CN113808380A - 基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能控制技术领域，具体公开了一种基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，包括设备管理后台、ZigBee网关和ZigBee外设模组，设备管理后台与ZigBee网关网络连接，ZigBee网关与ZigBee外设模组之间通过ZigBee协议通信；ZigBee外设模组包括空调控制器、门禁控制器、灯光控制器、除湿机控制器、人体感应控制器和温湿度传感器；该一体机装置由管理员现场完成设备安装和一系列基础配置后，通过规则引擎来驱动运行，实现无人值守条件下多外设有优先级的系统控制。

Description

基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置

技术领域

本发明涉及智能控制技术领域，尤其涉及一种基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置。

背景技术

目前随着电子技术的日益进步，社会经济的不断发展，生活质量的不断提高以及传统节奏的不断加快，通过物联网技术连接的家居设备——智能家居应运而生，与普通家居相比，智能家居不仅具备传统功能，还能够提供全方位的信息交互功能以及为各种能源费用节约资金。

当下，在声、光、温湿度等控制领域，人们已经不满足于单纯提供打开或者关闭的功能，而是需求系统控制方式的灵活。以图书馆灯光管理系统为例，以前采用人工控制的方式对灯光进行管理，并不能对灯光进行灵活、有效的管理，后来采用Wi-Fi网络远程开关，这种方法存在可靠性低、信号易受到干扰、接入设备数量少等问题，同样无法做到有效的控制。利用ZigBee的无线网络技术则解决了上述传统灯光控制系统所存在的问题。

但是人们已经不满足于只实现灯光的控制，而是需求更多设备的实时控制，仅仅改良灯光控制系统是不够的，如何提高多外设控制系统的有效管理水平，是当下急需解决的课题。

另外为了解决中心式图书馆存在的地域限制、扩展受限等诸多问题，成本更低的分布式无人图书馆广泛分布在城市的每个小区里面，方便人们即时取阅，形成一个社区公共活动空间的效果大大优于中心式图书馆，能够真正将图书馆融入到日常生活当中。但公共活动空间离不开良好的管理，无人图书馆过去依赖管理员的远程操控，因此本发明提供一种基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，旨在解决无人值守的情况下声、光、电、温度、门禁等设备的自动实时控制和智能运维。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，以解决无人值守的情况下声、光、电、温度、门禁设备的自动实时控制和智能运维，从而提高图书馆多外设控制系统的有效管理水平。

为实现上述目的，本发明采用的一种基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，包括设备管理后台、ZigBee网关和ZigBee外设模组，所述设备管理后台与所述ZigBee网关网络连接，所述ZigBee网关与所述ZigBee外设模组之间通过ZigBee协议通信；

所述ZigBee外设模组包括空调控制器、门禁控制器、灯光控制器、除湿机控制器、人体感应控制器和温湿度传感器；

所述人体感应控制器，作为控制入口，实时监控区域内是否有人，并向所述ZigBee网关传输相应数据；

所述灯光控制器，用于控制灯光开启及关闭；

所述门禁控制器，用于控制门禁开启及关闭；

所述温湿度传感器，用于实时检测环境温度和湿度，并向所述ZigBee网关传输相应数据，之后所述ZigBee网关向所述空调控制器及除湿机控制器传输数据；

所述空调控制器，用于控制空调的开启和关闭；

所述除湿机控制器，用于控制除湿机的开启和关闭。

所述ZigBee网关分为硬件部分和软件部分，硬件部分包括HMI模块、ZigBee模块，所述软件部分包含控制算法以及HMI软件工具，所述控制算法根据设备控制的实时性要求，将设备分为实时控制设备和非实时控制设备，灯光、门禁设备为实时控制设备，而空调和除湿机设备为非实时控制设备，实现在具体控制过程中做到有优先级地控制。

