基于遺傳算法的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺設(shè)計(jì)

戴立坤

摘 要： 物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)框架選擇性較多，導(dǎo)致熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的工作能耗較高，并無法有效提高熱能搜集系統(tǒng)熱能轉(zhuǎn)化率。為此，設(shè)計(jì)基于遺傳算法的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺。平臺中的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架使用WMNBM14s芯片和STM32F103芯片進(jìn)行熱能搜集系統(tǒng)中熱能數(shù)據(jù)的采集和處理，得到熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果。熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過BCM43362無線芯片傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)控制端。物聯(lián)網(wǎng)控制端將遺傳算法熱能轉(zhuǎn)化率優(yōu)化函數(shù)、熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果同時(shí)輸入控制電路，經(jīng)由控制電路對熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行分類、解析和熱能轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化，給出控制指令，并通過BCM43362無線芯片，將控制指令反饋到熱能搜集系統(tǒng)相應(yīng)的被控區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對被控區(qū)域的持續(xù)、高效控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)平臺工作能耗低，可使熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率明顯提高。

關(guān)鍵詞： 遺傳算法； 熱能搜集系統(tǒng)； 物聯(lián)網(wǎng)控制平臺； BCM43362

中圖分類號： TN915?34； TN913.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0021?04

Abstract： The selectivity of IOT infrastructures is more， which causes a high energy consumption of IOT control platform for heat collecting system， and results in a fact that the heat energy conversion rate of the heat collecting system cannot be improved effectively. Therefore， an IOT control platform for the heat collecting system based on genetic algorithm was design. IOT infrastructure frameworks in the platform employ WMNBM14s chip and STM32F103 chip to conduct acquisition and processing of the heat energy data in the heat collection system， and obtain the processing results of the heat energy data. The results are transmitted to the IOT control end through the wireless chip BCM43362. The IOT control end transmits the heat conversion rate optimization function of the genetic algorithm and the processing results of heat energy data into the control circuit simultaneously. The control circuit undertakes classification and analysis of the data processing results， and optimization of thermal energy conversion rate， and then gives out the control instruction， which is fed back to the corresponding controlled areas of the thermal energy gathering system through the wireless chip BCM43362 to realize the sustainable and efficient control to the controlled areas. The experimental result shows that the platform has low energy consumption， and can make the heat energy conversion rate of the heat collecting system increased significantly.

Keywords： genetic algorithm； heat energy collection system； IOT control platform； BCM43362

0 引 言

近年來，熱能搜集系統(tǒng)以其低耗、環(huán)保的優(yōu)勢在電力、機(jī)械、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為進(jìn)一步提高熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率，熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺隨之產(chǎn)生。物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的成本低、控制效果好且控制流程簡單，是較為普遍的控制實(shí)現(xiàn)方案[1?3]。但物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)框架選擇性較多，導(dǎo)致熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的工作能耗較高，并無法有效提高熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率。為此，科研組織正致力于設(shè)計(jì)一種工作能耗低、熱能搜集系統(tǒng)熱能轉(zhuǎn)化率提高能力強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)控制平臺[4?6]。

文獻(xiàn)[7]進(jìn)行基于極限動(dòng)態(tài)編程的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的設(shè)計(jì)，此平臺針對耗能較低的極限動(dòng)態(tài)編程進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，并將它使用于物聯(lián)網(wǎng)控制平臺中，提高熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率。但極限動(dòng)態(tài)編程較為復(fù)雜，需要花費(fèi)較多的時(shí)間和金錢。文獻(xiàn)[8]進(jìn)行基于Scrum的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的設(shè)計(jì)，Scrum是一種迭代式的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架，具有較強(qiáng)的控制效果，可有效提高熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率，但導(dǎo)致平臺耗能較高。文獻(xiàn)[9]進(jìn)行基于敏捷算法的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的設(shè)計(jì)，這個(gè)平臺的工作能耗低，且能夠使熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率明顯提高，但要求后臺開發(fā)人員具有較強(qiáng)的個(gè)人能力，導(dǎo)致平臺價(jià)格昂貴。文獻(xiàn)[10]進(jìn)行基于極限靜態(tài)編程的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的設(shè)計(jì)，比起文獻(xiàn)[7]中的平臺，此平臺的實(shí)現(xiàn)較為容易，且耗能較低，但無法有效提高熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率。

通過分析上述熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于遺傳算法的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺，其通過對物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架進(jìn)行能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效減少了平臺能耗，并利用遺傳算法對熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率進(jìn)行合理優(yōu)化。

