CN109062074B - 智能家居环境实时管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了智能家居环境实时管理系统，包括感知子系统、调温设备、通风设备、管理终端，其中感知子系统、调温设备、通风设备皆与管理终端连接；所述感知子系统被配置为对室内环境进行实时监测，采集室内环境数据并发送至管理终端；所述的管理终端被配置为对接收的室内环境数据进行分析处理，生成相应的控制指令，并根据控制指令控制调温设备和通风设备的运行。

Description

智能家居环境实时管理系统
技术领域
本发明涉及智能家居领域，具体涉及智能家居环境实时管理系统。
背景技术
随着人们对家居舒适健康要求的提高，智能家居的概念逐渐被提出和接纳，智能家居一般是利用先进的计算机网络通讯技术、综合布线技术和人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统有机地结合在一起，通过综合智能控制和管理，实现全新的家居生活体验，目前家庭生活中制冷供暖是一件大事，对人们的生活舒适性有重大影响，然而制冷供暖需要根据人体的感受实时进行调节，普通的集体供暖和空调制冷具有很大的局限性，不能及时进行温度调节。
发明内容
针对上述问题，本发明提供智能家居环境实时管理系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了智能家居环境实时管理系统，包括感知子系统、调温设备、通风设备、管理终端，其中感知子系统、调温设备、通风设备皆与管理终端连接；所述感知子系统被配置为对室内环境进行实时监测，采集室内环境数据并发送至管理终端；所述的管理终端被配置为对接收的室内环境数据进行分析处理，生成相应的控制指令，并根据控制指令控制调温设备和通风设备的运行；所述感知子系统包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的监测区域的中心位置，四个中继节点设置于监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述监测区域内；传感器节点负责采集室内环境数据并将室内环境数据发送至其中一个中继节点，中继节点与汇聚节点直接通信，以将接收的室内环境数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点与管理终端通信以将接收的室内环境数据传输至该管理终端。
在一种能够实现的方式中，所述的管理终端包括数据处理模块、第一控制模块、第二控制模块，其中第一控制模块、第二控制模块的输入端皆与数据处理模块连接，第一控制模块的输出端与调温设备连接，第二控制模块的输出端与通风设备连接。
本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术进行室内环境数据采集，避免了布线的麻烦，智能快捷；通过对采集到的室内环境数据进行分析处理，根据室内环境数据控制调温设备和通风设备的运行，实现家居温度和空气流通性的调节，让人在回到家时就可以享受舒适的环境，结构简单，实用性强。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的智能家居环境实时管理系统结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的管理终端的结构示意框图。
附图标记：
感知子系统1、调温设备2、通风设备3、管理终端4、数据处理模块10、第一控制模块20、第二控制模块30。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
图1是本发明一个实施例的智能家居环境实时管理系统结构示意框图。参见图1，本实施例提供的智能家居环境实时管理系统包括感知子系统1、调温设备2、通风设备3、管理终端4，其中感知子系统1、调温设备2、通风设备3皆与管理终端4连接。
其中，感知子系统1被配置为对室内环境进行实时监测，采集室内环境数据并发送至管理终端4。所述感知子系统1包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的监测区域的中心位置，四个中继节点设置于监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述监测区域内；传感器节点负责采集室内环境数据并将室内环境数据发送至其中一个中继节点，中继节点与汇聚节点直接通信，以将接收的室内环境数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点与管理终端4通信以将接收的室内环境数据传输至该管理终端4。本实施例利用无线传感器网络技术进行室内环境数据采集，避免了布线，实施简单。
其中，传感器节点包括采集单元、分析处理单元以及通信单元；采集单元由传感器与模数转换器完成，分析处理单元由微数据处理模块与存储器完成，通信单元由无线收发器完成。其中，传感器为温度传感器和/或风流传感器。
管理终端4被配置为对接收的室内环境数据进行分析处理，生成相应的控制指令，并根据控制指令控制调温设备2和通风设备3的运行。
在一种能够实施的方式中，如图2所示，管理终端4包括数据处理模块10、第一控制模块20、第二控制模块30，其中第一控制模块20、第二控制模块30的输入端皆与数据处理模块10连接，第一控制模块20的输出端与调温设备2连接，第二控制模块30的输出端与通风设备3连接。
