智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化及控制穩(wěn)定性分析

王云良 王敏其 程 凌

（常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院1，江蘇 常州 213164；江蘇五洋賽德科技有限公司2，江蘇 常州 213164）

智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化及控制穩(wěn)定性分析

王云良1王敏其2程 凌2

（常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院1，江蘇 常州 213164；江蘇五洋賽德科技有限公司2，江蘇 常州 213164）

針對智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計。對以數(shù)據(jù)為中心的定向擴散路由算法進行改進，將節(jié)點按房間的順序規(guī)劃在不同的矩形區(qū)域，每個矩形區(qū)域設(shè)立一個源節(jié)點，用來接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)布的消息。同時，研究了短時延情況下不確定時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并利用Lyapunov函數(shù)和線性矩陣不等式（LMI）方法，給出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)漸進穩(wěn)定的充分條件。仿真結(jié)果顯示，改進算法可延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，節(jié)省能耗，提高網(wǎng)絡(luò)能效。

智能家居 矩形分布監(jiān)測 定向擴散協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 穩(wěn)定性

0 引言

采用Ad hoc方式，集合n個智能傳感節(jié)點和1個匯聚節(jié)點，并通過無線通信協(xié)議連接而成的無線傳感網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能家居。定向擴散路由算法將復(fù)雜質(zhì)詢分成若干個子質(zhì)詢，時效性差，應(yīng)用性并不廣泛［1］。文獻［2］引入選擇節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的方法來改進定向擴散路由（directed diffusion，DD）協(xié)議，該方法不適用于節(jié)點較多的環(huán)境［2］。文獻［3］將節(jié)點間距離、節(jié)點剩余能量和路徑條數(shù)引入路徑選擇函數(shù)中，以實現(xiàn)最優(yōu)路徑的建立，并在數(shù)據(jù)傳輸過程中利用跨層功率調(diào)節(jié)技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰啃剩?］。本文采用優(yōu)化DD協(xié)議，改進適用于智能家居的路由最優(yōu)化選擇及數(shù)據(jù)最優(yōu)化融合與傳輸機制，縮短路由時間，減少路由能耗。影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定的因素有網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)丟失、抖動和調(diào)度算法等，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究吸引了許多學(xué)者的注意［4］。本文通過對短時延網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析，研究了不確定網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計

智能家居系統(tǒng)方案總體設(shè)計如圖1所示。其中，無線通信模塊、有線通信模塊、觸摸屏（human-computer interaction，HCI）、Android操作系統(tǒng)、ARM微處理器、SQLite數(shù)據(jù)庫、Boa服務(wù)器均安裝在家庭網(wǎng)關(guān)上［5－6］。

圖1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計框圖Fig.1 The overall system design scheme

對于有線的數(shù)據(jù)控制傳輸，智能家用設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)不同智能家用設(shè)備的擴展接口連接到家庭網(wǎng)關(guān)上的不同接口，如智能電視機、音響的音頻接口等。同時，對不帶WiFi功能的家用電器進行WiFi擴展。信息家電將自身采集到的各種狀態(tài)信息傳遞給其自身的或擴展的微控制器，微控制器接收到這些數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)換成UDCP報文，并通過W iFi模塊將其發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)。此外，信息家電還通過WiFi模塊接收來自家庭網(wǎng)關(guān)的信息，處理后轉(zhuǎn)換成對家電的控制或查詢，并將其隨后的狀態(tài)信息由WiFi模塊反饋給家庭網(wǎng)關(guān)。

家庭網(wǎng)關(guān)由觸摸屏人機交互界面、Android操作系統(tǒng)、ARM微處理器、SQLite數(shù)據(jù)庫、Boa服務(wù)器組成。觸摸屏人機交互界面包含人機界面（human-machine interface，HMI）硬件和相應(yīng)的專用畫面組態(tài)軟件，用戶通過人機交互界面與系統(tǒng)交流，并進行操作。智能家居的所有數(shù)據(jù)都保存在SQLite數(shù)據(jù)庫中，如用戶名、密碼、家用電器工作時間及電量的管理等。家庭網(wǎng)關(guān)同時具有網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器的功能，支持TCP/IP協(xié)議；并能提供Web服務(wù)功能，連接家庭現(xiàn)場子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集終端，對接收的數(shù)據(jù)進行顯示和存儲。

