android智能家居節(jié)能提醒自動(dòng)化系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)

劉忠群

(江蘇省徐州經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)學(xué)校,江蘇徐州,221004)

android智能家居節(jié)能提醒自動(dòng)化系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)

劉忠群

(江蘇省徐州經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)學(xué)校,江蘇徐州,221004)

本文針對(duì)智能家居設(shè)備增加家庭能耗和如何提高智能家電節(jié)能問題，設(shè)計(jì)了關(guān)于智能家居家電節(jié)能提醒系統(tǒng)的算法，并通過Android平臺(tái)終端及ZigBee協(xié)議進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，以使智能家居能夠達(dá)到節(jié)能的效果，降低用戶對(duì)能耗增加的顧慮，促進(jìn)智能家居技術(shù)的推廣。

智能家居；節(jié)能提醒系統(tǒng)；算法設(shè)計(jì)

0 引言

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們的生活方式也在發(fā)生著變化。在家庭里的改變不僅僅是裝修得越來越漂亮，家電家具越來越美觀，人們開始追求更舒適更智能的生活方式，智能化的家居設(shè)備也慢慢的應(yīng)用于各家各戶中。但是，有很多用戶在考慮是否使用智能家居設(shè)備的時(shí)候，擔(dān)憂的是使用了那么多的電子設(shè)備，家庭的能源消耗是不是會(huì)增加很多？早期的智能家居系統(tǒng)較為重視用戶體驗(yàn)和智能化，不注意節(jié)能設(shè)計(jì)，使得智能家居設(shè)備過于消耗能源，特別是這些設(shè)備通常要保持待機(jī)狀態(tài)，確實(shí)會(huì)消耗更多的能源，在家庭無人或處于睡眠狀態(tài)時(shí)造成了不必要的能源消耗?；诖?，需要設(shè)計(jì)一種智能家居節(jié)能提醒自動(dòng)化系統(tǒng)，讓智能家居系統(tǒng)可以通過分析家庭用電習(xí)慣和頻率，靈活地調(diào)整設(shè)備用電待機(jī)時(shí)間，減少不必要的能源消耗問題。

1 淺析ZigBee協(xié)議

ZigBee技術(shù)稱為雙向無線通訊技術(shù)，它具有近距離、成本小、速率低及低功耗的特點(diǎn)，被人們廣泛應(yīng)用到距離近并且低消耗、傳輸速率低的電子設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸或者周期型數(shù)據(jù)、低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸和間接性數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee是一種無線連接設(shè)備，工作頻段有三個(gè)，包括868MHZ、915MHZ和2.4GHZ。Zigbee技術(shù)還具有地理定位功能，被嵌入到不同設(shè)備中，對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制或者遠(yuǎn)程控制。Zigbee的傳輸距離在10m-75m之間，經(jīng)過多年的發(fā)展與完善，其傳輸距離可以還可以進(jìn)一步增加。

2 待機(jī)能源消耗

家居電器在待機(jī)情況下也會(huì)產(chǎn)生能源消耗，在此過程中產(chǎn)生的能源消耗是用戶在使用家居電器中不能忽視的。家居電器的待機(jī)指的是其在沒有任何功率或者在進(jìn)行某種功能時(shí)的能源消耗處于最小。目前部分智能家居中都有待機(jī)模式，有的還稱之為睡眠模式，智能家居的設(shè)計(jì)者為了能夠使用戶具有較好的體現(xiàn)或者使產(chǎn)品和協(xié)調(diào)器兩者可以實(shí)時(shí)通訊，在對(duì)智能家居進(jìn)行編輯設(shè)置程序的時(shí)候，會(huì)設(shè)定電氣設(shè)備的能源消耗檢測(cè)模塊，這就表示只依據(jù)粗放式的智能家居管理系統(tǒng)，其中的智能特點(diǎn)能夠使部分家電始終處于待機(jī)狀態(tài)，使無線wifi、衛(wèi)星或者微波可以與智能家居進(jìn)行連接，但是這就使大大損耗待機(jī)功率，造成不必要浪費(fèi)。

