智慧照明场景下的目标探测与跨协议通信方法研究

发布时间：2020-05-18 18:18

【摘要】：智慧照明利用Wi Fi与Zig Bee等多种物联网(Internet of Things,IOT)和无线网络新技术,实现了对照明设备的智能化控制,凭借着良好的交互能力、自动化的控制方式、有效的节能模式被广泛应用于医院、家庭的灯光照明。现有的智能照明控制系统主要搭建于低能耗的Zig Bee平台,以用户手持设备的主动式控制方式为主,给用户带来操作不便和携带不适的感觉。且Zig Bee协议与Wi Fi等无线通信技术无法兼容,若采用价格高昂的专用协议转换设备,不仅会提高系统部署难度,而且会成为系统通信过程中的瓶颈。因此,现有智慧照明场景中存在控制方式不够人性化,以及多类型无线网络设备互动缺乏灵活性的问题。针对以上问题,本文以降低部署成本、设备成本,实现人性化的控制方式与全面提高系统灵活性为目的,对基于Wi Fi信号的目标探测方法以及Wi Fi到Zig Bee的跨协议通信(Cross-Technology Communication,CTC)方法进行了研究,致力于达到“人到灯亮,人走灯灭”以及多类型无线网络设备互联互通的效果。该研究成果能使智慧照明系统脱离对于手持设备输入控制信息以及协议转换设备的依赖性。本文的主要研究内容如下:1.提出了一种非绑定式且无需学习的目标探测方法Wi Detect,通过分析目标引起的Wi Fi信号波动特性,实现对目标的精准探测。在智慧照明存在的室内应用场景中,无线信号密集且复杂、环境噪声丰富且随机,均为分析Wi Fi信号带来严峻挑战。针对上述问题,Wi Detect融合巴特沃斯低通滤波等多种算法,对原始数据进行预处理,消除环境噪声影响,提取对目标敏感的数据,从而设计一种基于时域与频域的双阈值目标探测模型,有效避免训练与勘测带来的人力成本高问题。为符合低成本设备需求,本文将Wi Detect部署在商用Wi Fi平台上。分别在室内开阔大厅、实验室和办公室三种场景下进行真实实验验证,实验结果表明,Wi Detect在多种真实场景中的目标探测精度可达到90.03%以上。2.提出了一种低代价且具备抗干扰能力的跨协议通信方法Sense Comm,通过感知数据传输对信道RSSI(Received Signal Strength Information)的影响,在不需修改底层硬件或固件的基础上,实现Wi Fi到Zig Bee两种异构无线网络设备间的直接通信。在智慧照明存在的室内应用场景中,多种无线网络协议共存,引起信道竞争与通信干扰,使得现有的跨协议通信技术在干扰场景下的解码能力受限,导致异构无线网络设备间的通信受阻,为智慧照明场中的多类设备互动带来挑战。针对以上问题,Sense Comm依据干扰源与信号源对信道RSSI值的扰动幅度与持续时间的不同,基于特征差异性规则,提取信号源扰动的信道RSSI值集合以正确解码,完成异构无线网络设备间的通信,有效解决了智慧照明场景下多类型设备互动缺乏灵活性的问题。本文将Sense Comm原型系统部署在商用Wi Fi和Zig Bee平台上进行真实实验验证。实验结果表明,Sense Comm在误Symbol率(Symbol Error Rate,SER)为1.9%的基础上,达到163.4bps的吞吐量,从而验证了Sense Comm的可行性与有效性。
【图文】：

减少频域泄露及可处理多个频率分量的优势，，自然而然地成为本文加权平滑处理方法的首选。综上，本文提出基于汉宁窗的均值加权平滑算法，其中汉宁窗的获取公式如式（3.10）所示。 1 21 cos ,12 1nHann n n WW (3.10)其中， Hann n 为汉宁窗的结果，W 为窗大小，设通过 3.3.2 小节得到的子载波序号为index，其中基于汉宁窗的均值加权平滑处理算法公式如式（3.11）。 ,1,11 2 1'Windex mnindex m WnA i W n Hann nA iHann n (3.11)其中， ,'index mA i 为加权处理后的结果，A为3.3.2小节得到的最优势子载波数据，处理后的结果如图 5 所示。

图9 WiFi与ZigBee的信道分布示意图从图 9 中，我们可观测到 WiFi 的 13 个信道和 ZigBee 的 11-26 号信道工作在2.4GHz 频段内。因此，当 WiFi 在传输数据，并且两者同时工作在同一信道时（如WiFi 的 1 信道和 ZigBee 的 11 信道），ZigBee 读取到的信道 RSSI 值会发生变化，其本质原因在于：WiFi 传输数据导致信道被占用，导致所对应的信道中的接收端信号的功率强度增加，造成 ZigBee 读取到的信道 RSSI 值也就随之变化。综上，尽管 WiFi 和 ZigBee 无法直接完成通信，但是 ZigBee 可通过信道 RSSI 值判断信道是否被占用，以判断信道中是否有数据在传输。基于这种模式，依据 WiF传输数据为 Symbol‘1’，不传输数据为 Symbol‘0’的形式完成信息编码，在信息被编码而完成传输时，ZigBee 接收端读取到的信道 RSSI 值也会呈现相应的变化模式，即 Symbol‘1’对应信道 RSSI 值整体变高，Symbol‘0’对应信道 RSSI 值在低值处汇聚。为了更清晰的解释，本文通过真实实验进一步进行说明。在实验中，编码方式主
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM923;TN92

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本文编号：2670132