数据处理模块10对接收的室内环境数据进行分析处理，将接收的室内环境数据与预设的指标进行比较，根据比较的结果生成控制指令，并将控制指令发送至第一控制模块20、第二控制模块30，进而由第一控制模块20、第二控制模块30控制调温设备2和通风设备3的运行。
可选地，根据比较的结果生成控制指令，例如，当感知子系统1采集的室内温度超过预设的数据阈值上限时，数据处理模块10向第一控制模块20发送调低温度的控制指令，并向第二控制模块30发送启动送风的控制指令，进而第一控制模块20根据控制指令控制调温设备2进行冷源提供，第二控制模块30根据控制指令控制通风设备3输送风，从而将室内温度控制在适宜的范围内。而当感知子系统1采集的室内温度低于预设的数据阈值下限时，数据处理模块10向第一控制模块20发送调高温度的控制指令，并向第二控制模块30发送关闭送风的控制指令，进而第一控制模块20根据控制指令控制调温设备2进行热源提供，第二控制模块30根据控制指令控制通风设备3不再进行送风操作。
可选地，调温设备2连接地源热泵，地源热泵提供热源及冷源，第一控制模块20可根据控制指令控制调温设备2调节地源热泵提供热源或者冷源，从而将室内温度控制在适宜的范围内。
在另一个可选的方式中，调温设备2为空调，第一控制模块20可根据控制指令控制调温设备2输送冷源或热源。
可选地，通风设备3为通风装置，第二控制模块30通过控制通风设备3的启闭来实现通风或者不通风。
本发明上述实施例利用无线传感器网络技术进行室内环境数据采集，避免了布线的麻烦，智能快捷；通过对采集到的室内环境数据进行分析处理，根据室内环境数据控制调温设备和通风设备的运行，实现家居温度和空气流通性的调节，让人在回到家时就可以享受舒适的环境，结构简单，实用性强。
在一种能够实施的方式中，将监测区域划分m个虚拟网格区域，且使得各中继节点在不同的虚拟网格区域内；网络初始化时，在中继节点所在的虚拟网格区域中选取中继节点作为簇头，并从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，各传感器节点选择距离最近的簇头加入簇；传感器节点采集的室内环境数据发送至对应的簇头，非中继节点的簇头将接收的室内环境数据发送至其中的一个中继节点。
在一种能够实现的方式中，非中继节点的簇头与距离最近的中继节点为单跳距离时，直接将室内环境数据发送至该距离最近的中继节点，否则选择距离最近的簇头作为下一跳节点。
在一种能够实现的方式中，传感器节点对应的簇头为中继节点时，传感器节点根据与该中继节点的距离的远近选择合适的路由形式将室内环境数据发送至中继节点，具体为：传感器节点根据当前剩余能量设定其距离阈值，若与中继节点的距离不超过设定的距离阈值，则直接将采集的室内环境数据发送至该中继节点，否则在其所在簇内选择一个传感器节点作为下一跳节点，将采集的室内环境数据发送至该下一跳节点；所述距离阈值的设定公式为：
式中，Si(t)为传感器节点i在第t个周期设定的距离阈值，为传感器节点i可调节的最大通信距离，为传感器节点i可调节的最小通信距离，Ei为传感器节点i的当前剩余能量，Ei0为传感器节点i的初始能量，Emin为预设的最小能量值，δ为预设的调节因子，δ的取值范围为[0.85，0.95]。
本实施例中，在中继节点作为簇头时，簇内的传感器节点根据与该中继节点的距离的远近选择合适的路由形式将室内环境数据发送至中继节点，有利于较优化地节省传感器节点传输室内环境数据的能量成本。本实施例进一步根据传感器节点的当前剩余能量设定了距离阈值的设定公式，传感器节点若与中继节点的距离超过设定的距离阈值，则采取中继路由的方式将室内环境数据传输至中继节点，有利于降低传感器节点消耗能量的速率，避免传感器节点快速失效，有效延长了传感器节点的工作周期。
在一种能够实现的方式中，传感器节点在其所在簇内选择一个传感器节点作为下一跳节点，具体为：
(1)设选择下一跳节点的传感器节点为始发节点，始发节点在其所在簇内的传感器节点中，选择与其距离不超过设定的距离阈值的传感器节点作为备选节点，并计算备选节点的权值：
式中，Qj表示备选节点j的权值，Djo为备选节点j与对应中继节点即簇头的距离，Djh为备选节点j与其第h个邻居节点的距离，nj为备选节点j的邻居节点的个数，邻居节点即为位于传感器节点通信范围内的其他传感器节点，Dko为第k个备选节点与对应中继节点即簇头的距离，Dkh为所述第k个备选节点与其第h个邻居节点的距离，nk所述第k个备选节点的邻居节点的个数，u为备选节点的个数；
(2)选择权值最大的备选节点作为下一跳节点。
本实施例始发节点在其所在簇内的传感器节点中，选择与其距离不超过设定的距离阈值的传感器节点作为备选节点，有利于降低传感器节点消耗能量的速率，其中创新性地设定了权值的计算公式，并在备选节点中，选择权值最大的备选节点作为下一跳节点，有利于节省室内环境数据传输至下一跳节点的能耗，进一步节省系统在室内环境数据收集方面的成本。
在一种能够实现的方式中，从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，包括：
(1)计算虚拟网格区域的重心位置：
式中，ρb表示虚拟网格区域b的重心位置，x(c)表示所述虚拟网格区域b中第c个传感器节点所在位置的横坐标，y(c)为所述第c个传感器节点所在位置的纵坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，nb为所述虚拟网格区域b具有的传感器节点个数；
