基于微信平臺的智能家居系統(tǒng)

山東淄博實驗中學(xué) 劉佩旺

基于微信平臺的智能家居系統(tǒng)

山東淄博實驗中學(xué) 劉佩旺

本文設(shè)計了一種基于微信平臺的只能家居系統(tǒng)，包括設(shè)置于智能終端的微信平臺、智能家居控制模塊、智能家居控制中心和智能家居監(jiān)測模塊，所述智能家居監(jiān)測模塊用于采集智能家居的設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給智能家居控制中心并經(jīng)智能家居控制中心傳送至微信平臺。

智能家居；微信平臺；監(jiān)測終端

一、前言

現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)主要有兩個弊端：一是用戶必須通過特定的終端(如遠程電話或者掌上電腦)才能對智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行訪問和對智能設(shè)備進行監(jiān)控，對使用的設(shè)備和環(huán)境有特定要求；二是用戶必需要自己搭建智能終端控制管理系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)的框架與實現(xiàn)

本文設(shè)計智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其連接框圖如圖2所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 智能家居系統(tǒng)連接框圖

本文設(shè)計的基于微信平臺的智能家居控制系統(tǒng)，包括設(shè)置于智能終端的微信平臺1、智能家居控制模塊2、智能家居控制中心3、智能家居監(jiān)測模塊4，所述智能家居監(jiān)測模塊4用于采集智能家居的設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給智能家居控制中心3并經(jīng)智能家居控制中心3傳送至微信平臺1；所述智能家居控制中心3通過通信網(wǎng)絡(luò)與微信平臺1連接，并基于微信平臺1的家居控制請求向智能家居控制模塊2發(fā)送相應(yīng)的控制信號，智能家居控制模塊2根據(jù)控制信號控制相應(yīng)的智能家居設(shè)備開啟或關(guān)閉。

所述智能家居控制中心3包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器10、應(yīng)用程序服務(wù)器20，所述的應(yīng)用程序服務(wù)器20在收到微信平臺1的數(shù)據(jù)訪問請求時將數(shù)據(jù)訪問請求發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器10，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器10根據(jù)數(shù)據(jù)訪問請求調(diào)出相應(yīng)數(shù)據(jù)供用戶查看；所述的應(yīng)用程序服務(wù)器20在收到微信平臺1的家居控制請求時生成控制信號，并將控制信號發(fā)送至智能家居控制模塊2。所述的通信網(wǎng)絡(luò)是2G、3G、4G或WIFI網(wǎng)絡(luò)。

本文設(shè)計的智能家居監(jiān)測模塊4基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行智能家居的設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，包括傳感器節(jié)點和移動基站，在部署傳感器節(jié)點之前，將設(shè)定的智能家居監(jiān)測區(qū)域平均劃分為4×4的方形子區(qū)域，在每個方形子區(qū)域中隨機部署傳感器節(jié)點，所述的移動基站與智能家居控制中心3連接。移動基站在傳感器節(jié)點部署完成后進行傳感器節(jié)點的定位，并按照設(shè)定的訪問路徑移動，進行智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，其中進行傳感器節(jié)點的定位時，具體執(zhí)行：

(1)設(shè)定移動基站的通信半徑R，R的設(shè)定公式為：

式中，Ω為智能家居監(jiān)測區(qū)域的面積，Pf表示第 f 個傳感器節(jié)點失效的概率，為部署的傳感器節(jié)點的個數(shù)；

(2)將每個方形子區(qū)域的頂點作為移動基站的測距點，并確定各測距點的坐標，根據(jù)實際情況對測距點進行排序，初始時，移動基站位于智能家居監(jiān)測區(qū)域左下角所在的測距點，并按照排序情況順序移動到每個測距點；

(3)移動基站每移動到一個測距點時，即暫時停留，與通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點進行RSSI測距并保存，并結(jié)合相鄰兩個測距點計算通信范圍內(nèi)傳感器節(jié)點的坐標，設(shè)移動基站在測距點Ωb、Ωc對傳感器節(jié)點Ea進行RSSI測距，測距點Ωb的坐標為(xb, xb)，測距點Ωc的坐標為(xc, xc)，則傳感器節(jié)點Ea的位置坐標(xa, xa)通過結(jié)合下列兩個公式計算：

