山東淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué) 劉佩旺

基于微信平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)

山東淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué) 劉佩旺

本文設(shè)計(jì)了一種基于微信平臺(tái)的只能家居系統(tǒng)，包括設(shè)置于智能終端的微信平臺(tái)、智能家居控制模塊、智能家居控制中心和智能家居監(jiān)測模塊，所述智能家居監(jiān)測模塊用于采集智能家居的設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給智能家居控制中心并經(jīng)智能家居控制中心傳送至微信平臺(tái)。

智能家居；微信平臺(tái)；監(jiān)測終端

一、前言

現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)主要有兩個(gè)弊端：一是用戶必須通過特定的終端(如遠(yuǎn)程電話或者掌上電腦)才能對智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和對智能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，對使用的設(shè)備和環(huán)境有特定要求；二是用戶必需要自己搭建智能終端控制管理系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)的框架與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其連接框圖如圖2所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 智能家居系統(tǒng)連接框圖

本文設(shè)計(jì)的基于微信平臺(tái)的智能家居控制系統(tǒng)，包括設(shè)置于智能終端的微信平臺(tái)1、智能家居控制模塊2、智能家居控制中心3、智能家居監(jiān)測模塊4，所述智能家居監(jiān)測模塊4用于采集智能家居的設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給智能家居控制中心3并經(jīng)智能家居控制中心3傳送至微信平臺(tái)1；所述智能家居控制中心3通過通信網(wǎng)絡(luò)與微信平臺(tái)1連接，并基于微信平臺(tái)1的家居控制請求向智能家居控制模塊2發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，智能家居控制模塊2根據(jù)控制信號(hào)控制相應(yīng)的智能家居設(shè)備開啟或關(guān)閉。

所述智能家居控制中心3包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器10、應(yīng)用程序服務(wù)器20，所述的應(yīng)用程序服務(wù)器20在收到微信平臺(tái)1的數(shù)據(jù)訪問請求時(shí)將數(shù)據(jù)訪問請求發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器10，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器10根據(jù)數(shù)據(jù)訪問請求調(diào)出相應(yīng)數(shù)據(jù)供用戶查看；所述的應(yīng)用程序服務(wù)器20在收到微信平臺(tái)1的家居控制請求時(shí)生成控制信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)送至智能家居控制模塊2。所述的通信網(wǎng)絡(luò)是2G、3G、4G或WIFI網(wǎng)絡(luò)。

本文設(shè)計(jì)的智能家居監(jiān)測模塊4基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能家居的設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，包括傳感器節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)基站，在部署傳感器節(jié)點(diǎn)之前，將設(shè)定的智能家居監(jiān)測區(qū)域平均劃分為4×4的方形子區(qū)域，在每個(gè)方形子區(qū)域中隨機(jī)部署傳感器節(jié)點(diǎn)，所述的移動(dòng)基站與智能家居控制中心3連接。移動(dòng)基站在傳感器節(jié)點(diǎn)部署完成后進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的定位，并按照設(shè)定的訪問路徑移動(dòng)，進(jìn)行智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，其中進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的定位時(shí)，具體執(zhí)行：

(1)設(shè)定移動(dòng)基站的通信半徑R，R的設(shè)定公式為：

式中，Ω為智能家居監(jiān)測區(qū)域的面積，Pf表示第 f 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)失效的概率，為部署的傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

(2)將每個(gè)方形子區(qū)域的頂點(diǎn)作為移動(dòng)基站的測距點(diǎn)，并確定各測距點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)實(shí)際情況對測距點(diǎn)進(jìn)行排序，初始時(shí)，移動(dòng)基站位于智能家居監(jiān)測區(qū)域左下角所在的測距點(diǎn)，并按照排序情況順序移動(dòng)到每個(gè)測距點(diǎn)；

(3)移動(dòng)基站每移動(dòng)到一個(gè)測距點(diǎn)時(shí)，即暫時(shí)停留，與通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行RSSI測距并保存，并結(jié)合相鄰兩個(gè)測距點(diǎn)計(jì)算通信范圍內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，設(shè)移動(dòng)基站在測距點(diǎn)Ωb、Ωc對傳感器節(jié)點(diǎn)Ea進(jìn)行RSSI測距，測距點(diǎn)Ωb的坐標(biāo)為(xb, xb)，測距點(diǎn)Ωc的坐標(biāo)為(xc, xc)，則傳感器節(jié)點(diǎn)Ea的位置坐標(biāo)(xa, xa)通過結(jié)合下列兩個(gè)公式計(jì)算：

