王亞軍
(華北計算技術(shù)研究所,北京 100083)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作效率和無線通信穩(wěn)定性[1]一直是制約無線應(yīng)用推廣的重要因素,因此,一系列研究試圖通過網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)[2]解決上述問題。但是,改善無線終端與服務(wù)器的智能化控制水平[3]成為關(guān)鍵?;诰W(wǎng)絡(luò)化平臺[4],如何將終端智能化與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)化有機(jī)融合,成為重要的研究對象。
文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種基于蓄能器的二級怠速控制系統(tǒng),用于滿足工程機(jī)械節(jié)能需求,優(yōu)化挖掘機(jī)工況,從而確保取消怠速恢復(fù)工作時執(zhí)行器入口能夠快速建立壓力目標(biāo);文獻(xiàn)[6]基于智能網(wǎng)絡(luò)芯片與對象識別處理器的設(shè)計了一種在線強(qiáng)化學(xué)習(xí)便攜式高清處理器;文獻(xiàn)[7]通過分布式網(wǎng)絡(luò)化測量方法提高諧波故障源定位的在線辨識精度。
在上述研究成果基礎(chǔ)上,結(jié)合多參數(shù)協(xié)作控制與驅(qū)動,設(shè)計了智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。
一個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、線性化處理、參數(shù)庫、驅(qū)動模塊、存儲與管理等模塊組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)工作流程描述如下:
1)網(wǎng)絡(luò)采集系列數(shù)據(jù),組成數(shù)據(jù)流D。該數(shù)據(jù)流的合成適用于單輸入單輸出、單輸入多輸出、多輸入單輸出和多輸入多輸出系統(tǒng),不同的輸入與輸出端口的轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)歸一化處理,詳見公式(1):
(1)
式中,m表示輸入端口數(shù),n表示輸出端口數(shù)。函數(shù)f(x)用戶計算網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男盘?。f(x0)表示網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)下的信號。
2)參數(shù)庫中存儲多個網(wǎng)絡(luò)管理參數(shù),構(gòu)成參數(shù)向量,形如p1∈P1,…,pmin{m,n}∈Pmin{m,n}。其中,參數(shù)向量的個數(shù)由m與n的最小值決定,這樣可以有效地避免無效參數(shù)的產(chǎn)生。
3)驅(qū)動模塊,訪問參數(shù)庫,并經(jīng)第(1)步得到m與n后,確定第(2)步中的參數(shù)向量規(guī)模,參照公式(2)在參數(shù)之間建立協(xié)作關(guān)系。
(2)
式中,yC(x)表示參數(shù)協(xié)作處理后的網(wǎng)絡(luò)信號。
(3)
式中,Pi(x)表示多參數(shù)協(xié)作矩陣,pj(xi)表示單個數(shù)據(jù)流的參數(shù)驅(qū)動向量。
(4)
5)網(wǎng)絡(luò)化管理模塊對線性處理后的網(wǎng)絡(luò)信號再次實(shí)施協(xié)作驅(qū)動,由式5)得到網(wǎng)絡(luò)存儲的實(shí)例對象,包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)y和相應(yīng)多參數(shù)向量pm。
(5)
圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)構(gòu)成
圖2 多參數(shù)協(xié)作驅(qū)動映射關(guān)系
將上節(jié)設(shè)計的多參數(shù)協(xié)作驅(qū)動算法應(yīng)用于智能網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng),硬件平臺以網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號處理為主。這樣的硬件平臺所支持的數(shù)據(jù)庫和軟件平臺實(shí)現(xiàn)語言具有更好的交互性和拓展性。該系統(tǒng)基于無線傳感器構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)平臺,信號交互方面采用C#語言實(shí)現(xiàn),控制算法實(shí)現(xiàn)由Java語言實(shí)現(xiàn),智能網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用由Android語言實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的軟件既可以部署在計算機(jī)也可以部署在移動終端上。
該系統(tǒng)由核心控制部分和中繼協(xié)作部分組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,核心控制子系統(tǒng)部署于服務(wù)器,作為智能網(wǎng)絡(luò)平臺的核心;中繼協(xié)作子系統(tǒng)部署在中繼終端。兩個子系統(tǒng)之間基于多參數(shù)協(xié)作驅(qū)動算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時交互性。中繼協(xié)作子系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)化控制和信號傳輸為主,為核心控制子系統(tǒng)提供可靠的參數(shù)。圖3中,圓角矩形表示核心控制子系統(tǒng),包括信號序列、線性化處理、參數(shù)庫、數(shù)據(jù)庫、控制和網(wǎng)絡(luò)化交互等部分。橢圓虛線內(nèi)部表示由若干個中繼協(xié)作終端組成的中繼協(xié)作子系統(tǒng),每個終端與核心控制子系統(tǒng)建立獨(dú)立的點(diǎn)到點(diǎn)鏈接。
