明；自主控制

1 引言

街道照明控制系统是对街道灯和监视器的运行状态进行控制，为汽车和行人提供照明的控制系统。目前主要有三种类型的路灯控制系统：线控制系统、自控系统、无线控制系统［1］。线控制系统是将电源线和通信电缆安装在照明系统中，这种类型的系统中的所有灯都是由照明控制中心通过通讯控制电缆集中进行控制。这个系统的优点是控制精度和可靠性高，缺点是设备投资昂贵和维修困难。自控系统包括时间控制和光敏控制：时间控制是通过日常开启/关闭时间控制；光敏控制是利用光传感器为每个灯节点提供开关信号。自控系统比线控制系统更简单，设备投资成本更低，安装和未来维护方便。但是，定时器控制有适应环境照明的能力差变化，而光敏控制容易受到灰尘，雨和雪的影响。该系统的控制方式缺点是不灵活。无线控制系统包括无线控制，GPRS/GSM控制，无线传感器网络（WSN）控制等。无线控制系统的优点包括灵活配置，安装方便，有可扩展功能和双向通信。单个路灯的光控制很容易来自快速变化的环境照明的干扰。在不感知环境照明信息的情况下，无线控制缺乏智能。

为了避免当前照明控制系统的缺点，利用传感器，微电子和无线通信技术，有必要对街道照明系统的自主控制能力进行改进。无线通信技术具有低的优点成本低，易于实施和维护。它正在替换有线通信控制在很多场合。WSN具有网络适应性强，功耗低的特点消费，通信可信，低成本和大网络容量。它已被广泛应用于环境监控［2］，家庭自动化［3］，工业控制［4］和军事侦察［5］。群体决策可以缓解个人偏见，使参与者能够讨论，辩论和协调联盟的想法［6］。群体决策可建立一个投标决策模型对团体合理行为的承包商使用组决策理论［7］。

本文的主要目标是设计一条通过组合光传感器控制和无线的控制的街道照明控制系统。系统可以工作自动如打开/关闭工作环境中的路灯。受到社交动物和昆虫的决策机制的启发，我们将灯沿一条街道作为一个群体使用群体决策的方法来控制所有的灯节点。这个系统设计主要基于光传感器的照明控制系统，WSN和群体决策。所有的灯节点组成一个无线传感器网络（WSN），其中有灯领导，后继领导，和一些灯组件。所有的灯组件通过形成树拓扑与灯领导相通。灯组件周期性地使用光传感器收集环境照明数据，当发现照明低于预设阈值时，灯组件将发送投票给灯领导。灯领导计算投票数，当投票数大于预设阈值时，将发送一个开灯命令给所有灯组成员。像社交动物中的继承行为，系统中的后继领导者可以自动地取代当前出故障的灯领导者，并可以通过GPRS网络发送故障消息到远程路灯维护中心。实验结果表明，所提出的系统可以自动响应到环境光变化。并且群决策的方法提高了抗干扰性能力和照明控制系统的智能水平。本照明控制系统设计使用超级电容器为备用电源和使用灯领导继承的方法，从而实现不间断操作。

2 系统概述

在WSN中，有一个协调器，一些路由器和一些可选终端设备。图1示出了所提出的灯控制系统。该系统由灯领导，后继领导和一些灯组件组成。这里，灯领导和后继领导是协调员，而灯组件是路由器。每个路灯上安装一个灯构件，所有灯组件与灯领导形成树形拓扑。每个灯构件具有采集环境光强度数据的能力，并且能够处理数据和向灯领导传送灯ON/OFF控制投票数据。灯领导者通过投票进行群组决策，并做出相应决定。当有决定时，灯领导将发送决定给所有灯组成员打开或关闭所有路灯网络。灯头也可以桥接本地无线传感器网络到其他网络，如GPRS和互联网，用于将灯构件故障消息发送到街道照明维修中心。灯领导是决策者，在街道照明系统中有非常重要的地位。所以，当灯领导无法正常工作时，后继领导者被用来做代替者。并且后继领导也需要发送灯领导故障消息到路灯维护中心。

图1 基于小组决策的拟议路灯控制系统的架构

3 系统设计

3.1 灯领导

灯领导和后继领导有相同的架构。如图2所示，它们由电源模块，控制单元，GPRS模块，WSN模块和电压检测单元组成。

图2 灯领导和后领导的构成

电源模块将220 V AC转换为3.3 V DC给模块和单元。WSN模块从中接收投票并将它们发送到控制单元。控制单位处理这些投票，以决定哪一个命令需要发送到所有组成员。当控件元找到一个故障的成员，它将通过GPRS发送消息到街道照明维护中心模块。控制单元还需要检测电压电源模块为了判断是否有停电事故。

3.2 灯组件

如图3所示，灯组件是由电源模块，控制单元，两个继电器，一个灯传感器，电压检测单元和一些LED组成。

电源模块可以将220 V AC转换为5 V DC输送给两个继电器，并可以转化为3.3V DC给其他模块和单元。控件单元通过光传感器周期性地收集环境光强度数据。光传感器是由两个光敏电阻GL5528组合两个可以将光强度值转换成电压值的电阻组成的。加入WSN，灯组件将其投票发送给灯领导者。灯领导根据灯组件投票进行灯开闭决定。电压检测单元检测电源模块的电压判断是否有电缆故障，并检测流过灯的电流以查看灯是否正常工作。LED显示灯组件的工作状态。