系統(tǒng)采用新興智能交互式一體機。它融合了高清電視、平板電腦、交互式電子白板等設(shè)備功能，集成了大屏幕平板顯示技術(shù)、精密觸控技術(shù)、可靠性設(shè)計技術(shù)，可一機多用，是家居智能化的拓展。該一體機通過以太網(wǎng)接口與家庭網(wǎng)關(guān)相連，實現(xiàn)遠程控制與訪問、互聯(lián)網(wǎng)語音協(xié)議（voice over Internet protocol，VOIP）通話及視頻通話。

2 優(yōu)化的定向擴散協(xié)議

①優(yōu)化興趣擴散方式

針對智能家居的應(yīng)用環(huán)境，需要減少網(wǎng)絡(luò)開銷，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。由于多路徑在智能家居的應(yīng)用中會將能量及流量分流，因此考慮對定向擴散路由（DD）協(xié)議進行相應(yīng)的改進。本文提出一種按固定節(jié)點順序的路由機制，舍棄 Sink節(jié)點，用 Information替換Interest，向定點定向地發(fā)布。

家庭網(wǎng)關(guān)與設(shè)備節(jié)點進行單路徑路由申請，可有效減少網(wǎng)絡(luò)中消息傳輸?shù)拇螖?shù)，節(jié)省節(jié)點接收及轉(zhuǎn)播時消耗的能量，從而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與節(jié)點聯(lián)通的直線性和雙向性。Information廣播的包格式如圖2所示［7－8］。

圖2 Information廣播的包格式Fig.2 Packet formats of information broadcast

圖2中，類別名為家用設(shè)備的變量名；源ID即為家庭網(wǎng)關(guān)的編號；接收站ID為源節(jié)點編號；信息位為命令屬性；時間戳為接收到反饋信息的時刻；校驗位為檢驗是否和接收站編號匹配。家庭設(shè)備類別碼定義參數(shù)如表1所示。

表1 家庭設(shè)備類別碼定義參數(shù)Tab.1 Definition parameters of home appliance category code

②星型拓撲結(jié)構(gòu)

采用改進后協(xié)議，將智能家居節(jié)點按房間的順序規(guī)劃不同的矩形區(qū)域，如圖3所示。

圖3 Sink節(jié)點發(fā)布信息Fig.3 Sink node releasing information

每個監(jiān)測區(qū)域中都有一個黑色標(biāo)的源節(jié)點，灰色點即為其他節(jié)點，矩形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點構(gòu)成集合A。在改進后的協(xié)議中，Sink節(jié)點按照區(qū)域順序發(fā)布Information，不再向整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)送傳感任務(wù)，并根據(jù)命令包的指示找到確切區(qū)域集合A。該區(qū)域內(nèi)的源節(jié)點首先被喚醒，以接收命令包，收到報文的源節(jié)點將任務(wù)納入緩沖區(qū)進行查詢。數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)律為 Sink節(jié)點—源節(jié)點s1（s2，s3，…，sN）—指定區(qū)域集合A1（A2，A3，…，AN）中的指定節(jié)點。

3 改進方案性能分析

①系統(tǒng)生命周期

在原協(xié)議中，Sink節(jié)點擴散興趣后網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都參與接收和轉(zhuǎn)播，路徑繁多，能量消耗迅速。對定向擴散協(xié)議進行改進的目標(biāo)是延緩能量消耗，從而最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期，即第一個觸發(fā)事件開始到第一個能量耗盡的節(jié)點為止所經(jīng)歷的周期數(shù)。假設(shè)Cnode（ T，vi）表示設(shè)備節(jié)點的生命周期，Cnet（T）表示網(wǎng)絡(luò)的生命周期，目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

式中：vi為設(shè)備節(jié)點；N （T，vi）為設(shè)備節(jié)點的個數(shù)；E（ Vi）為網(wǎng)絡(luò)總能量。

每個周期內(nèi)vi接收和發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量分別為N（ T，vi）ker和［N （T，vi）+1］ket，其中k、An、et都是常量，則：