所述控制算法具体包括：

根据Linux线程调度的特点，利用时钟中断将时间切分为时间片，在每个时间片里，单个指令是一个不冲突域或者小概率冲突域，控制指令能成功操作对应设备；

实时控制设备控制指令存放在实时控制队列QP中，非实时控制设备控制指令存放在非实时控制队列QNP中；

每个控制时机，首先检查实时控制队列QP，优先发送QP队列指令，若没有则发送QNP队列指令。

所述控制算法还包括QP队列指令降级处理机制，该机制具体操作为：QP队列中的优先指令的操作对象会多次出现，多次出现时能够将实时操作的操作指令降级到QNP队列中。

所述控制算法为了优化控制指令队列长度，在没有实时任务时，启动指令压缩机制，将操作对象相同的指令进行合并。

本发明的一种基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，通所述ZigBee网关与所述ZigBee外设模组之间通过ZigBee协议通信，并且所述人体感应控制器作为控制入口，可以实时监控区域内是否有人，并向所述ZigBee网关传输相应数据，区域内有人时所述ZigBee网关向控制系统发送开启指令，区域内无人时所述ZigBee网关向控制系统发送关闭指令。所述温湿度传感器可以实时检测环境温度和湿度，并向所述ZigBee网关传输相应数据以控制空调、除湿机的开启和关闭。本发明中的一体机系统，解放了人力资源，不再需要管理员在远程根据人员进出情况通过移动端对图书馆中的声、光、电、温度、门禁等设备进行远程操控，符合分布式无人图书馆建设的需要，解决无人值守的情况下声、光、电、温度、门禁设备的自动实时控制和智能运维，从而提高图书馆多外设控制系统的有效管理水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的应用场景图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

请参阅图1，本发明提供了一种基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，包括设备管理后台、ZigBee网关和ZigBee外设模组，所述设备管理后台与所述ZigBee网关网络连接，所述ZigBee网关与所述ZigBee外设模组之间通过ZigBee协议通信；

所述ZigBee外设模组包括空调控制器、门禁控制器、灯光控制器、除湿机控制器、人体感应控制器和温湿度传感器；

所述人体感应控制器，作为控制入口，实时监控区域内是否有人，并向所述ZigBee网关传输相应数据；

所述灯光控制器，用于控制灯光开启及关闭；

所述门禁控制器，用于控制门禁开启及关闭；

所述温湿度传感器，用于实时检测环境温度和湿度，并向所述ZigBee网关传输相应数据，之后所述ZigBee网关向所述空调控制器及除湿机控制器传输数据；

所述空调控制器，用于控制空调的开启和关闭；

所述除湿机控制器，用于控制除湿机的开启和关闭。

所述ZigBee网关分为硬件部分和软件部分，硬件部分包括HMI模块、ZigBee模块，所述软件部分包含控制算法以及HMI软件工具，所述控制算法根据设备控制的实时性要求，将设备分为实时控制设备和非实时控制设备，灯光、门禁设备为实时控制设备，而空调和除湿机设备为非实时控制设备，实现在具体控制过程中做到有优先级地控制。

所述控制算法具体包括：

根据Linux线程调度的特点，利用时钟中断将时间切分为时间片，在每个时间片里，单个指令是一个不冲突域或者小概率冲突域，控制指令能成功操作对应设备；

实时控制设备控制指令存放在实时控制队列QP中，非实时控制设备控制指令存放在非实时控制队列QNP中；

每个控制时机，首先检查实时控制队列QP，优先发送QP队列指令，若没有则发送QNP队列指令。

所述控制算法还包括QP队列指令降级处理机制，该机制具体操作为：QP队列中的优先指令的操作对象会多次出现，多次出现时能够将实时操作的操作指令降级到QNP队列中。

所述控制算法为了优化控制指令队列长度，在没有实时任务时，启动指令压缩机制，将操作对象相同的指令进行合并。

所述设备管理后台包括WEB端、HMI一体机和移动端，所述WEB端和所述移动端均与服务器网络连接，服务器与所述ZigBee网关网络连接，所述HMI一体机与所述ZigBee网关网络连接。

