基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居電路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法對(duì)智能家居電路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)存在數(shù)據(jù)包丟失率過(guò)高，影響監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性和可靠性的問(wèn)題，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)展智能家居電路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究。該方法依賴于智能設(shè)備和傳感器，獲取智能家居電路運(yùn)行數(shù)據(jù)。為保證監(jiān)測(cè)精度，分離運(yùn)行數(shù)據(jù)，并完成零漂校正，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電路狀態(tài)監(jiān)測(cè)與異常報(bào)警。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，新的監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)包丟失率顯著降低，具備極高的監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性和可靠性，具有較大的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；電路運(yùn)行狀態(tài)；傳感器；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；零漂校正

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

智能家居的廣泛使用，使得對(duì)其電路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的研究具有更大的價(jià)值。首先，可以用于預(yù)防性維護(hù)[1-2]。

通過(guò)對(duì)電路運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，完成故障預(yù)測(cè)與維修，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的家庭用電中斷或安全事故。其次，該監(jiān)測(cè)方法還可以用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，為用戶提供極大的便利，讓其能更加放心地使用智能家居設(shè)備。此外，該監(jiān)測(cè)方法還可以與其他智能家居系統(tǒng)配合使用，為用戶提供更加智能化、個(gè)性化的服務(wù)[3]。但現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中依賴于傳感器和中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理[4-7]，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸和處理延遲，影響監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。基于此，本文開(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居電路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)研究。

1 智能家居電路運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取

智能家居電路運(yùn)行數(shù)據(jù)的獲取主要依賴于智能設(shè)備和傳感器。這些設(shè)備通過(guò)與電路的交互，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集各種數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、功率、溫度、濕度等。利用高阻負(fù)載的方式可以有效獲取較大的信號(hào)電壓。這種方式在電路中能夠提供更顯著的信號(hào)表現(xiàn)，從而更精確地監(jiān)測(cè)電路的運(yùn)行狀態(tài)[8]。然而，當(dāng)偏置的二極管直接與負(fù)載電阻相連時(shí)，其可能會(huì)降低信號(hào)的強(qiáng)度。這種連接方式可能會(huì)對(duì)原始信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。

為解決上述問(wèn)題，本文考慮將光電二極管與運(yùn)放電路相連接。運(yùn)放電路在其中起到關(guān)鍵作用，其能夠放大并處理微弱的信號(hào)，從而使得光電測(cè)量電路能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)和傳輸信號(hào)[9]。通過(guò)運(yùn)放電路的放大作用，即使在信號(hào)強(qiáng)度較低的情況下，也能獲得足夠的信息進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和分析。此外，值得注意的是，由于電阻并聯(lián)的電容量非常小，光電測(cè)量的電路電壓能夠保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這種穩(wěn)定性對(duì)于精確測(cè)量和可靠的數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。光電測(cè)量的電路電壓可以表示為：

（1）

式中：V0表示光電測(cè)量的電路電壓；I表示電流；Rf表示運(yùn)放的反饋電阻；S表示光電靈敏度；E表示電容。在采集過(guò)程中，為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要特別關(guān)注一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置。如設(shè)置智能家居設(shè)備電機(jī)模擬信號(hào)高頻截止頻率。這個(gè)截止頻率決定了模擬信號(hào)中高頻成分的通過(guò)閾值，進(jìn)而影響信號(hào)的質(zhì)量和精度。此外，為了使光電轉(zhuǎn)換器輸出的電壓達(dá)到規(guī)定數(shù)值，需要對(duì)電阻進(jìn)行精心設(shè)置。電阻在電路中起到關(guān)鍵的作用，能夠調(diào)節(jié)電流和電壓的大小，以滿足特定的需求[10]。通過(guò)合理地選擇和調(diào)整電阻值，可以確保光電轉(zhuǎn)換器在正常工作條件下輸出穩(wěn)定的電壓，為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和處理提供可靠保障。