因此，網(wǎng)絡(luò)生命周期可以表示為：

式中：e=ei/（er+et）。

為了減緩能量消耗，改進方案將所有節(jié)點分布在大致相同的矩形監(jiān)測區(qū)域。Sink節(jié)點散播的Information只需根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的矩形分布順序區(qū)域逐一擴散，而不同的矩形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的節(jié)點互不轉(zhuǎn)發(fā)和接收消息，從而減少了每個周期內(nèi)vi接收和發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗能量，即減小N（ T，vi）+e。網(wǎng)絡(luò)的能量在相同的時間內(nèi)較原協(xié)議消耗得更緩慢，大大延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

則：

②平均剩余能量

平均剩余能量Eave（T）是衡量一個節(jié)點在一次事件中平均所做的工作量，它反映了一個傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，可表示如下：

式中：分母為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模×數(shù)據(jù)量；N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)，數(shù)據(jù)量為數(shù)據(jù)源節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包和Sink節(jié)點發(fā)出信息的總和。

我們將在最后仿真與性能分析部分，仿真出協(xié)議改進前后平均剩余量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著節(jié)點數(shù)的變化情況，評估改進后的路由協(xié)議性能。

4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定的因素有網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)丟失、抖動和調(diào)度算法等。這里對短時延網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定進行分析?？紤]到短時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型是一個帶有不確定性的離散線性系統(tǒng)，其模型如下：

式中：xk為狀態(tài)變量；uk為輸入變量；yk為輸出變量；G、H0、H1、D、E為定常矩陣；F（τk）為不確定性矩陣。

式中：Γ=G+H0K+DFEK。

若Θ＜0，則ΔVk＜0，說明網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

運用LMI定理，Θ＜0即等價于：

運用Lyapunov與線性矩陣不等式（linear matrix inequalities，LMI）技術(shù)，對閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與網(wǎng)絡(luò)時延可變化域之間的關(guān)系進行研究，得到了網(wǎng)絡(luò)時延與基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

5 仿真與性能分析

運用網(wǎng)絡(luò)仿真器NS2對改進協(xié)議前后網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能進行仿真對比，即節(jié)點平均剩余能量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的對比，30 s內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平均剩余能量與網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 節(jié)點平均剩余能量對比Fig.4 Contrast of the average residual energy of nodes

首先，節(jié)點的能量模型設(shè)置為：MAC協(xié)議采用速率為1.6 Mbit/s的802.11協(xié)議，1個Sink節(jié)點，5個源節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)分別為50、100、150、200、250個。將節(jié)點隨機布置在100m2的平面中，每60 s網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送一組探索數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)包的大小為64字節(jié)；能量初始值為1 000 J，接收節(jié)點能量損耗0.395 J，發(fā)送節(jié)點能量損耗0.662 J。

圖5 網(wǎng)絡(luò)吞吐量對比Fig.5 Contrast of the network throughputs

仿真結(jié)果顯示，本文提出的DD-REC改進協(xié)議在性能上優(yōu)于DD協(xié)議，明顯提高了節(jié)點剩余能量平均水平，網(wǎng)絡(luò)吞吐量在一定時間內(nèi)也較DD協(xié)議數(shù)量更大。

6 結(jié)束語

率，將網(wǎng)關(guān)節(jié)點的信息傳播分散到各監(jiān)測區(qū)域的源節(jié)點上，減少了參與傳播的節(jié)點數(shù)目，從而節(jié)省了節(jié)點能量，延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

同時，本文分析了短時延情況下不確定時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并利用Lyapunov函數(shù)和線性矩陣不等式（LMI）方法，給出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)漸進穩(wěn)定的充分條件。

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Optimization of Smart Home Network System and Analysis on the Control Stabilization

For smart home network system，the interior network of home has been designed.The directed diffusion routing algorithm with data as the core is improved，the nodes are arranged in different rectangular areas according to the sequencing of the rooms；a source node is setup in each rectangular area to receive the messages released from gateway.In addition，the stability of uncertain delay network control system under short time delay is researched.The sufficient condition for network control system asymptotic stability is given by adopting Lyapunov function and linearmatrix inequalities（LMI）.The results of simulation show that the improved algorithm extends the life cycle of the network，increases energy efficiency of network，and reduces energy consumption.

Smart home Rectangular distribution monitoring Directed diffusion protocol Network system Stability

TP393

A

常州市科技計劃基金資助項目（編號：CJ20130007）。

修改稿收到日期：2013－11－14。

王云良（1968－），男，2008年畢業(yè)于華東師范大學(xué)軟件工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)與控制技術(shù)。