其中，Dab、Dac分別為移動(dòng)基站在測距點(diǎn)Ωb、Ωc對傳感器節(jié)點(diǎn)Ea進(jìn)行RSSI測距獲得的歐式距離。

在進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的定位過程中，由移動(dòng)基站負(fù)責(zé)大部分的計(jì)算和通信任務(wù)，能夠有效降低傳感器節(jié)點(diǎn)通信及計(jì)算負(fù)載，此外，定義了移動(dòng)基站的通信半徑設(shè)定公式，在保證對所有傳感器節(jié)點(diǎn)都能夠進(jìn)行RSSI測距的前提下使得移動(dòng)基站的通信半徑最小化，從而節(jié)省智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集的能耗。

上述的按照設(shè)定的訪問路徑移動(dòng)，進(jìn)行智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，具體包括：

(1)進(jìn)行訪問路徑設(shè)定，將相鄰四個(gè)方形子區(qū)域的中心點(diǎn)作為移動(dòng)基站進(jìn)行智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集時(shí)的停留站點(diǎn)，則智能家居監(jiān)測區(qū)域中共有四個(gè)停留站點(diǎn)，將各停留站點(diǎn)按照與移動(dòng)基站初始位置的距離由近到遠(yuǎn)的順序直線連接形成的路徑設(shè)定為移動(dòng)基站的訪問路徑；

(2)開始分簇，對于每個(gè)方形子區(qū)域，在移動(dòng)基站通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)中選取狀態(tài)值最大的傳感器節(jié)點(diǎn)作為該方形子區(qū)域的簇頭節(jié)點(diǎn)，共形成四個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，設(shè)WEi表示在移動(dòng)基站通信范圍內(nèi)的方形子區(qū)域中第i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)即Ei的狀態(tài)值，定義WEi的計(jì)算公式為：

式中，QEi、SEi、MEi分別表示Ei的當(dāng)前剩余能量、當(dāng)前可用內(nèi)存、一跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)，QEi為Ei的第j個(gè)跳鄰居節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前剩余能量，SEi為Ei的初始內(nèi)存，D(Ei, 0)為Ei到方形子區(qū)域所對應(yīng)的停留站點(diǎn)的歐式距離。

其余的傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身與四個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的歐式距離，并選擇歐式距離最小值所對應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)加入簇；當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于初始能量的50%時(shí)，在移動(dòng)基站通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)中選取狀態(tài)值最大的傳感器節(jié)點(diǎn)更新簇頭節(jié)點(diǎn)。

(3)簇頭節(jié)點(diǎn)收集簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)，移動(dòng)基站按照設(shè)定的訪問路徑移動(dòng)到停留站點(diǎn)后停留，與該停留站點(diǎn)所對應(yīng)的四個(gè)方形子區(qū)域的簇頭節(jié)點(diǎn)通信，從而接收簇頭節(jié)點(diǎn)已收集的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由簇頭節(jié)點(diǎn)收集簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)，不會(huì)引起太大的時(shí)延，并且能夠很大程度上節(jié)省智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集的能量消耗；本優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置的簇頭節(jié)點(diǎn)的更新策略，能夠最大程度上節(jié)省簇頭節(jié)點(diǎn)的更新時(shí)間，并且有助于節(jié)省智能家居控制系統(tǒng)的整體能耗。若簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)簇頭節(jié)點(diǎn)為多跳距離，簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)選擇最優(yōu)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，具體為：

(1)計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)的簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的優(yōu)選值，定義優(yōu)選值的計(jì)算公式為：

式中，Eξτ表示傳感器節(jié)點(diǎn)Eξ的第 τ 個(gè)簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)，YEξτ表示Eξτ的優(yōu)選值，E0表示Eξ對應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)，表示Eξ到E0的最短跳數(shù)距離，UEξτ→E0表示Eξ到E0的最短跳數(shù)距離，為設(shè)定的距離比較函數(shù)，當(dāng)時(shí)，，當(dāng)時(shí)，為設(shè)定的數(shù)據(jù)類型比較函數(shù)，當(dāng)Eξ，Eξτ 兩者采集的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)類型不一致時(shí)，；LEξ表示Eξ在設(shè)定時(shí)間段采集的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，LEξτ表示Eξτ 在同一設(shè)定時(shí)間段采集的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值。

(2)選擇優(yōu)選值為最大的簇內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，最終發(fā)送至簇頭節(jié)點(diǎn)。

三、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)基于微信平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)，簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選取過程中綜合考慮了鄰居節(jié)點(diǎn)的最短跳數(shù)距離和數(shù)據(jù)相關(guān)度因素，通過選擇優(yōu)選值最大的對應(yīng)鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，能夠減少通信開銷，并且能夠保障選出的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)具有較優(yōu)的數(shù)據(jù)聚合率，進(jìn)一步均衡智能家居監(jiān)測模塊1的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

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