2 運(yùn)行數(shù)據(jù)分離與零漂校正

在完成對(duì)智能家居電路運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集后，將該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò) USB接口上傳至 LabVIEW。在 LabVIEW中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割時(shí)，必須先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高四位的提取，并據(jù)此判斷出該信號(hào)屬于哪一路信號(hào)。如果取得的4個(gè)數(shù)字是0000，那么剩下的12個(gè)數(shù)字就會(huì)被存儲(chǔ)到第一個(gè)陣列里；若為0001，將其余的12位數(shù)字存于第2個(gè)陣列；若為0010時(shí)，其余的12位數(shù)字會(huì)被存放于第3個(gè)陣列。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)三路信號(hào)的分離。在數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中，由于沒(méi)有對(duì)信號(hào)進(jìn)行校正，所以產(chǎn)生了零漂。在數(shù)據(jù)分離之后，必須對(duì)其進(jìn)行零漂校正。圖1為轉(zhuǎn)換特性曲線。

從圖1可以看出，在理想狀態(tài)下，12 bit的輸入模擬量與輸出的數(shù)字量之間有如下關(guān)系：

（2）

式中：Y表示數(shù)字量輸出值；mi表示增益；X表示模擬量輸入值。如圖1所示，假設(shè)實(shí)際增益值為ma，偏移量為b，則實(shí)際輸入的模擬量和輸出的數(shù)字量之間存在的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

（3）

式中：ma和b均為未知參數(shù)。求解這兩個(gè)未知參數(shù)，通過(guò)結(jié)果寄存器中的值可以得到實(shí)際輸入的電壓值。根據(jù)上述分析構(gòu)建一元二次方程求解：

（4）

式中：Y1和Y2表示結(jié)果寄存器中的值；X1和X2表示兩個(gè)電壓值。在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，通過(guò)數(shù)字量轉(zhuǎn)化結(jié)果，求解實(shí)際輸入量，其關(guān)系為：

（5）

根據(jù)該公式，實(shí)現(xiàn)零漂校正，完成對(duì)智能家居電路運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的電路狀態(tài)監(jiān)測(cè)與異常報(bào)警

基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)完成已處理數(shù)據(jù)的采集后，可以實(shí)時(shí)收集并傳輸電路不同階段的振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行處理。通過(guò)傅里葉變換等信號(hào)處理方法，可提取出各模態(tài)的振動(dòng)特征和響應(yīng)，并進(jìn)一步研究它們之間的耦合關(guān)系。結(jié)合適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃退惴ǎ梢灶A(yù)測(cè)電路在不同工作條件下的狀態(tài)變化，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障或問(wèn)題。在某一點(diǎn)i上處于j階段的振動(dòng)響應(yīng)可表示為：

（6）

式中：Yij（ω）表示在某一點(diǎn)i上處于j階段的振動(dòng)響應(yīng)；Fj（ω）表示傅里葉變換；φij表示振動(dòng)模型；Mj表示頻響函數(shù)；jωcj表示振動(dòng)響應(yīng)狀態(tài)。將信號(hào)采集與周期性相結(jié)合可完成對(duì)智能家居電路的監(jiān)控。本次主要依據(jù)幾個(gè)參數(shù)完成電路狀態(tài)監(jiān)測(cè)與異常報(bào)警，包括電壓波動(dòng)、家居設(shè)備功耗、芯片信號(hào)信噪比等，具體設(shè)計(jì)如下。

電源電壓的波動(dòng)監(jiān)測(cè)函數(shù)如下：

（7）

式中：ΔV代表電壓波動(dòng)范圍；Vmax表示監(jiān)測(cè)到的最大電壓值；Vmin表示監(jiān)測(cè)到的最小電壓值。當(dāng)ΔV超過(guò)某一閾值時(shí)，可以觸發(fā)報(bào)警，表明電源可能存在問(wèn)題。

設(shè)備的平均功耗估算公式如下：

（8）

式中：Pavg表示平均功耗；T表示觀測(cè)時(shí)間窗；P（t）表示在t時(shí)刻的瞬時(shí)功率。當(dāng)Pavg或瞬時(shí)功率P（t）超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，可以認(rèn)為設(shè)備存在異常功耗，此時(shí)可以觸發(fā)報(bào)警。

