android智能家居節能提醒自動化系統的算法設計

劉忠群

(江蘇省徐州經貿高等職業學校,江蘇徐州,221004)

android智能家居節能提醒自動化系統的算法設計

劉忠群

(江蘇省徐州經貿高等職業學校,江蘇徐州,221004)

本文針對智能家居設備增加家庭能耗和如何提高智能家電節能問題，設計了關于智能家居家電節能提醒系統的算法，并通過Android平臺終端及ZigBee協議進行實現，以使智能家居能夠達到節能的效果，降低用戶對能耗增加的顧慮，促進智能家居技術的推廣。

智能家居；節能提醒系統；算法設計

0 引言

隨著社會的不斷進步和發展，人們的生活方式也在發生著變化。在家庭里的改變不僅僅是裝修得越來越漂亮，家電家具越來越美觀，人們開始追求更舒適更智能的生活方式，智能化的家居設備也慢慢的應用于各家各戶中。但是，有很多用戶在考慮是否使用智能家居設備的時候，擔憂的是使用了那么多的電子設備，家庭的能源消耗是不是會增加很多？早期的智能家居系統較為重視用戶體驗和智能化，不注意節能設計，使得智能家居設備過于消耗能源，特別是這些設備通常要保持待機狀態，確實會消耗更多的能源，在家庭無人或處于睡眠狀態時造成了不必要的能源消耗。基于此，需要設計一種智能家居節能提醒自動化系統，讓智能家居系統可以通過分析家庭用電習慣和頻率，靈活地調整設備用電待機時間，減少不必要的能源消耗問題。

1 淺析ZigBee協議

ZigBee技術稱為雙向無線通訊技術，它具有近距離、成本小、速率低及低功耗的特點，被人們廣泛應用到距離近并且低消耗、傳輸速率低的電子設備中，實現數據傳輸或者周期型數據、低反應時間數據傳輸和間接性數據傳輸。Zigbee是一種無線連接設備，工作頻段有三個，包括868MHZ、915MHZ和2.4GHZ。Zigbee技術還具有地理定位功能，被嵌入到不同設備中，對設備進行自動控制或者遠程控制。Zigbee的傳輸距離在10m-75m之間，經過多年的發展與完善，其傳輸距離可以還可以進一步增加。

2 待機能源消耗

家居電器在待機情況下也會產生能源消耗，在此過程中產生的能源消耗是用戶在使用家居電器中不能忽視的。家居電器的待機指的是其在沒有任何功率或者在進行某種功能時的能源消耗處于最小。目前部分智能家居中都有待機模式，有的還稱之為睡眠模式，智能家居的設計者為了能夠使用戶具有較好的體現或者使產品和協調器兩者可以實時通訊，在對智能家居進行編輯設置程序的時候，會設定電氣設備的能源消耗檢測模塊，這就表示只依據粗放式的智能家居管理系統，其中的智能特點能夠使部分家電始終處于待機狀態，使無線wifi、衛星或者微波可以與智能家居進行連接，但是這就使大大損耗待機功率，造成不必要浪費。

3 ZigBee技術下的智能家居節能系統

3.1 ZigBee智能家居系統的總架構

從總架構方面可以將智能家居系統分為三層，包括執行命令層、信息通訊層及應用層。執行命令層包括對環境中信息的掌握，執行電功率中的信息和接受上層的指令并且執行，比如智能家電。信息通訊層主要是執行命令層及應用層之間傳遞信息的橋梁，比如智能家居家庭網關和協調器。應用層主要是對數據信息進行采集、分析，對智能家居中的環境和情境進行邏輯判斷，實現用戶與智能家居之間的交互等功能。

整個智能家居系統的運行可以分為兩種方式，包括指令調度和智能數據的分析。指令調度可以使用戶通過Android系統中的軟件進行WiFi或者4G網絡的指令發送，在家庭網關接收到信息之后，要求用戶通過認證，確定用戶滿足認證條件之后將應用層的指令轉換為硬件中的指令編碼，將這些質量編碼傳送到協調器中，通過協調器來對智能家居中的電路的開關進行調節。智能數據的分析主要是使協調器通過智能家居中的各電路的傳感器將指令編碼發送到家庭網關中，家庭網關在接受到指令之后對這些數據進行收集，并且將數據分配的時間和信號幀都傳輸到智能家居使用的用戶手機Android軟件中，用戶的Android軟件具備智能待機算法，可以對這些信息進行實施運算，并且根據順序對其進行分類歸檔，以時間節點為基礎來進行數運算，以此獲得智能家居中用電狀況、范圍，并且提醒使用智能家居的用戶可以斷電節能。