1 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的基于遺傳算法的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺由物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架和物聯(lián)網(wǎng)控制端組成。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架設(shè)計(jì)

基于遺傳算法的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺通過對物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架進(jìn)行能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少平臺工作能耗，并為物聯(lián)網(wǎng)控制端提供基礎(chǔ)硬件支持，是實(shí)現(xiàn)熱能搜集系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)控制平臺有效連接的“橋梁”。

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架負(fù)責(zé)采集、處理熱能搜集系統(tǒng)中的熱能數(shù)據(jù)，并對熱能搜集系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)控制端的數(shù)據(jù)交互進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架由采集處理模塊和通信模塊組成，現(xiàn)對這兩個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1.1 采集處理模塊

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架的采集處理模塊的核心硬件為WMNBM14s芯片和STM32F103芯片。WMNBM14s芯片負(fù)責(zé)進(jìn)行熱能搜集系統(tǒng)中熱能數(shù)據(jù)的采集，以及采集處理模塊同通信模塊的連接；STM32F103芯片負(fù)責(zé)進(jìn)行熱能數(shù)據(jù)的處理。整個(gè)采集處理模塊所選用的元件工作能耗均較低，能夠滿足設(shè)計(jì)初衷，圖1是采集處理模塊硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1中，WMNBM14s芯片與熱能搜集系統(tǒng)和通信模塊通過通用異步收發(fā)傳輸器進(jìn)行連接。WMNBM14s芯片與STM32F103芯片則通過串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）進(jìn)行連接。SPI是一種雙全工的通信接口，可使WMNBM14s芯片和STM32F103芯片之間能夠相互進(jìn)行熱能數(shù)據(jù)的調(diào)出和讀取。STM32F103芯片擁有協(xié)議分析、數(shù)據(jù)拆裝和定時(shí)處理等功能，能夠低耗、高效地進(jìn)行熱能數(shù)據(jù)處理工作。STM32F103芯片給出的熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果將經(jīng)由WMNBM14s芯片傳輸?shù)酵ㄐ拍K中。

1.1.2 通信模塊

物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架的通信模塊負(fù)責(zé)將采集處理模塊的熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果安全傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)控制端，并有效維持物聯(lián)網(wǎng)控制端對熱能搜集系統(tǒng)的持續(xù)、高效控制。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架使用BCM43362無線芯片作為通信模塊的核心元件，用戶節(jié)點(diǎn)、軟件開發(fā)工具包和核心防火墻則作為BCM43362無線芯片的通信支持組件，為其提供通信控制協(xié)議。BCM43362無線芯片擁有高水準(zhǔn)的通信支持協(xié)議，以及較強(qiáng)的兼容性和穩(wěn)定性，并且能耗較低，善于處理流程復(fù)雜的通信工作。通信支持組件擁有4種通信接口，可減輕BCM43362無線芯片的通信壓力、避免BCM43362無線芯片發(fā)熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)而節(jié)約通信模塊能耗。

通信模塊將采集處理模塊的熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)控制端，再將物聯(lián)網(wǎng)控制端給出的控制指令直接反饋到熱能搜集系統(tǒng)的被控區(qū)域。對于上述復(fù)雜的通信流程，所設(shè)計(jì)的通信模塊能夠較好地對其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)控制端設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)控制端中，遺傳算法的熱能轉(zhuǎn)化率優(yōu)化函數(shù)將與熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果同時(shí)輸入到控制電路中，對熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率進(jìn)行優(yōu)化。隨后，控制電路對熱能搜集系統(tǒng)的控制指令進(jìn)行制定，控制指令將經(jīng)由物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架反饋到熱能搜集系統(tǒng)的被控區(qū)域。

1.2.1 基于遺傳算法的熱能轉(zhuǎn)化率優(yōu)化函數(shù)

遺傳算法于1975年在美國被提出，它以“物競天擇，適者生存”為計(jì)算依據(jù)，形成了自適應(yīng)、高級并列的隨機(jī)搜索算法，擁有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。在所設(shè)計(jì)的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺中，遺傳算法將對熱能搜集系統(tǒng)進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化率的優(yōu)化。

在熱能搜集系統(tǒng)中，遺傳算法先對導(dǎo)致系統(tǒng)熱能轉(zhuǎn)化率偏低的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，構(gòu)建熱能優(yōu)化集合[maxf]，用[fn（x）]表示系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，有：