噪聲比（SINR）計(jì)算式如下：

（9）

式中：SINR表示噪聲比；S表示有用信號(hào)功率；I表示干擾信號(hào)功率；N表示噪聲功率。當(dāng)SINR低于某一閾值時(shí)，通信質(zhì)量可能會(huì)受到嚴(yán)重影響，此時(shí)可以觸發(fā)報(bào)警。如此，即可實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的電路狀態(tài)監(jiān)測(cè)與異常報(bào)警。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證方法的應(yīng)用性能，將基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居電路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將基于圖像處理技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為對(duì)照I組，將基于虛擬儀器技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法設(shè)置為對(duì)照II組，開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇20個(gè)傳感器，其中包含10個(gè)水平傳感器和10個(gè)垂直傳感器。將其均勻分布在智能家居設(shè)備上，并利用三種方法對(duì)電路信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用數(shù)據(jù)包的丟失率來(lái)反映三種監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性和可靠性，其計(jì)算公式為：

（10）

式中：PL表示數(shù)據(jù)包丟失率；L表示丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量；T表示發(fā)送的總數(shù)據(jù)包數(shù)量。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，分別設(shè)置不同的通信距離，并記錄每種監(jiān)測(cè)方法在不同監(jiān)測(cè)距離條件下的數(shù)據(jù)包丟失率，將結(jié)果記錄于表1。

從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以清晰地看到實(shí)驗(yàn)組在不同通信距離下的數(shù)據(jù)包丟失率情況。當(dāng)通信距離為150 m時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失率僅為0.10%。這表明在某種程度上，該監(jiān)測(cè)方法在短距離通信中表現(xiàn)出了相當(dāng)高的可靠性和穩(wěn)定性。在其他通信距離條件下，數(shù)據(jù)包丟失率均為0。這一結(jié)果說(shuō)明在較長(zhǎng)的距離或特定的通信環(huán)境下，該監(jiān)測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)完全無(wú)數(shù)據(jù)包丟失的效果。值得注意的是，對(duì)照II組的數(shù)據(jù)包丟失率普遍高于對(duì)照I組。這可能意味著對(duì)照II組的監(jiān)測(cè)方法在抵抗通信距離增加帶來(lái)的負(fù)面影響方面稍遜于實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照I組。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)包丟失率在不同通信距離下的表現(xiàn)具有一定的優(yōu)勢(shì)。而對(duì)照I組和對(duì)照II組則在數(shù)據(jù)包丟失率方面存在一定的問(wèn)題，因此，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)方法更具使用價(jià)值。

5 結(jié) 語(yǔ)

智能家居電路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法是保障智能家居安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵所在。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析對(duì)電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理功能。此外，該方法還具有可與其他智能家居系統(tǒng)配合使用的優(yōu)勢(shì)，為用戶提供了更加智能化、個(gè)性化的服務(wù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和智能家居市場(chǎng)的日益成熟，智能家居電路運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法將在未來(lái)的智能家居領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]陳淼，謝永昌. 基于ZPW-2000G軌道電路受端電纜側(cè)小軌監(jiān)測(cè)電壓波動(dòng)的優(yōu)化處理[J]. 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2023，20（z1）：105-110.

[2]武沛，李晗，劉希高，等. 一種ZPW-2000軌道電路室外監(jiān)測(cè)設(shè)備遠(yuǎn)程配置方案[J]. 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2023，20（z1）：114-116.

[3]沈斌. 雙電源自動(dòng)切換系統(tǒng)高可靠性斷路器狀態(tài)切換監(jiān)測(cè)和斷路器控制及周邊電路設(shè)計(jì)[J]. 造紙裝備及材料，2022，51（9）：99-101.

[4]雷賽楠，章文俊，李昊.基于STM32和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（7）：109-112.

[5]李娜，劉佳煜，林曄，等.基于樹(shù)莓派的智能守護(hù)家居鏡設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（12）：185-189.

[6]吳超，曹峰源，安樂(lè)，等.基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020，10（27）：45-46.

[7]陳成瑞，王旭康，肖欣悅，等.智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程，2020，50（5）：410-414.

[8]李芊宇，高同強(qiáng)，盧新，等. 一種用于生命體征監(jiān)測(cè)的帶寬可重構(gòu)脈沖超寬帶雷達(dá)發(fā)射機(jī)電路[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2022，30（4）：11-16.

[9]林苗香. TS-03C發(fā)射機(jī)低壓直流電源監(jiān)測(cè)電路分析及故障處理[J]. 數(shù)字傳媒研究，2023，40（8）：51-55.

[10]王亞林，王清勃，查文華. 基于S5P6818的在線智能家居監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)[J]. 電子元器件與信息技術(shù)，2022，6（5）：25-27.