如圖3所示,核心控制子系統(tǒng)的主要事務(wù)功能是參數(shù)檢索與更新。參數(shù)檢索功能被網(wǎng)絡(luò)化需求事例所激活。該事例信號經(jīng)過線性化處理成為數(shù)據(jù)庫存儲與控制對象。根據(jù)線性化處理規(guī)則,在信號強(qiáng)度與線性化權(quán)重之間進(jìn)行融合處理,從數(shù)據(jù)庫中尋找信號與網(wǎng)絡(luò)化需求事例一致性最佳的參數(shù)序列,并按照網(wǎng)絡(luò)化控制需求對參數(shù)序列進(jìn)行歸一化處理。
其中,數(shù)據(jù)檢索與參數(shù)庫查詢的主要目的是線性化處理與參數(shù)序列歸一化的映射度量。合理的映射度量有助于高效、精確地與網(wǎng)絡(luò)化控制事例的建立實(shí)時交互。核心控制子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫與參數(shù)庫的映射度量采用了基于信號強(qiáng)度和參數(shù)序列歸一化相結(jié)合的方法。
該控制系統(tǒng)的信號管理采用了自適應(yīng)信號輸入輸出端口的交互方法。該方法,通過自適應(yīng)調(diào)度智能網(wǎng)絡(luò)控制所需要的輸入信號序列和強(qiáng)度,結(jié)合數(shù)據(jù)庫與參數(shù)庫的查詢效率和一致性映射強(qiáng)度,實(shí)時求解網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)所需要的設(shè)計參數(shù)和參數(shù)序列?;诰W(wǎng)絡(luò)化控制事例的需求,在參數(shù)庫中定義對應(yīng)的多參數(shù)驅(qū)動列表,并建立最佳控制主鍵和參數(shù)排序方案??刂颇K將核心控制子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化交互參數(shù)結(jié)構(gòu)輸出到控制系統(tǒng)。中繼協(xié)作控制子系統(tǒng)獲取網(wǎng)絡(luò)化交互結(jié)構(gòu)后,分發(fā)給每個中繼協(xié)作終端。如果網(wǎng)絡(luò)化控制效果達(dá)到需求,則將滿意結(jié)果標(biāo)記反饋給核心控制子系統(tǒng),并確定參數(shù)庫數(shù)據(jù);如果無法滿足需求,再次進(jìn)入?yún)?shù)庫,更新對應(yīng)參數(shù)序列和參數(shù)庫結(jié)構(gòu)。依次進(jìn)行上述循環(huán),直至達(dá)到網(wǎng)絡(luò)化控制事例需求。
網(wǎng)絡(luò)化交互模塊成為該系統(tǒng)中的核心控制子系統(tǒng)和中繼協(xié)作子系統(tǒng)與應(yīng)用需求之間的主要接口。該接口為整個系統(tǒng)的架構(gòu)調(diào)整和更新提供驅(qū)動,并且該交互模塊與外界應(yīng)用保持實(shí)時連接,網(wǎng)絡(luò)化控制事例在具體實(shí)施過程中,如果發(fā)現(xiàn)應(yīng)用執(zhí)行效率下降或遇到未知干擾,應(yīng)用事例直接通過交互接口與該系統(tǒng)建立通信,核心控制子系統(tǒng)和中繼協(xié)作子系統(tǒng)及時被激活,并轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)化控制進(jìn)程。為了滿足各類網(wǎng)絡(luò)化控制應(yīng)用事例,該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和參數(shù)庫結(jié)構(gòu)采用動態(tài)布局。
圖4表示圖3中的參數(shù)庫詳細(xì)闡述。其中,以數(shù)據(jù)庫的信號序列為參照,建立參數(shù)庫,以公式(3)求得的p序列為存儲對象。核心控制子系統(tǒng)通過中繼協(xié)作子系統(tǒng)實(shí)時更新參數(shù)庫,以便保證多參數(shù)協(xié)作驅(qū)動的實(shí)時性和可靠性。參數(shù)庫更新流程描述如下:
第1步:獲取數(shù)據(jù)庫和參數(shù)庫在服務(wù)器端的存放路徑;
第2步:從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)表,以數(shù)據(jù)表文件為元素組成數(shù)組;
第3步:循環(huán)訪問數(shù)組,從數(shù)據(jù)表文件中獲取網(wǎng)絡(luò)傳輸信號;
第4步:根據(jù)多獲取的信號求出參數(shù);
第5步:根據(jù)公式(3)對所求出的參數(shù)進(jìn)行排序;
第6步:選出m與n中的最小值賦值給變量k;
第7步:進(jìn)行k次循環(huán),每次循環(huán)按照公式(5)求解響應(yīng)多參數(shù)值,并存入?yún)?shù)庫;
第8步:按照公式(5)求出信號,并求和;
第9步:返回參數(shù)庫指針P和信號和s。
上述算法中,P向量通過k次循環(huán)求得p組成的向量,s表示網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)傳遞的網(wǎng)絡(luò)信號。
圖4 智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)參數(shù)庫