3 ZigBee技術(shù)下的智能家居節(jié)能系統(tǒng)

3.1 ZigBee智能家居系統(tǒng)的總架構(gòu)

從總架構(gòu)方面可以將智能家居系統(tǒng)分為三層，包括執(zhí)行命令層、信息通訊層及應(yīng)用層。執(zhí)行命令層包括對(duì)環(huán)境中信息的掌握，執(zhí)行電功率中的信息和接受上層的指令并且執(zhí)行，比如智能家電。信息通訊層主要是執(zhí)行命令層及應(yīng)用層之間傳遞信息的橋梁，比如智能家居家庭網(wǎng)關(guān)和協(xié)調(diào)器。應(yīng)用層主要是對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分析，對(duì)智能家居中的環(huán)境和情境進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)用戶與智能家居之間的交互等功能。

整個(gè)智能家居系統(tǒng)的運(yùn)行可以分為兩種方式，包括指令調(diào)度和智能數(shù)據(jù)的分析。指令調(diào)度可以使用戶通過Android系統(tǒng)中的軟件進(jìn)行WiFi或者4G網(wǎng)絡(luò)的指令發(fā)送，在家庭網(wǎng)關(guān)接收到信息之后，要求用戶通過認(rèn)證，確定用戶滿足認(rèn)證條件之后將應(yīng)用層的指令轉(zhuǎn)換為硬件中的指令編碼，將這些質(zhì)量編碼傳送到協(xié)調(diào)器中，通過協(xié)調(diào)器來對(duì)智能家居中的電路的開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)。智能數(shù)據(jù)的分析主要是使協(xié)調(diào)器通過智能家居中的各電路的傳感器將指令編碼發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)中，家庭網(wǎng)關(guān)在接受到指令之后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并且將數(shù)據(jù)分配的時(shí)間和信號(hào)幀都傳輸?shù)街悄芗揖邮褂玫挠脩羰謾C(jī)Android軟件中，用戶的Android軟件具備智能待機(jī)算法，可以對(duì)這些信息進(jìn)行實(shí)施運(yùn)算，并且根據(jù)順序?qū)ζ溥M(jìn)行分類歸檔，以時(shí)間節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)來進(jìn)行數(shù)運(yùn)算，以此獲得智能家居中用電狀況、范圍，并且提醒使用智能家居的用戶可以斷電節(jié)能。

3.2 ZigBee智能家居系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

硬件的設(shè)計(jì)主要包括家庭網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，下面以網(wǎng)關(guān)為例。本文中網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)使用的是SAMSUNG S3C6410X核心板，通過串口連接2.4GHz IEEE 802.15.4 ZigBee收發(fā)器CC2530芯片系統(tǒng)，具有抗干擾性強(qiáng)，能與其他網(wǎng)絡(luò)共存等特性。網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)使用了一款較為老式的編程工具—QT，其也能夠?yàn)榭刂凭W(wǎng)關(guān)提供一系列的開發(fā)文檔或者WebKit的引擎。在對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)控制指令進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，其格式主要是幀的開頭—節(jié)點(diǎn)編號(hào)—模塊名稱—傳感器名稱—命令—幀的結(jié)尾。在進(jìn)行編程的時(shí)候，使用的是QextSeariaIport類，可以使各串口之間互相通訊，以openCom（）函數(shù)將設(shè)備打開，通過readCom（）函數(shù)對(duì)串口中的指令進(jìn)行讀取。最后通過SetLightStates將每個(gè)傳感器中的信號(hào)進(jìn)行傳遞，使讀取到的信息可以保存到數(shù)組中，通過connect函數(shù)對(duì)這些信息進(jìn)行處理。

3.3 移動(dòng)應(yīng)用端和節(jié)能提醒系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

使用Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)移動(dòng)應(yīng)用端，能夠使移動(dòng)應(yīng)用端的處理數(shù)據(jù)的效率大大提高，這就完善了傳統(tǒng)智能家居中的劣勢(shì)，使用android asynce http開發(fā)框架，使數(shù)據(jù)壓縮及排序的壓力大大降低。在移動(dòng)應(yīng)用端和節(jié)能提醒系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)中，算法的關(guān)鍵技術(shù)就是智能家居待機(jī)規(guī)律節(jié)能算法

此算法的橫向時(shí)間是決策樹算法，在Android系統(tǒng)客戶端根據(jù)點(diǎn)獲取智能家電傳感器傳來的信息，可以將這些信息統(tǒng)計(jì)為待機(jī)時(shí)間，單位是小時(shí)/h。

