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智能家居节能提醒算法及系统设计

发布时间:2018-11-29 01:06:05 文章来源:未来智讯    
    智能家居节能提醒算法及系统设计作者: 李厚恩 张云翔 黄安子   摘 要:为适应智能家居技能的迅速发展,同时降低人们依赖智能化、信息化设备产生的待机能耗,需要对智能家电进行合理化的节能规范。本文主要提出一种待机规律节能算法,通过以ZigBee协议与Android移动开发端设计一套针对智能家居使用的节能系统,利用算法合理推测用户本人的用电习惯,计算其以周期和日期时间点的智能家居使用频率,达到规范家电用电状态来节省电能的目的。本算法系统在智能家居节能方面表现出优势,有利于电力服务企业能源环保利用的发展。
  关键词:智能家居;ZIGBEE;家庭自动化;无线传感网络;Android;移动应用
  DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.126
  0 引言
  随着21世纪社会经济高速发展,人们对智能化生活的要求越来越高,智能家居产品如雨后春笋般发展,之前各式高端大气的智能家居逐步进入平民家庭。然而传统智能家用电器系统结构复杂,过分注重智能性与用户体验,导致了很多设备在待机状态下能量损耗巨大,在整体上浪费了大量电能。作者马芳在论文[1]中提出过利用智能开关的定时闭合断开来实现节能的方法,这种实现方式虽然断电时效性高,然而缺乏对一些关键电器设备的用电分析,容易造成节能错误而带来的家庭用电质量降落,给客户带来不好的体验。 针对当前智能家居节能局势,本文提出了ZIGBEE与ANDROID平台的智能家居节能系统,通过更有说服力的用户用电习惯数据分析对各智能家居设备分配节能时段,定制更灵活的智能家居待机环境,重点解决智能家居待机功率消耗问题。
  1 ZigBee相关技能与待机能耗
  1.1 ZigBee技能解析
  ZigBee技能是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通讯技能,主要符合于自动抑制和远程抑制领域,能够嵌入到各种设备中,同时支持地理定位功能。
  作为一种无线通讯技能,ZigBee具有如下特点:功耗低,成本低,时延短,网络容量大,高可靠性。 同时它也是一种无线连接,可事务在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分辨具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但能够继续增加。
  1.2 待机功率损耗
  待机能量研讨。张友军等研讨待机能量的专家学者在论文[2]指出电器在待机状态下的消耗功率不容忽视,而所谓的待机状态,指的是电器在不执行任何功率或者执行某些功能时候电器功率都达到最小化的情况。现在的智能家居电器,则大多增加了待机模式,有一些也称为睡眠模式。设计者常常为了追求用户体验和实现产品与协调器的实时通信,在内部编程设定了电器设备的能耗监测模块,这也就意味着单单依靠粗放的智能家居管理系统,智能性质使得更多的家电始终保持待机状态,以便卫星,微波,WIFI等通信网络连接,这会大大造成待机功率的损耗。
  2 基于ZigBee的智能家居节能系统
  2.1 系统架构
  从技能架构层面上看,智能家居节能系统分为执行层、通讯层和应用层。执行层主要负责环境信息,用电功率信息和上层指令的执行,如各个智能家电。通讯层作为应用层和执行层间信息传递的桥梁,比如家庭网关与协调器。应用层则是进行采集数据分析、对情景进行逻辑判断和提供人机交互界面等。
  总体系统运作流程分为指令调度方式和智能数据分析方式。指令调度方式:用户通过安卓的APP软件进行3G/WIFI等网络协议进行指令发送,家庭网关接收信息后,进行用户认证,确认用户权限适合后将应用层指令帧转换为硬件的指令编码传递到协调器,最终由协调器判断指令编码进行智能家居的电路开关调节等操作。
  智能数据分析方式:协调器通过电路中的功率传感器实时发送指令编码给家庭网关,由家庭网关进行数据收集,并分配时间段与信号帧传输到用户APP上。用户APP后台拥有智能待机规律算法,实时分析获取的数据并进行排序归档,并通过每个时间节点进行决策树运算,得出用电预测结论来提醒用户断电节能。
  2.2 硬件架构
  ZigBee芯片引用论文[6]硬件设计,选用32位基于Cortex-M3 ARM核心片上系统EM357,集成了2.4G与IEEE802.15.4兼容的无线收发器;使用192KB闪存和12KBRAM存储;具有较高的抗干扰性,能够与其他2.4G网络共存;同时具有产生随机数AES-128的加密引擎;硬件支持网络级调试;能够作为ZigBee协调器,路由器或者终端设备。
  硬件的主要设计包括家庭网关和终端节点的硬件设计,下面以家庭网关为例。
  为了充分利用Android移动端的资源和高计算能力,家庭网关选取用ZigBee USB Dongle方式实现。Prolific公司的PL2303HXD芯片是一款支持USB转串口的桥抑制器,可在Android系统上以USB形式来提供串口功能。
  2.3 网关设计
  (1)家庭网关软件设计选取了QT这款老牌嵌入式编程工具。抑制网关方面QT同时也提供了大量的开发文档和WebKit引擎支持。
  (2)设计ZigBee节点抑制指令,指令格式:桢头+节电编号+模块ID+传感器ID+下令+桢尾。
  (3)QT串口编程:QextSeriaIport类:该类主要是实现串口与串口间的通信,通过函数openCom()实现打开设备,再利用readCom()实现读取串口指令(指令如图)。最终在setLightStates传递各个传感器输送的信号,读取的信息保存在数组中,由槽函数connect()进行处理。
  2.4 移动端与待机规律节能算法实现
  移动应用端选取了安卓平台,为了提升移动端运行处理效率,故简化了传统智能家居驱动模块,选取了android-async-http开发框架,降低了数据压缩和排序压力。
  关键的算法技能:用户家电待机规律节能算法。
  本算法横向时间点是基于置信区间的决策树算法。安卓客户端在每个点实时获取家电传感器传来的功率信息,统计每一个时间点接下来的待机时间(单位为小时)。
  以星期一0时刻到3时刻列举说明,在其0时刻到9点时刻智能家电都是待机低功率状态(9点时候用户打开了家电,转为事务状态),则表中记为8,代表此后有8个小时待机时间,依次类推1点时刻则在后有7小时的待机时间。根据过往数据对当前点进行决策树推演,求取方差,标准差,该时间点的90%的置信区间Pr(c1
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