所述ZigBee网关的硬件部分还包括计算模组、以太网模块、ZigBee工具、USB转TTL模块、串口连接线以及电源。

所述基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，具体步骤包括：

步骤1：完成设备安装；

步骤2：进行设备配置，在设备配置页面，提供设备查看、增加、删除、修改功能，同时提供开关控制器设备操作功能(包括开关控制器开操作、关操作)；

点击增加、删除、修改可以进入设备的详细页面，可以按照设备类型进行区分，分别是：

(1)开关控制器，包含设备类型、设备地址[1-255]、设备路数[1-8]、设备描述[文本]；

(2)空调控制器，包含设备类型、设备地址[1-255]、设备描述[文本]、触发数值¹[1-255]；

(3)人体感应器，包含设备类型、设备地址[1-255]、设备描述[文本]、触发数值¹[1-255]；

触发数值是人体感应触发后，应该发送给空调控制器的控制值；

步骤3：进行红外配置，设备提供红外控制和红外学习两大类功能，其中红外学习是通过红外控制器学习红外控制码字，然后通过红外控制器将码字传输给网关或者智能家居一体机并存储在SQLite中；其中红外控制是将网关(或者智能家居一体机)存储的红外码字发送给红外控制器，达到控制空调开关和温度控制的作用。其中控制分为冷发射和热发射，学习分为冷学习和热学习，另外为了解决学习错误的问题，提供了清楚所有的功能；

步骤4：进行规则配置，提供规则查看、增加、删除功能。查看页面包含事件触发设备地址、被控设备地址、设备类型、设备路数以及描述；

步骤5：进行系统配置，提供网关(或者智能家居一体机)系统，包括MAC地址、IP地址、IP掩码、默认网关、卤藕选项、MQTT IP、无人值守。通过点击载入按钮对信息进行更新；

步骤6：进行无人值守配置，提供无人值守功能的切换，当该功能开启时，整个系统处于规则引擎的控制下，系统按照规则引擎设定的条件进行控制，人体感应触发空调的开启，触发灯光开启，一定时间延迟后，关闭空调，关闭灯光；当该功能关闭时，整个系统保持在当前的状态下，可以手动或者远程关闭空调和灯光；

步骤7：经过以上配置过程后，系统默认进入无人值守的模式，根据规则引擎控制，需要调整时，可以切换到无人值守模式下。每个控制时机，首先检查QP队列，优先发送QP队列指令，如果没有则发送QNP中指令。为了解决QNP队列中饥饿情况，提出QP队列指令降级处理机制，该机制的原理是QP队列中的优先指令的操作对象会多次出现，多次出现时可以将实时操作的操作指令降级到QNP队列中。另外，为了优化控制指令队列长度，在没有实时任务时，启动指令压缩机制，将操作对象相同的指令进行合并。

在本实施方式中，一种基于优先级队列的面向不可靠ZigBee网络的多外设控制算法及一体机系统，包括设备管理后台、ZigBee网关、ZigBee外设模组，ZigBee网关与ZigBee外设模组之间通过ZigBee协议通信。控制算法解决了网关批量发送控制指令时多条指令冲突以及控制指令与上行链路之间冲突问题，并实现对多外设区分优先级地控制。控制算法结合一体机系统解决了无人值守的问题，不再依赖管理员远程控制设备。所述ZigBee外设模组包括空调控制器、门禁控制器、灯光控制器、除湿机控制器、人体感应控制器，所述ZigBee网关的硬件部分包含HMI模块、ZigBee模块、计算模组、以太网模块等，还需要准备ZigBee工具、USB转TTL模块、一条串口连接线以及电源等配件若干。所述ZigBee网关的软件部分包含所述控制算法，为了进行软件调试，也需要准备HMI公司的软件工具。

作为改进，本发明中的所述人体感应控制器作为控制入口，可以实时监控区域内是否有人，并向所述ZigBee网关传输相应数据，区域内有人时ZigBee网关向控制系统发送开启指令，区域内无人时ZigBee网关向控制系统发送关闭指令。本发明中的所述温湿度传感器可以实时检测环境温度和湿度，并向所述ZigBee网关传输相应数据以控制空调、除湿机的开启和关闭。该一体机系统，解放了人力资源，不再需要管理员在远程根据人员进出情况通过移动端对图书馆中的声、光、电、温度、门禁等设备进行远程操控，符合分布式无人图书馆建设的需要。

需要格外注意的是，在多外设控制系统中，人们对不同设备实时性的要求是不同的，例如走进一家分布式无人图书馆时，我们需要灯光和门禁在第一时间打开，这也是实现阅读功能最基本的需求，而空调和除湿机作为进一步提升用户体验的设备，响应时间则可以稍稍延后，因此本发明特别考虑到了设备响应的优先级顺序。

