基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的家庭能源智能控制系統(tǒng)仿真

范霖君，張 磊

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軟件與通信學(xué)院，天津 300350)

1 引言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要分支，其由蜂窩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建而成。在180kHz的帶寬數(shù)值下，能夠直接部署在局域網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的平滑升級(jí)[1]。該種物聯(lián)網(wǎng)適用于位置較難達(dá)到、傳輸時(shí)間長(zhǎng)且數(shù)據(jù)量小的傳輸過(guò)程，能夠在任何地方采用虛擬的方式運(yùn)行廣域技術(shù)，能夠采用既簡(jiǎn)單又高效的方式在移動(dòng)網(wǎng)上建立連接，安全可靠地處理物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的雙向數(shù)據(jù)[2]。家庭能源智能控制系統(tǒng)以家用電器以及家電設(shè)備作為主要的控制對(duì)象，在布線技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等技術(shù)參與下，增強(qiáng)家庭日程事務(wù)的智能性，增強(qiáng)能源的利用率[3]。在窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，仿真家庭能源智能控制系統(tǒng)，可以根據(jù)仿真得到的控制系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，調(diào)整智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，維持家庭內(nèi)部環(huán)境的舒適感[4]。

在仿真智能控制系統(tǒng)上，國(guó)內(nèi)外的研究已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，文獻(xiàn)[5]提出基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居語(yǔ)言輸入端控制系統(tǒng)，通過(guò)感知層中的激光傳感器模塊收集家庭感知數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將用戶的語(yǔ)音命令輸入終端APP，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層的云識(shí)別模塊。通過(guò)梅爾頻率倒譜系數(shù)提取智能家居語(yǔ)言信號(hào)特征參數(shù)，并利用DTW算法將語(yǔ)言信號(hào)特征參數(shù)轉(zhuǎn)換為語(yǔ)言信號(hào)特征向量，識(shí)別語(yǔ)言音節(jié)，實(shí)施匹配的控制命令以完成智能家居語(yǔ)音控制。文獻(xiàn)[6]提出道路隧道照明的智能控制系統(tǒng)。通過(guò)廣域融合物聯(lián)網(wǎng)，基于空氣燈照明技術(shù)實(shí)現(xiàn)了LED燈的分組控制。通過(guò)LED燈的分組控制，隧道照明可分為幾個(gè)照明段。當(dāng)監(jiān)視攝像機(jī)檢測(cè)到車輛時(shí)，可以根據(jù)環(huán)境條件和交通信息將相應(yīng)的LED組調(diào)整為需求亮度。綜合考慮家庭能源的作用對(duì)象，衍生設(shè)計(jì)得到的多種強(qiáng)耦合性的仿真過(guò)程。

綜合前人研究，提出基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的家庭能源智能控制系統(tǒng)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性。

2 基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的家庭能源智能控制系統(tǒng)仿真

2.1 仿真窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層

支持智能控制系統(tǒng)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層，利用了LTE載波資源塊進(jìn)行部署，并且在GSM頻段處有著固定數(shù)值的帶寬，所以在仿真窄帶物聯(lián)網(wǎng)物理層時(shí)，將物理層劃分為三個(gè)層級(jí)，對(duì)應(yīng)智能控制系統(tǒng)的接入層，構(gòu)成如圖1所示的仿真結(jié)構(gòu)。

圖1 構(gòu)建的仿真結(jié)構(gòu)

在如圖1所示的仿真結(jié)構(gòu)下，設(shè)置窄帶物聯(lián)網(wǎng)的信道柵格數(shù)值為120kHz，將物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的特定資源塊作為錨點(diǎn)載波，設(shè)定時(shí)頻資源為6RB，使用一個(gè)長(zhǎng)度為1024長(zhǎng)度的系統(tǒng)幀，仿真模擬智能控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)的格式，為了控制仿真智能系統(tǒng)的信號(hào)范圍，控制仿真設(shè)定的超幀信號(hào)索引范圍在0～512，設(shè)定一個(gè)系統(tǒng)幀內(nèi)的子幀長(zhǎng)度為5ms。為了仿真智能控制系統(tǒng)物理層信號(hào)同步過(guò)程，在構(gòu)建得到的仿真結(jié)構(gòu)中設(shè)定信道的傳輸方向?yàn)橄滦信c上行，在上行方向上設(shè)定NPUSCH、NPRACH物理信道，負(fù)責(zé)模擬控制信號(hào)指令的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程[7]。下行傳輸方向設(shè)定NPBCH、NPDCCH、NPDSCH物理信道，固定模擬控制信號(hào)的子幀格式，調(diào)度控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信息，模擬能源響應(yīng)過(guò)程。

在兩種信號(hào)傳輸方向的控制下，構(gòu)建一個(gè)窄帶信號(hào)仿真調(diào)和過(guò)程，定義窄帶信號(hào)的仿真生成序列，序列可表示為