[maxf=[f1（x）f2（x）…fn（x）]] （1）

將式（1）中的某一系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)為重點(diǎn)優(yōu)化項(xiàng)目，為了保證基于遺傳算法的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的整體控制性能，重點(diǎn)優(yōu)化項(xiàng)目的閾值[F]應(yīng)滿足下式：

[0.9

設(shè)[F]的實(shí)時(shí)熱能轉(zhuǎn)化率為[pon]。以重點(diǎn)優(yōu)化項(xiàng)目中的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)為圓心，將[maxf]中剩余的[n-1]個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)有序排列在圓心周圍，設(shè)其中的有效節(jié)點(diǎn)有[m]個(gè)。當(dāng)熱能搜集系統(tǒng)工作時(shí)，設(shè)有[k]個(gè)節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)化。此時(shí)，遺傳算法將對[pon]進(jìn)行如式（3）所示的熱能轉(zhuǎn)化率優(yōu)化。

[max0，k-10m

將式（1）～式（3）所示的遺傳算法熱能轉(zhuǎn)化率優(yōu)化函數(shù)輸入到控制電路中，對物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架的熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.2 控制電路

在物聯(lián)網(wǎng)控制端控制電路的設(shè)計(jì)中，由于熱能搜集系統(tǒng)中各被控區(qū)域所需要的控制方案不同，故要求控制電路應(yīng)具有較強(qiáng)的靈活性，可對不同類型的熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行解析，并依據(jù)解析結(jié)果制定正確、有效的控制指令。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)如圖3所示的控制電路。

由圖3可知，物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架通信模塊中的4種通信接口分別與物聯(lián)網(wǎng)控制端控制電路的相應(yīng)接口進(jìn)行連接，這種設(shè)計(jì)可令控制電路在接收熱能數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)進(jìn)行熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果的分類，提高電路解析效率。

分類后的熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果將全部匯集于正向放大器中進(jìn)行信號放大和解析。遺傳算法熱能轉(zhuǎn)化率優(yōu)化函數(shù)將通過聯(lián)合測試工作組接口傳輸?shù)胶瘮?shù)生成器，用于對解析后的熱能數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)化率優(yōu)化?？刂齐娐犯鶕?jù)優(yōu)化結(jié)果給出熱能搜集系統(tǒng)相應(yīng)區(qū)域的控制指令?？刂浦噶罱?jīng)由反向放大器將信號縮小至初始狀態(tài)，再通過通用異步收發(fā)傳輸器向物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架的通信模塊傳輸，最終反饋到熱能搜集系統(tǒng)響應(yīng)的被控區(qū)域進(jìn)行控制。

2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)在如圖4所示的實(shí)驗(yàn)室中，使用本文平臺、Scrum平臺和極限靜態(tài)編程平臺，對如圖5所示的熱能搜集系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)控制。實(shí)驗(yàn)室中，上午10點(diǎn)—下午3點(diǎn)均有太陽光照射到熱能搜集系統(tǒng)上。

實(shí)驗(yàn)首先在不使用任何控制平臺進(jìn)行控制的前提下，用熱能搜集系統(tǒng)搜集太陽光熱能。搜集過程中，每隔1 h調(diào)節(jié)一次實(shí)驗(yàn)室的溫濕度。此時(shí)熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率如表1所示。

使用本文平臺、Scrum平臺和極限靜態(tài)編程平臺對實(shí)驗(yàn)中的熱能搜集系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)控制。在三個(gè)平臺控制下，熱能搜集系統(tǒng)熱能轉(zhuǎn)化率如表2所示，三個(gè)平臺的工作能耗曲線如圖6所示。

對比表1、表2可知，Scrum平臺和極限靜態(tài)編程平臺雖然可在一定程度上提高熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率，但提高幅度不大。本文平臺則能夠?qū)崮芩鸭到y(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率全面提高到90%以上，提升幅度較為明顯。由圖6可知，本文平臺的工作能耗明顯低于Scrum平臺和極限靜態(tài)編程平臺，可較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)初衷。

3 結(jié) 論

為進(jìn)一步提高熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率、降低熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺的工作能耗，本文設(shè)計(jì)基于遺傳算法的熱能搜集系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制平臺，其由物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架和物聯(lián)網(wǎng)控制端組成。平臺通過對物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)框架進(jìn)行能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效減少了平臺耗能量，并利用遺傳算法優(yōu)化熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率，對設(shè)計(jì)初衷進(jìn)行了較好地實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文平臺工作能耗低，可明顯提高熱能搜集系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率。

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