图3 灯组件的构成

3.3 群体决策方法

我们的系统的目的是实现自主照明控制。因此，我们需要传感器来收集环境光强信息并做出自动控制决定。如图4所示，所有灯组件通过处理环境光强度信息进行开/关控制表决，并定期将投票发送给灯领导者。灯领导者统计不同灯组件的选票数。如果该数大于阈值，灯领导将向所有灯发送开灯命令，打开所有的灯，否则将向所有灯组件发送关闭命令。

图4 控制灯组件ON/OFF的群体决策

这里l是灯头领导所做的投票结果，值为1或0；n为灯构件的总数；i是从1到n；mi是来自第i灯具的投票，值也是1或0，1表示打开和0表示关闭；t是预设的阈值。当(mi)/n的值大于t，那么将发送开灯命令。

这个的数学模型描述为阶跃函数u：

4 系统实验

首先，对光传感器性能进行测试，得到阈值。其次，通过领导切换实验来测试开关效率。最后，给出实验室中照明控制系统群体决策的测试结果。

4.1 光传感器性能

用一个45W灯泡的台灯照灯组件中的光传感器。光传感器会将光强度值转换成电压值，发送到灯领导。灯领导又将电压值传输到PC。调整台灯到灯组件的距离，重复该试验20次。D表示灯组件和台灯之间的距离。结果示于图5。横轴表示灯组件和台灯之间的距离。纵轴表示不同环境光强度转换的电压值。

图5 光传感器测试结果

这个测试可以提供阈值电压的经验参数。电压在45cm的距离时是1000mV。在这个距离的照明类似于自然采光。因此在群体决策中将使用1000mV作为阈值电压。

4.2 领导切换

本节设计了一个简单的领导切换实验，并进行了验证所提出的领导切换功能方法。在实验中使用20个灯组件，以20cm间隔设置在两条线上，用来模拟小规模的街道照明场景。首先，我们关闭灯领导者，模拟灯领导出现故障事故的场景。然后，所有灯构件接合后领导者网络，测试出了20个灯组件的重新接合时间。如图6所示，横轴表示试验的编号，纵轴表示20个灯组加入后继领导的网络所花费的时间。

图6 20个灯组加入后继领导的时间

测试平均时间为34.15s。重新加入时间显示出领导转换效率，这对于在路灯控制中的不间断操作是很重要的。

4.3 群体决策

我们设计并进行了一项测试，以验证建议采取群体决策方法。在测试中使用灯领导和20个灯组件，LED用于显示灯组件是否工作，当继电器关闭，指示灯亮起，相反，灯管LED熄灭。设置投票比例的阀值为50%，这意味着投票数大于10，灯领导将控制所有灯开启。

图7 群体决策测试

如图7，我们用灯罩盖住灯体内的光传感器，实验发现，在t=4s，两个灯组成员的光传感器被覆盖。在t=13 s时，8两个灯组成员的光传感器被覆盖。在这两个时刻，所有灯具都没有打开灯，因为低于阀值。实验中我们看到，灯领导不会做出错误的决定打开所有灯组。当t=18s时，12个灯组成员光传感器在被覆盖，投票数大于阈值。灯头领导给所有灯构件发送开启命令。灯开LED熄灭，表示继电器已切换上。在t=24s时，当我们从两个成员中移走两个覆盖时，灯领导做出发送灯熄灯的决定，此时LED指示灯点亮表示继电器是关闭的。小型路灯系统在本试验中验证可以使用组决策方法街道照明系统的自主控制。

5 结语

我们提出了一个自主控制的街道照明系统。受社会组织模式的启发动物和昆虫，基于WSN的灯组架构组成的灯领导，后继领导和一些灯组件。灯具用灯传感器通过相互协作来进行ON/OFF控制决策。组决策中的投票方法克服了单个灯的错误动作，提高抗干扰能力和照明控制系统的智能水平。灯领导收集投票并决定是否以打开或关闭所有灯。当电流灯领导者失败，后继领导者可以成功作为一个新的灯领导者。光传感器的性能已经过测试。领导切换和群体决策功能已经通过实验成功验证。路灯照明系统设计的理想目标是系统可以很好得工作，为我们的日常生活提供安全稳定街道照明。

未来的工作将集中在以下方面：1）我们计划添加其他传感器并研究如何融合使用传感器，进一步提高系统的智能水平。2）我们计划开发新的算法来制造灯具互相更有效地合作和设计新的路由以缩短灯管头重建时间。

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Group Decision Making Based Autonomous Control System for Street Lighting

CHENG XinhuaZHANG Jian
（Hanzhong Vocational and Technical College，Hanzhong 723000）

This paper presents an autonomous control system for street lighting.All the nodes form a wireless sensor network（WSN）based light group，all the lamp components through the formation of a tree topology and the lamp connected.The light member periodically uses the light sensor to collect ambient illumination.When it is found that the illumination is below the preset threshold，The lamp component sends a turn-on vote to the lamp leader，who votes through the group decision and makes a decision and sends a decision to turn on or turn off all streetlight networks for all lamp group members.Fault messages can be sent to the remote network through the GPRS network maintenance center.The system can automatically respond to changes in ambient light.The method of group decision-making improves the anti-jamming ability and the intelligence level of lighting control system.

light sensor，wireless sensor network，group decision making，street lighting，autonomous control

TP873

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.10.012

Class Number TP873

2017年4月14日，

2017年5月24日

国家自然科学基金项目（编号：60974112）资助。

程新华，男，硕士，实验师，研究方向：电子电工技术以及自动控制系统。张健，男，讲师，研究方向：网络应用技术和软件开发。