3.2 ZigBee智能家居系統的硬件結構

硬件的設計主要包括家庭網關和終端節點的硬件設計，下面以網關為例。本文中網關硬件結構使用的是SAMSUNG S3C6410X核心板，通過串口連接2.4GHz IEEE 802.15.4 ZigBee收發器CC2530芯片系統，具有抗干擾性強，能與其他網絡共存等特性。網關的軟件設計使用了一款較為老式的編程工具—QT，其也能夠為控制網關提供一系列的開發文檔或者WebKit的引擎。在對ZigBee節點控制指令進行設計的時候，其格式主要是幀的開頭—節點編號—模塊名稱—傳感器名稱—命令—幀的結尾。在進行編程的時候，使用的是QextSeariaIport類，可以使各串口之間互相通訊，以openCom（）函數將設備打開，通過readCom（）函數對串口中的指令進行讀取。最后通過SetLightStates將每個傳感器中的信號進行傳遞，使讀取到的信息可以保存到數組中，通過connect函數對這些信息進行處理。

3.3 移動應用端和節能提醒系統算法設計

使用Android系統設計移動應用端，能夠使移動應用端的處理數據的效率大大提高，這就完善了傳統智能家居中的劣勢，使用android asynce http開發框架，使數據壓縮及排序的壓力大大降低。在移動應用端和節能提醒系統算法的設計中，算法的關鍵技術就是智能家居待機規律節能算法

此算法的橫向時間是決策樹算法，在Android系統客戶端根據點獲取智能家電傳感器傳來的信息，可以將這些信息統計為待機時間，單位是小時/h。

以星期一的0點到3點舉例，在0點到9點中智能家電都是出于待機狀態，其功率消耗降低，可以在表中標記為8，這說明具有8個小時的待機時間，基于此類推，1點的時候就有7個小時的待機時間。根據數據對點的決策樹推演，以此求方差和標準差，這個時間點的90%置信區間為Pr（c1≤μ≤c2）=1-α其詳細算法公式為：

首先將決策樹預測準確率（acc）標準化，可以得出公式1：

另外選出置信水平的參考范圍，這主要在時間精準度的基礎上進行；

最后算出a/2和1-a/2的標準統計量為Za/2和Z1-a/2，這些都是常量，以此解決一下P的不等式。

1點時候的待機功率置信區間是（5.93,16.34），這就表示這個星期中的時間在今后都會有90%以上的待機可能在（5.93,16.34）這兩個小時內。

用戶要想能夠使客戶端進入到最佳待機時間，可以使待機長度高于這個值，以此使智能家居處于待機狀態，然后向用戶發送斷電提醒。

比如可以將這個值設置為8，以此創建待機狀態是否關機的決策時，就要先定義其區間，然后標準化該數據，將它稱之為鐘形曲線模型。構建概率密度函數為以下，得出公式2：

通過此公式，p+表示正樣例，說明智能家居處于待機狀態，p-表示反樣例，說明智能家居沒有處于待機狀態，那么就使置信區間分成兩組（5.93,8）和（8,16.34）。

智能家居處于待機狀態：p+=f（8,16.34）

智能家居處于非待機狀態：p-=（5.93,8）

該系統可以收集每個星期的待機狀況，并且對其進行具有針對性的分析。比如星期三，根據公式三推算出數據10天0.8333、30天0.8446、50天0.9024、70天0.9721。

以下是公式3：

通過系統的多次運算，智能家居在0點時的待機區間為（7.83，10.22），這個階段中的決策樹預算期望值是最高的。智能家居在7點時的待機區間為（3.24，5.11），這個階段中的決策樹預算期望值是最高的。智能家居在15點時的待機區間為（3.83,5.97），這個階段中的決策樹預算期望值是最高的。智能家居在21點時的待機區間為（10.83,12.22），這個階段中的決策樹預算期望值是最高的。該系統可以將最高理想區間的長度設置為8，以此為斷電提醒。

4 結束語

以Android和ZigBee為基礎的智能家居節能提醒自動化系統，能夠滿足使用智能家居用戶對節能用電的需求，能夠根據使用家居用戶的習慣來為其提供最佳的節電時間，以此降低智能家居設備待機中的能源消耗。

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劉忠群.男，1981-1，單位:江蘇省徐州經貿高等職業學校，職務:專業教研室主任，研究方向:軟件技術，物聯網應用技術

Algorithm Design of Intelligent System of Energy Saving Reminding

Liu Zhongqun
(Xuzhou economic and trade of higher occupation school,Xuzhou Jiangsu,221004)

In this paper,the smart home equipment increased household energy consumption and the problem of how to improve the intelligence of the intelligent energy-saving appliances,energy-saving appliances home furnishing reminder system algorithm design,and through the Android platform of the terminal and the ZigBee protocol are implemented,in order to make smart home can achieve energy-saving effect,reduce the user to increase energy consumption concerns,promote the popularization of smart home technology.

smart home;energy-saving reminder system;algorithm design