(1)

其中，m表示隨機(jī)信號(hào)序列參數(shù)，c表示仿真信號(hào)參數(shù)，j表示信號(hào)初始化參數(shù)。隨機(jī)初始化處理上述信號(hào)仿真序列，處理過(guò)程就可表示為：

(2)

2.2 計(jì)算家庭能源分配參數(shù)

智能控制系統(tǒng)在分配家庭能源時(shí)，根據(jù)室內(nèi)環(huán)境時(shí)變的特點(diǎn)[8]，構(gòu)建一個(gè)數(shù)學(xué)模型追溯能源的分配過(guò)程，根據(jù)能源的守恒定律，智能控制系統(tǒng)控制分配的能量變化量等于控制系統(tǒng)控制流入和流出的能量差，計(jì)算公式可表示為

(3)

其中，C表示室內(nèi)變化參數(shù)，T0表示室內(nèi)原有溫度，Ti表示能源分配后的溫度，H表示能源傳熱系數(shù)，Qi表示能源產(chǎn)生的熱量，A表示能源的傳熱面積。將上述計(jì)算式(3)等式左側(cè)作為能源在單位時(shí)間內(nèi)能源的變化量，等式右邊作為智能控制系統(tǒng)的控制的能源數(shù)值，處理上述能量恒等式為控制能源過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，可表示為

(4)

(5)

其中，K表示能源分配的比例系數(shù)，T表示時(shí)間系數(shù)，s表示分配時(shí)間。此時(shí)能源分配的數(shù)值變化如圖2所示。

圖2 能源分配過(guò)程

在圖2所示的能源分配過(guò)程下，根據(jù)上述的數(shù)值大小可知，家庭能源分配時(shí)的能量會(huì)在傳輸過(guò)程中受到外部環(huán)境的滯后[9]，所以在計(jì)算能源分配參數(shù)時(shí)，在能源分配過(guò)程中增添一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，滯后環(huán)節(jié)可表示為

(6)

其中，Z表示增益系數(shù)，τ表示純滯后時(shí)間，其余參數(shù)不變。在該滯后環(huán)節(jié)的控制下，離散處理上述計(jì)算式(5)與(6)，分配參數(shù)就可計(jì)算得到

(7)

其中，y(k)表示能源比例函數(shù)，u(k)表示能源分配函數(shù)。將上述計(jì)算公式計(jì)算得到的參數(shù)作為能源分配參數(shù)，在該參數(shù)的控制下，構(gòu)建智能控制仿真算法。

2.3 構(gòu)建智能控制仿真算法

窄帶物聯(lián)網(wǎng)在解碼控制指令過(guò)程中，受到信道衰落的影響[10]，控制數(shù)據(jù)控制能源設(shè)備的位置會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，所以在構(gòu)建智能控制仿真算法時(shí)，設(shè)定信道內(nèi)的信噪比數(shù)值為零，將智能控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為信號(hào)星座點(diǎn)，形成的星座點(diǎn)如圖3所示。

圖3 控制信號(hào)的星座點(diǎn)

由圖3可知，將控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)使用QPSK調(diào)試處理后，以實(shí)際調(diào)制符號(hào)位置的歐式距離作為仿真算法的加權(quán)系數(shù)[11]，仿真合并一個(gè)周期的數(shù)據(jù)就可表示為

(8)

上述計(jì)算公式中，Z表示一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)重復(fù)傳輸?shù)闹噶顢?shù)量，wn表示一個(gè)重復(fù)周期n內(nèi)的子幀加權(quán)系數(shù)，N表示子幀上控制信道承載的傳輸數(shù)據(jù)占據(jù)的RE數(shù)值?？刂浦噶钤谀茉丛O(shè)備中產(chǎn)生的偏差就可表示為

(9)

其中，L表示控制系統(tǒng)的指令調(diào)制數(shù)據(jù)數(shù)量，sn[i]表示調(diào)制數(shù)據(jù)，s0[i]表示起始調(diào)制控制數(shù)據(jù)?？紤]能源控制產(chǎn)生的偏差，最終構(gòu)建得到的智能控制算法就可表示為

(10)

考慮智能系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的偏差后[12]，模擬仿真處理該偏差至智能控制算法中，綜合上述處理，最終完成對(duì)基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)家庭能源智能控制系統(tǒng)的仿真。

3 仿真測(cè)試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的家庭能源智能控制系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

3.1 環(huán)境部署

準(zhǔn)備如下表參數(shù)所示的組件，搭建仿真平臺(tái)環(huán)境，組價(jià)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真平臺(tái)組件參數(shù)

在如表1所示的組件參數(shù)控制下，準(zhǔn)備支持支窄帶物聯(lián)網(wǎng)的多頻段 NB-IoT (LTE Cat NB2) 模塊，相關(guān)參數(shù)如表2所示：