以星期一的0點(diǎn)到3點(diǎn)舉例，在0點(diǎn)到9點(diǎn)中智能家電都是出于待機(jī)狀態(tài)，其功率消耗降低，可以在表中標(biāo)記為8，這說明具有8個(gè)小時(shí)的待機(jī)時(shí)間，基于此類推，1點(diǎn)的時(shí)候就有7個(gè)小時(shí)的待機(jī)時(shí)間。根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)的決策樹推演，以此求方差和標(biāo)準(zhǔn)差，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)的90%置信區(qū)間為Pr（c1≤μ≤c2）=1-α其詳細(xì)算法公式為：

首先將決策樹預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率（acc）標(biāo)準(zhǔn)化，可以得出公式1：

另外選出置信水平的參考范圍，這主要在時(shí)間精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行；

最后算出a/2和1-a/2的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)量為Za/2和Z1-a/2，這些都是常量，以此解決一下P的不等式。

1點(diǎn)時(shí)候的待機(jī)功率置信區(qū)間是（5.93,16.34），這就表示這個(gè)星期中的時(shí)間在今后都會(huì)有90%以上的待機(jī)可能在（5.93,16.34）這兩個(gè)小時(shí)內(nèi)。

用戶要想能夠使客戶端進(jìn)入到最佳待機(jī)時(shí)間，可以使待機(jī)長(zhǎng)度高于這個(gè)值，以此使智能家居處于待機(jī)狀態(tài)，然后向用戶發(fā)送斷電提醒。

比如可以將這個(gè)值設(shè)置為8，以此創(chuàng)建待機(jī)狀態(tài)是否關(guān)機(jī)的決策時(shí)，就要先定義其區(qū)間，然后標(biāo)準(zhǔn)化該數(shù)據(jù)，將它稱之為鐘形曲線模型。構(gòu)建概率密度函數(shù)為以下，得出公式2：

通過此公式，p+表示正樣例，說明智能家居處于待機(jī)狀態(tài)，p-表示反樣例，說明智能家居沒有處于待機(jī)狀態(tài)，那么就使置信區(qū)間分成兩組（5.93,8）和（8,16.34）。

智能家居處于待機(jī)狀態(tài)：p+=f（8,16.34）

智能家居處于非待機(jī)狀態(tài)：p-=（5.93,8）

該系統(tǒng)可以收集每個(gè)星期的待機(jī)狀況，并且對(duì)其進(jìn)行具有針對(duì)性的分析。比如星期三，根據(jù)公式三推算出數(shù)據(jù)10天0.8333、30天0.8446、50天0.9024、70天0.9721。

以下是公式3：

通過系統(tǒng)的多次運(yùn)算，智能家居在0點(diǎn)時(shí)的待機(jī)區(qū)間為（7.83，10.22），這個(gè)階段中的決策樹預(yù)算期望值是最高的。智能家居在7點(diǎn)時(shí)的待機(jī)區(qū)間為（3.24，5.11），這個(gè)階段中的決策樹預(yù)算期望值是最高的。智能家居在15點(diǎn)時(shí)的待機(jī)區(qū)間為（3.83,5.97），這個(gè)階段中的決策樹預(yù)算期望值是最高的。智能家居在21點(diǎn)時(shí)的待機(jī)區(qū)間為（10.83,12.22），這個(gè)階段中的決策樹預(yù)算期望值是最高的。該系統(tǒng)可以將最高理想?yún)^(qū)間的長(zhǎng)度設(shè)置為8，以此為斷電提醒。

4 結(jié)束語(yǔ)

以Android和ZigBee為基礎(chǔ)的智能家居節(jié)能提醒自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠滿足使用智能家居用戶對(duì)節(jié)能用電的需求，能夠根據(jù)使用家居用戶的習(xí)慣來為其提供最佳的節(jié)電時(shí)間，以此降低智能家居設(shè)備待機(jī)中的能源消耗。

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劉忠群.男，1981-1，單位:江蘇省徐州經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)學(xué)校，職務(wù):專業(yè)教研室主任，研究方向:軟件技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)

Algorithm Design of Intelligent System of Energy Saving Reminding

Liu Zhongqun
(Xuzhou economic and trade of higher occupation school,Xuzhou Jiangsu,221004)

In this paper,the smart home equipment increased household energy consumption and the problem of how to improve the intelligence of the intelligent energy-saving appliances,energy-saving appliances home furnishing reminder system algorithm design,and through the Android platform of the terminal and the ZigBee protocol are implemented,in order to make smart home can achieve energy-saving effect,reduce the user to increase energy consumption concerns,promote the popularization of smart home technology.

smart home;energy-saving reminder system;algorithm design