其中，Dab、Dac分別為移動基站在測距點Ωb、Ωc對傳感器節(jié)點Ea進行RSSI測距獲得的歐式距離。

在進行傳感器節(jié)點的定位過程中，由移動基站負責(zé)大部分的計算和通信任務(wù)，能夠有效降低傳感器節(jié)點通信及計算負載，此外，定義了移動基站的通信半徑設(shè)定公式，在保證對所有傳感器節(jié)點都能夠進行RSSI測距的前提下使得移動基站的通信半徑最小化，從而節(jié)省智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集的能耗。

上述的按照設(shè)定的訪問路徑移動，進行智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，具體包括：

(1)進行訪問路徑設(shè)定，將相鄰四個方形子區(qū)域的中心點作為移動基站進行智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集時的停留站點，則智能家居監(jiān)測區(qū)域中共有四個停留站點，將各停留站點按照與移動基站初始位置的距離由近到遠的順序直線連接形成的路徑設(shè)定為移動基站的訪問路徑；

(2)開始分簇，對于每個方形子區(qū)域，在移動基站通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點中選取狀態(tài)值最大的傳感器節(jié)點作為該方形子區(qū)域的簇頭節(jié)點，共形成四個簇頭節(jié)點，設(shè)WEi表示在移動基站通信范圍內(nèi)的方形子區(qū)域中第i個傳感器節(jié)點即Ei的狀態(tài)值，定義WEi的計算公式為：

式中，QEi、SEi、MEi分別表示Ei的當前剩余能量、當前可用內(nèi)存、一跳鄰居節(jié)點數(shù)，QEi為Ei的第j個跳鄰居節(jié)點的當前剩余能量，SEi為Ei的初始內(nèi)存，D(Ei, 0)為Ei到方形子區(qū)域所對應(yīng)的停留站點的歐式距離。

其余的傳感器節(jié)點計算自身與四個簇頭節(jié)點的歐式距離，并選擇歐式距離最小值所對應(yīng)的簇頭節(jié)點加入簇；當簇頭節(jié)點的剩余能量低于初始能量的50%時，在移動基站通信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點中選取狀態(tài)值最大的傳感器節(jié)點更新簇頭節(jié)點。

(3)簇頭節(jié)點收集簇內(nèi)傳感器節(jié)點的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)，移動基站按照設(shè)定的訪問路徑移動到停留站點后停留，與該停留站點所對應(yīng)的四個方形子區(qū)域的簇頭節(jié)點通信，從而接收簇頭節(jié)點已收集的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由簇頭節(jié)點收集簇內(nèi)傳感器節(jié)點的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)，不會引起太大的時延，并且能夠很大程度上節(jié)省智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)收集的能量消耗；本優(yōu)選實施例設(shè)置的簇頭節(jié)點的更新策略，能夠最大程度上節(jié)省簇頭節(jié)點的更新時間，并且有助于節(jié)省智能家居控制系統(tǒng)的整體能耗。若簇內(nèi)傳感器節(jié)點與對應(yīng)簇頭節(jié)點為多跳距離，簇內(nèi)傳感器節(jié)點選擇最優(yōu)的鄰居節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，具體為：

(1)計算傳感器節(jié)點的簇內(nèi)鄰居節(jié)點的優(yōu)選值，定義優(yōu)選值的計算公式為：

式中，Eξτ表示傳感器節(jié)點Eξ的第 τ 個簇內(nèi)鄰居節(jié)點，YEξτ表示Eξτ的優(yōu)選值，E0表示Eξ對應(yīng)的簇頭節(jié)點，表示Eξ到E0的最短跳數(shù)距離，UEξτ→E0表示Eξ到E0的最短跳數(shù)距離，為設(shè)定的距離比較函數(shù)，當時，，當時，為設(shè)定的數(shù)據(jù)類型比較函數(shù)，當Eξ，Eξτ 兩者采集的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)類型不一致時，；LEξ表示Eξ在設(shè)定時間段采集的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，LEξτ表示Eξτ 在同一設(shè)定時間段采集的智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值。

(2)選擇優(yōu)選值為最大的簇內(nèi)鄰居節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，進行智能家居監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，最終發(fā)送至簇頭節(jié)點。

三、總結(jié)

本文設(shè)計基于微信平臺的智能家居系統(tǒng)，簇內(nèi)傳感器節(jié)點在進行轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的選取過程中綜合考慮了鄰居節(jié)點的最短跳數(shù)距離和數(shù)據(jù)相關(guān)度因素，通過選擇優(yōu)選值最大的對應(yīng)鄰居節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，能夠減少通信開銷，并且能夠保障選出的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點具有較優(yōu)的數(shù)據(jù)聚合率，進一步均衡智能家居監(jiān)測模塊1的網(wǎng)絡(luò)負載。

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