基于云平臺(tái)的智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝碧玲，吳俊杰

(泉州信息工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

隨著人工智能的快速發(fā)展與應(yīng)用，將人工智能控制技術(shù)應(yīng)用在智能家居中，能夠提高智能家居控制的智能化程度。在進(jìn)行智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)智能家居環(huán)境參數(shù)進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控，因此相關(guān)的智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究受到人們的極大關(guān)注[1]。對(duì)智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)主要建立在智能家居環(huán)境參數(shù)采集和優(yōu)化控制的基礎(chǔ)上，為提高智能家居環(huán)境適應(yīng)性與環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控能力，本文提出基于云平臺(tái)的智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能進(jìn)行驗(yàn)證，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

分析上述智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可知，該系統(tǒng)由信息采集層、信息管理控制層、信息輸出層組成。信息采集層融合微處理器、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可自動(dòng)感知室內(nèi)空間狀態(tài)、家電自身狀態(tài)、家電服務(wù)狀態(tài)，將采集到的信息傳輸至信息管理控制層。信息管理控制層具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、分析處理、智能決策等功能。通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)接收采集層傳輸?shù)男畔?，?duì)多個(gè)智能家居參數(shù)進(jìn)行融合處理，將信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并根據(jù)用戶指令進(jìn)行智能決策。信息輸出層為用戶訪問數(shù)據(jù)庫(kù)提供服務(wù)，為各個(gè)模塊的信息交互提供網(wǎng)絡(luò)支持。

1.1 信息采集層

對(duì)智能家居環(huán)境參數(shù)進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控，首先需要進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集[2]，采用微處理器、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行智能家居環(huán)境參數(shù)采樣，在云平臺(tái)下進(jìn)行環(huán)境參數(shù)同步處理，得到智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控信息分布模型為：

(1)

構(gòu)建環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控信息分布集[4]，采用量化空間調(diào)度方法進(jìn)行環(huán)境參數(shù)感知，智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同感知的線性組合模型為：

(2)

(3)

結(jié)合線性組合控制方法，進(jìn)行智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控和分塊區(qū)域調(diào)度[5]，設(shè)監(jiān)控信息的特征映射為zi(t)，在大數(shù)據(jù)分布區(qū)域，進(jìn)行監(jiān)控大數(shù)據(jù)信息采樣，得到環(huán)境參數(shù)信息采樣模型為：

(4)

在信息采樣的基礎(chǔ)上，采用多維線性組合方法提取智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控信息分布特征，描述為：

(5)

其中：pi,j(t)為監(jiān)控信息特征分布集，Δp(t)為智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控的梯度增益[6]。

利用傳輸協(xié)議將提取到的智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控信息采集結(jié)果傳輸至信息采集層，傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

1.2 信息管理控制層

對(duì)采集到的參數(shù)進(jìn)行信息融合處理，提取環(huán)境參數(shù)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征量[7]。構(gòu)建環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控的模糊度函數(shù)，表示為：

(6)

計(jì)算智能家居環(huán)境參數(shù)的殘差特征值，得到環(huán)境參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征量J(W)，可以利用下式進(jìn)行簡(jiǎn)化：

(7)

上式中，

(8)

結(jié)合云平臺(tái)控制技術(shù)，進(jìn)行智能家居環(huán)境參數(shù)融合處理，得到環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控的模糊信息融合模型[8]為：

R1(k)=R2(k)exp(-jω0Tp/2)，k=0,1,…,(N-3)/2

(9)

R2(k)=Akexp(jφk)，k=0,1,…,(N-3)/2

(10)

將信息融合結(jié)果存儲(chǔ)至智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中[9-10]。通過分塊區(qū)域匹配方法，構(gòu)建用戶指令的梯度分布模型為▽2F(x)，監(jiān)控信息決策分析的線性組合描述為：

(11)

1.3 信息輸出層

信息輸出層為用戶訪問數(shù)據(jù)庫(kù)提供服務(wù)，為各個(gè)模塊的信息交互提供網(wǎng)絡(luò)支持。在云平臺(tái)中進(jìn)行智能家居環(huán)境參數(shù)融合和協(xié)同控制，建立智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫(kù)訪問函數(shù)，描述為：

JI(nTB)=Acos(n×1πΔfTB)-Bsin(n×2πΔfTB)=Ccos(n×2πΔfTB-θ)

(12)

結(jié)合分區(qū)域特征匹配和關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法進(jìn)行智能家居環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的同步轉(zhuǎn)換控制，提取協(xié)同監(jiān)控信息的關(guān)聯(lián)規(guī)則特征量[7-8]，得到監(jiān)控信息輸出為：

(13)

基于DP83848I以太網(wǎng)收發(fā)芯片設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信電路，具體的電路原理圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信電路

在上位機(jī)通信模塊中進(jìn)行智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，在MCU控制單元進(jìn)行智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)APP控制，系統(tǒng)的接口模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3的系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)，采用PLC邏輯可編程芯片進(jìn)行智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)的輸出總線設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制。

2 仿真測(cè)試分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。設(shè)對(duì)智能家居環(huán)境參數(shù)信息采樣的帶寬為12dB，Micro Channel擴(kuò)充總線的傳輸帶寬為24dB，智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控信息采樣的長(zhǎng)度為800，可控變量的占空比為0.23，根據(jù)上述仿真參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控。比較使用本文系統(tǒng)前后的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，比較結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳輸延時(shí)比較

分析圖4可知，使用本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)前，智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸延時(shí)在32ms～50ms之間；使用本文方法后，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)在19ms～32ms之間，智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸延時(shí)明顯下降。

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)控準(zhǔn)確率對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 監(jiān)控準(zhǔn)確率測(cè)試結(jié)果

分析圖5得知，使用本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)前，智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控準(zhǔn)確率在91.0%～98.0%之間變化，使用本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)后，監(jiān)控準(zhǔn)確率始終保持在92.5%以上，通過比較可知，本文系統(tǒng)大幅度提升了智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控的精度。

結(jié)語(yǔ)

為提高智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控的輸出穩(wěn)定性，本文提出基于云平臺(tái)的智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。構(gòu)建智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控的云融合模型，采用分區(qū)域特征匹配和關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法進(jìn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的同步轉(zhuǎn)換控制，結(jié)合提取到的監(jiān)控信息的關(guān)聯(lián)規(guī)則特征量，獲取監(jiān)控信息輸出。設(shè)計(jì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信電路與系統(tǒng)接口，為系統(tǒng)各層之間的通信提供支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)低，監(jiān)控準(zhǔn)確率高，促進(jìn)了智能家居環(huán)境參數(shù)協(xié)同監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。