表2 多頻段 NB-IoT (LTE Cat NB2) 模塊參數(shù)

在上述仿真平臺(tái)組件的控制下，構(gòu)建得到了一個(gè)智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中間件VR-Link，在支持的嵌入式協(xié)議控制下，不斷仿真交通能源智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在仿真局域網(wǎng)的參與下，不斷發(fā)送控制信息給家庭能源的其它應(yīng)用程序中，在準(zhǔn)備的仿真平臺(tái)中創(chuàng)建一個(gè)如圖4所示的仿真任務(wù)。

圖4 創(chuàng)建的仿真任務(wù)

分別使用文獻(xiàn)[5]方法、文獻(xiàn)[6]方法以及文中設(shè)計(jì)的仿真方法仿真上述仿真任務(wù)，對(duì)比三種仿真方法的性能。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，在仿真平臺(tái)內(nèi)調(diào)試能源需求的設(shè)備處于能源等待狀態(tài)，設(shè)定十個(gè)能源統(tǒng)計(jì)時(shí)間點(diǎn)，以實(shí)際家庭能源控制系統(tǒng)對(duì)能源的利用率作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，三種仿真方法最終的利用率結(jié)果如表3所示。

表3 三種仿真方法得到的能源利用率數(shù)值

由表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，以一處家庭能源消耗位置作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，在三種仿真智能系統(tǒng)方法的控制下，文獻(xiàn)[5]中的仿真方法得到的能源利用率數(shù)值小于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[6]中的仿真方法得到的能源利用率數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而所提方法最終得到的能源利用率數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，文中設(shè)計(jì)的仿真方法仿真效果最佳。

保持上述環(huán)境不變，設(shè)定8處家庭能源消耗點(diǎn)，在智能控制系統(tǒng)的作用下，采用三種仿真方法仿真控制系統(tǒng)工作過(guò)程，控制三種仿真方法仿真相同的控制指令，根據(jù)控制指令規(guī)劃的能源數(shù)值，構(gòu)建能源堵塞率計(jì)算公式，計(jì)算公式可表示為

其中，w表示控制系統(tǒng)調(diào)度的實(shí)際能源數(shù)值，ws表示實(shí)際消耗的能源數(shù)值。以實(shí)測(cè)的能源設(shè)備的堵塞率作為對(duì)比指標(biāo)，三種仿真方法最終得到的能源堵塞率結(jié)果如表4所示。

表4 三種仿真方法得到的能源堵塞率

由表4可知，三種仿真方法在仿真能源智能控制系統(tǒng)時(shí)，仿真得到控制系統(tǒng)產(chǎn)生的能源堵塞率不同，根據(jù)上表中的數(shù)值結(jié)果，文獻(xiàn)[5]中的仿真方法仿真得到的能源堵塞率數(shù)值比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)要小，仿真過(guò)程存在一定的偏差，文獻(xiàn)[6]中仿真方法得到的能源堵塞數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)數(shù)值，仿真能源控制系統(tǒng)效果欠佳，而所提方法與實(shí)測(cè)能源堵塞率數(shù)值相差不大，與兩種文獻(xiàn)中的仿真方法相比，該種仿真方法的仿真效果較好。

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，在設(shè)定的能源測(cè)試點(diǎn)處，控制三種仿真方法同時(shí)仿真智能控制系統(tǒng)內(nèi)能源分配控制指令，以家庭能源開(kāi)始工作作為時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)束點(diǎn)，三種仿真方法實(shí)際的仿真時(shí)間結(jié)果如表5所示。

表5 三種仿真方法的仿真時(shí)間

由表5的仿真時(shí)間結(jié)果可知，控制三種仿真方法仿真處理能源分配過(guò)程，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，文獻(xiàn)[5]中的仿真方法仿真能源設(shè)備測(cè)試點(diǎn)的平均時(shí)間在4.9s左右，所需的仿真時(shí)間較長(zhǎng)，而文獻(xiàn)[6]中設(shè)計(jì)的仿真方法所需的仿真時(shí)間在6.8s左右，仿真所需的時(shí)間最長(zhǎng)。而所提方法仿真能源分配指令的平均時(shí)間在3.3s左右，與兩種文獻(xiàn)中的仿真方法相比，文中設(shè)計(jì)的仿真方法所需的仿真時(shí)間最短。

4 結(jié)束語(yǔ)

以窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為技術(shù)支持的家庭能源智能控制系統(tǒng)是目前最普遍的技術(shù)組合方式，仿真該技術(shù)支持下的智能控制系統(tǒng)，能夠改善傳統(tǒng)家庭能源智能控制系統(tǒng)控制耗時(shí)長(zhǎng)，控制偏差大的缺陷，為今后仿真智能控制系統(tǒng)提供一定的理論依據(jù)。