(2)计算虚拟网格区域内各传感器节点担任簇头的概率，并选择概率最大的传感器节点作为该虚拟网格区域的簇头：
式中，Pbc为虚拟网格区域b中第c个传感器节点担任簇头的概率，为所述第c个传感器节点与重心位置ρb的距离，为虚拟网格区域b中第v个传感器节点与重心位置ρb的距离；为所述第c个传感器节点与中继节点的最小距离，为所述第c个传感器节点与中继节点的最大距离，为所述第v个传感器节点与中继节点的最小距离，为所述第v个传感器节点与中继节点的最大距离，nb为虚拟网格区域b中传感器节点个数，μ1、μ2为设定的权重系数且μ1＞μ2。
本实施例提出了虚拟网格区域内各传感器节点担任簇头的概率的计算公式，该计算公式中，距离所在虚拟网格区域重心位置以及中继节点更近的传感器节点具有更大的概率担任该虚拟网格区域的簇头。本实施例从每个虚拟网格区域中选择概率最大的传感器节点作为簇头，一方面能够保证簇头尽量均匀地分布在整个监测区域内，另一方面能够提升分簇结果的全局最优性能，节省簇头收集和传输室内环境数据的能量消耗，提高簇头进行室内环境数据收集工作的稳定性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.智能家居环境实时管理系统，其特征是，包括感知子系统、调温设备、通风设备、管理终端，其中感知子系统、调温设备、通风设备皆与管理终端连接；所述感知子系统被配置为对室内环境进行实时监测，采集室内环境数据并发送至管理终端；所述的管理终端被配置为对接收的室内环境数据进行分析处理，生成相应的控制指令，并根据控制指令控制调温设备和通风设备的运行；所述感知子系统包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的监测区域的中心位置，四个中继节点设置于监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述监测区域内；传感器节点负责采集室内环境数据并将室内环境数据发送至其中一个中继节点，中继节点与汇聚节点直接通信，以将接收的室内环境数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点与管理终端通信以将接收的室内环境数据传输至该管理终端；将监测区域划分m个虚拟网格区域，且使得各中继节点在不同的虚拟网格区域内；网络初始化时，在中继节点所在的虚拟网格区域中选取中继节点作为簇头，并从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，各传感器节点选择距离最近的簇头加入簇；传感器节点采集的室内环境数据发送至对应的簇头，非中继节点的簇头将接收的室内环境数据发送至其中的一个中继节点；从每个不包含中继节点的虚拟网格区域中选取一个传感器节点作为簇头，包括：
(1)计算虚拟网格区域的重心位置：
式中，ρb表示虚拟网格区域b的重心位置，x(c)表示所述虚拟网格区域b中第c个传感器节点所在位置的横坐标，y(c)为所述第c个传感器节点所在位置的纵坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，nb为所述虚拟网格区域b具有的传感器节点个数；
(2)计算虚拟网格区域内各传感器节点担任簇头的概率，并选择概率最大的传感器节点作为该虚拟网格区域的簇头：
式中，Pbc为虚拟网格区域b中第c个传感器节点担任簇头的概率，为所述第c个传感器节点与重心位置ρb的距离，为虚拟网格区域b中第v个传感器节点与重心位置ρb的距离；为所述第c个传感器节点与中继节点的最小距离，为所述第c个传感器节点与中继节点的最大距离，为所述第v个传感器节点与中继节点的最小距离，为所述第v个传感器节点与中继节点的最大距离，nb为虚拟网格区域b中传感器节点个数，μ1、μ2为设定的权重系数且μ1>μ2。
2.根据权利要求1所述的智能家居环境实时管理系统，其特征是，所述的管理终端包括数据处理模块、第一控制模块、第二控制模块，其中第一控制模块、第二控制模块的输入端皆与数据处理模块连接，第一控制模块的输出端与调温设备连接，第二控制模块的输出端与通风设备连接。
3.根据权利要求1或2所述的智能家居环境实时管理系统，其特征是，传感器节点包括采集单元、分析处理单元以及通信单元；采集单元由传感器与模数转换器完成，分析处理单元由微数据处理模块与存储器完成，通信单元由无线收发器完成。
4.根据权利要求1所述的智能家居环境实时管理系统，其特征是，非中继节点的簇头与距离最近的中继节点为单跳距离时，直接将室内环境数据发送至该距离最近的中继节点，否则选择距离最近的簇头作为下一跳节点。
5.根据权利要求1所述的智能家居环境实时管理系统，其特征是，传感器节点对应的簇头为中继节点时，传感器节点根据与该中继节点的距离的远近选择合适的路由形式将室内环境数据发送至中继节点，具体为：传感器节点根据当前剩余能量设定其距离阈值，若与中继节点的距离不超过设定的距离阈值，则直接将采集的室内环境数据发送至该中继节点，否则在其所在簇内选择一个传感器节点作为下一跳节点，将采集的室内环境数据发送至该下一跳节点；所述距离阈值的设定公式为：
式中，Si(t)为传感器节点i在第t个周期设定的距离阈值，为传感器节点i可调节的最大通信距离，为传感器节点i可调节的最小通信距离，Ei为传感器节点i的当前剩余能量，Ei0为传感器节点i的初始能量，Emin为预设的最小能量值，δ为预设的调节因子，δ的取值范围为[0.85,0.95]。
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