所述控制算法包括以下步骤：

步骤1：利用时钟中断将时间切分为长度为δ_t的时间片，在每个时间片里，单个指令是一个不冲突域或者小概率冲突域，控制指令能成功操作对应设备；

步骤2：实时设备控制指令存放在实时控制队列QP中，非实时设备控制指令存放在非实时控制队列QNP中；

步骤3：每个控制时机，首先检查QP队列，优先发送QP队列指令，如果没有则发送QNP队列指令。

此外，本发明中的外设控制算法为了解决QNP队列中出现饥饿的情况，提出QP队列指令降级处理机制，该机制的原理是QP队列中的优先指令的操作对象会多次出现，多次出现时可以将实时操作的操作指令降级到QNP队列中；

本发明的应用场景如图1所示，传统的无人图书馆架构下，管理员需要通过所述WEB端的入口对每个图书馆进行基础配置，如温度、开放时间时间等，配置好后便进入所述移动端的入口，通过所述移动端可以对图书馆中的声、光、电、温度、门禁设备进行远程操控，但只适用于有人值守环境。

本发明进行改进后，应用场景之一为管理员通过现场的所述WEB端的入口对图书馆进行基础配置，如温度、开放时间等，配置好后不需要远程控制，整个过程通过规则引擎来驱动运行，规则引擎条件以人体感应、时间、温度等为输入。如果需要远程控制便进入所述移动端的入口，通过所述移动端可以对图书馆中的声、光、电、温度、门禁设备进行远程操控。此应用场景主要解决了无人值守的问题，适用于无人值守环境，但同时也可以利用所述移动端提供的远程控制功能提供辅助控制的功能。本发明进行改进后，另一应用场景可以完全不依赖所述WEB端，管理员通过现场所述HMI一体机的入口对图书馆进行基础配置，在解决无人值守问题的基础上，不需要依赖网络，完全实现了本地化，同时也可以利用所述移动端提供的远程控制功能实现辅助控制。

本发明中的网络采用ZigBee网络，ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，这种无线通信系统功耗极低，可以结合使用各种功能的传感器设备，本发明利用ZigBee协议建立一个无线传输网络，网络可以由多大65000个无线传输模块组成，利用ZigBee协议中的通讯协议，可以使每个传输模块之间相互通信。

本发明的中基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置的具体实施步骤：

步骤1：完成设备安装；

步骤2：进行设备配置，在设备配置页面，提供设备查看、增加、删除、修改功能，同时提供开关控制器设备操作功能(包括开关控制器开操作、关操作)；

点击增加、删除、修改可以进入设备的详细页面，可以按照设备类型进行区分，分别是：

(1)开关控制器，包含设备类型、设备地址[1-255]、设备路数[1-8]、设备描述[文本]；

(2)空调控制器，包含设备类型、设备地址[1-255]、设备描述[文本]、触发数值¹[1-255]；

(3)人体感应器，包含设备类型、设备地址[1-255]、设备描述[文本]、触发数值¹[1-255]；

触发数值是人体感应触发后，应该发送给空调控制器的控制值；

步骤3：进行红外配置，设备提供红外控制和红外学习两大类功能，其中红外学习是通过红外控制器学习红外控制码字，然后通过红外控制器将码字传输给网关或者智能家居一体机并存储在SQLite中；其中红外控制是将网关(或者智能家居一体机)存储的红外码字发送给红外控制器，达到控制空调开关和温度控制的作用。其中控制分为冷发射和热发射，学习分为冷学习和热学习，另外为了解决学习错误的问题，提供了清楚所有的功能；

步骤4：进行规则配置，提供规则查看、增加、删除功能。查看页面包含事件触发设备地址、被控设备地址、设备类型、设备路数以及描述；

步骤5：进行系统配置，提供网关(或者智能家居一体机)系统，包括MAC地址、IP地址、IP掩码、默认网关、卤藕选项、MQTT IP、无人值守。通过点击载入按钮对信息进行更新；

步骤6：进行无人值守配置，提供无人值守功能的切换，当该功能开启时，整个系统处于规则引擎的控制下，系统按照规则引擎设定的条件进行控制，人体感应触发空调的开启，触发灯光开启，一定时间延迟后，关闭空调，关闭灯光；当该功能关闭时，整个系统保持在当前的状态下，可以手动或者远程关闭空调和灯光；