圖5 智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)外部應(yīng)用接口
圖5給出了智能網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)與外部硬件平臺、軟件平臺、信號源和服務(wù)對象的各類接口。該系統(tǒng)的執(zhí)行流程INSwithMPCD的執(zhí)行步驟描述如下:
輸入:公共對象DObject;
公共區(qū)域:
1)多參數(shù)協(xié)作驅(qū)動算法清空參數(shù)庫;
2)實(shí)時獲取參數(shù)函數(shù);
3)智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)構(gòu)造函數(shù);
4)獲取智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)實(shí)例函數(shù);
5)聲明硬件平臺及其接口實(shí)例;
私有區(qū)域:
1)初始化硬件集;
2)初始化軟件集;
3)聲明軟件平臺接口并激活開發(fā)接口實(shí)例;
4)聲明信號源接口實(shí)例;
5)獲取網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)對象;
6)提供或反饋服務(wù)決策數(shù)據(jù);
循環(huán)結(jié)構(gòu):
1)循環(huán)更新信號數(shù)據(jù)庫;
2)循環(huán)更新參數(shù)庫;
3)循環(huán)多參數(shù)協(xié)作控制。
為了驗證本文所設(shè)計的智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的工作效率和數(shù)據(jù)精度,設(shè)計了一組實(shí)驗,原系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)與所設(shè)計系統(tǒng)記為INSwithMPCD的性能進(jìn)行對比。采用VC++6.0實(shí)現(xiàn)圖5中的硬件接口與服務(wù)接口,部署在2臺服務(wù)器上,使用C#實(shí)現(xiàn)信號交互接口,為傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器之間的通信建立無線連接服務(wù)。采用Android和Java技術(shù)開發(fā)適用于中繼節(jié)點(diǎn)的協(xié)作控制應(yīng)用,包括參數(shù)庫更新流程偽代碼,參數(shù)庫和數(shù)據(jù)庫均采用SQLite部署,并位于匯聚節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器端。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成按照圖1部署,并按照圖5所示接口建立外圍連接,服務(wù)應(yīng)用為提供溫度數(shù)據(jù)。此外,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺參數(shù)詳見表1。
表1 實(shí)驗環(huán)境
圖6給出了所設(shè)計的智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的執(zhí)行效率隨著實(shí)驗時間的變化情況,同時與原系統(tǒng)進(jìn)行了對比。圖7 給出了原系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)、INSwithMPCD轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)與實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)的誤差對比情況。因為INSwithMPCD系統(tǒng)采用了多參數(shù)協(xié)作驅(qū)動,且基于網(wǎng)絡(luò)化控制,從而具有較高的執(zhí)行效率和數(shù)據(jù)精度。
圖6 系統(tǒng)執(zhí)行效率
無線數(shù)據(jù)傳輸效率和數(shù)據(jù)精度成為制約網(wǎng)絡(luò)控制性能的關(guān)鍵因素,為了解決上述問題,本文設(shè)計一種基于多參數(shù)協(xié)作驅(qū)
圖7 數(shù)據(jù)精度
動的智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。一方面,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集、線性化處理、參數(shù)庫、驅(qū)動模塊、存儲與管理等模塊,基于多參數(shù)協(xié)作驅(qū)動并實(shí)時更新參數(shù)庫與網(wǎng)絡(luò)信號。另一方面,將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為核心控制子系統(tǒng)和中繼協(xié)作子系統(tǒng),構(gòu)建智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。其中,服務(wù)器部署核心控制子系統(tǒng),是智能網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的核心;中繼終端部署中繼協(xié)作子系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間通過多參數(shù)協(xié)作驅(qū)動算法進(jìn)行實(shí)時交互。最后,實(shí)驗結(jié)果證明,所設(shè)計系統(tǒng)具有高執(zhí)行效率和高數(shù)據(jù)精度等優(yōu)秀表現(xiàn)。
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