步骤7：经过以上配置过程后，系统默认进入无人值守的模式，根据规则引擎控制，需要调整时，可以切换到无人值守模式下。每个控制时机，首先检查QP队列，优先发送QP队列指令，如果没有则发送QNP中指令。为了解决QNP队列中饥饿情况，提出QP队列指令降级处理机制，该机制的原理是QP队列中的优先指令的操作对象会多次出现，多次出现时可以将实时操作的操作指令降级到QNP队列中。另外，为了优化控制指令队列长度，在没有实时任务时，启动指令压缩机制，将操作对象相同的指令进行合并；

步骤8：测试和维护。

综上所述，本发明解决了网关批量发送控制指令时多条指令冲突的问题，利用时钟中断将时间切分为长度为δ_t的时间片，在每个时间片里，单个指令是一个不冲突域或小概率冲突域，控制指令能成功操作对应设备。本发明根据不同设备控制的实时性要求，将不同外设分为实时控制设备和非实时控制设备，如灯光、门禁设备要求实时开关为实时设备，而空调、除湿机等设备为非实时设备，通过外设控制算法实现有优先级地控制，在不影响用户体验的同时节约能源并提高工作效率。本发明通过一体机系统与控制算法的结合，解决了无人值守的问题，适用于无人值守环境，同时管理人员也可以利用移动端提供的远程控制功能提供辅助控制，解放了人力资源，不再需要管理员在远程根据人员进出情况通过移动端对图书馆中的声、光、电、温度、门禁等设备进行远程操控，符合分布式无人图书馆建设的需要，解决无人值守的情况下声、光、电、温度、门禁设备的自动实时控制和智能运维，从而提高图书馆多外设控制系统的有效管理水平。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，其特征在于，

包括设备管理后台、ZigBee网关和ZigBee外设模组，所述设备管理后台与所述ZigBee网关网络连接，所述ZigBee网关与所述ZigBee外设模组之间通过ZigBee协议通信；

所述ZigBee外设模组包括空调控制器、门禁控制器、灯光控制器、除湿机控制器、人体感应控制器和温湿度传感器；

所述人体感应控制器，作为控制入口，实时监控区域内是否有人，并向所述ZigBee网关传输相应数据；

所述灯光控制器，用于控制灯光开启及关闭；

所述门禁控制器，用于控制门禁开启及关闭；

所述温湿度传感器，用于实时检测环境温度和湿度，并向所述ZigBee网关传输相应数据，之后所述ZigBee网关向所述空调控制器及除湿机控制器传输数据；

所述空调控制器，用于控制空调的开启和关闭；

所述除湿机控制器，用于控制除湿机的开启和关闭。

2.如权利要求1所述的基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，其特征在于，

所述ZigBee网关分为硬件部分和软件部分，硬件部分包括HMI模块、ZigBee模块，所述软件部分包含控制算法以及HMI软件工具，所述控制算法根据设备控制的实时性要求，将设备分为实时控制设备和非实时控制设备，灯光、门禁设备为实时控制设备，而空调和除湿机设备为非实时控制设备，实现在具体控制过程中做到有优先级地控制。

3.如权利要求2所述的基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，其特征在于，

所述控制算法具体包括：

根据Linux线程调度的特点，利用时钟中断将时间切分为时间片，在每个时间片里，单个指令是一个不冲突域或者小概率冲突域，控制指令能成功操作对应设备；

实时控制设备控制指令存放在实时控制队列QP中，非实时控制设备控制指令存放在非实时控制队列QNP中；

每个控制时机，首先检查实时控制队列QP，优先发送QP队列指令，若没有则发送QNP队列指令。

4.如权利要求3所述的基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，其特征在于，

所述控制算法还包括QP队列指令降级处理机制，该机制具体操作为：QP队列中的优先指令的操作对象会多次出现，多次出现时能够将实时操作的操作指令降级到QNP队列中。

5.如权利要求4所述的基于优先级队列的多外设控制算法及无人值守一体机装置，其特征在于，

所述控制算法为了优化控制指令队列长度，在没有实时任务时，启动指令压缩机制，将操作对象相同的指令进行合并。

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