智能家居節能提醒算法及系統設計

李厚恩，張云翔，黃安子（深圳供電局有限公司　信息部，廣東　深圳　518000）

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智能家居節能提醒算法及系統設計

李厚恩，張云翔，黃安子
（深圳供電局有限公司信息部，廣東深圳518000）

摘要：為適應智能家居技術的迅速發展，同時降低人們依賴智能化、信息化設備產生的待機能耗，需要對智能家電進行合理化的節能規范。本文主要提出一種待機規律節能算法，通過以ZigBee協議與Android移動開發端設計一套針對智能家居使用的節能系統，利用算法合理推測用戶本人的用電習慣，計算其以周期和日期時間點的智能家居使用頻率，達到規范家電用電狀態來節省電能的目的。本算法系統在智能家居節能方面表現出優勢，有利于電力服務企業能源環保利用的發展。

關鍵詞：智能家居；ZIGBEE；家庭自動化；無線傳感網絡；Android；移動應用

0　引言

隨著21世紀社會經濟高速發展，人們對智能化生活的要求越來越高，智能家居產品如雨后春筍般發展，之前各式高端大氣的智能家居逐漸進入平民家庭。但是傳統智能家用電器系統結構復雜，過分注重智能性與用戶體驗，導致了很多設備在待機狀態下能量損耗巨大，在總體上浪費了大量電能。作者馬芳在論文［1］中提出過利用智能開關的定時閉合斷開來實現節能的方法，這種實現方式雖然斷電時效性高，但是缺乏對一些關鍵電器設備的用電分析，容易造成節能錯誤而帶來的家庭用電質量下降，給客戶帶來不好的體驗。 針對當前智能家居節能形勢，本文提出了ZIGBEE與ANDROID平臺的智能家居節能系統，通過更有說服力的用戶用電習慣數據分析對各智能家居設備分配節能時段，定制更靈活的智能家居待機環境，重點解決智能家居待機功率消耗問題。

1　ZigBee相關技術與待機能耗

1.1ZigBee技術解析

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入到各種設備中，同時支持地理定位功能。

作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點：功耗低，成本低，時延短，網絡容量大，高可靠性。 同時它也是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內，但可以繼續增加。

1.2待機功率損耗

待機能量研究。張友軍等研究待機能量的專家學者在論文［2］指出電器在待機狀態下的消耗功率不容忽視，而所謂的待機狀態，指的是電器在不執行任何功率或者執行某些功能時候電器功率都達到最小化的情況。如今的智能家居電器，則大多增加了待機模式，有一些也稱為睡眠模式。設計者通常為了追求用戶體驗和實現產品與協調器的實時通訊，在內部編程設定了電器設備的能耗監測模塊，這也就意味著單單依靠粗放的智能家居管理系統，智能性質使得更多的家電始終保持待機狀態，以便衛星，微波，WIFI等通訊網絡連接，這會大大造成待機功率的損耗。

2　基于ZigBee的智能家居節能系統

2.1系統架構

從技術架構層面上看，智能家居節能系統分為執行層、通信層和應用層。執行層主要負責環境信息，用電功率信息和上層指令的執行，如各個智能家電。通信層作為應用層和執行層間信息傳遞的橋梁，比如家庭網關與協調器。應用層則是進行采集數據分析、對情景進行邏輯判斷和提供人機交互界面等。

整體系統運作流程分為指令調度方式和智能數據分析方式。指令調度方式：用戶通過安卓的APP軟件進行3G/WIFI等網絡協議進行指令發送，家庭網關接收信息后，進行用戶認證，確認用戶權限符合后將應用層指令幀轉換為硬件的指令編碼傳遞到協調器，最后由協調器判斷指令編碼進行智能家居的電路開關調節等操作。

智能數據分析方式：協調器通過電路中的功率傳感器實時發送指令編碼給家庭網關，由家庭網關進行數據收集，并分配時間段與信號幀傳輸到用戶APP上。用戶APP后臺擁有智能待機規律算法，實時分析獲取的數據并進行排序歸檔，并通過每個時間節點進行決策樹運算，得出用電預測結論來提醒用戶斷電節能。

2.2硬件架構

ZigBee芯片引用論文［6］硬件設計，選用32位基于Cortex-M3 ARM核心片上系統EM357，集成了2.4G與IEEE802.15.4兼容的無線收發器；使用192KB閃存和12KBRAM存儲；具有較高的抗干擾性，可以與其他2.4G網絡共存；同時具有產生隨機數AES-128的加密引擎；硬件支持網絡級調試；可以作為ZigBee協調器，路由器或者終端設備。硬件的主要設計包括家庭網關和終端節點的硬件設計，下面以家庭網關為例。

為了充分利用Android移動端的資源和高計算能力，家庭網關采用用ZigBee USB Dongle方式實現。Prolifc公司的PL2303HXD芯片是一款支持USB轉串口的橋控制器，可在Android系統上以USB形式來提供串口功能。

2.3網關設計

（1）家庭網關軟件設計采用了QT這款老牌嵌入式編程工具。控制網關方面QT同時也提供了大量的開發文檔和WebKit引擎支持。

（2）設計ZigBee節點控制指令，指令格式：楨頭+節電編號+模塊ID+傳感器ID+命令+楨尾。

（3）QT串口編程：QextSeriaIport類：該類主要是實現串口與串口間的通訊，通過函數openCom（）實現打開設備，再利用readCom（）實現讀取串口指令（指令如圖）。最后在setLightStates傳遞各個傳感器輸送的信號，讀取的信息保存在數組中，由槽函數connect（）進行處理。

2.4移動端與待機規律節能算法實現

移動應用端采用了安卓平臺，為了提升移動端運行處理效率，故簡化了傳統智能家居驅動模塊，采用了android-async-http開發框架，降低了數據壓縮和排序壓力。

關鍵的算法技術：用戶家電待機規律節能算法。

本算法橫向時間點是基于置信區間的決策樹算法。安卓客戶端在每個點實時獲取家電傳感器傳來的功率信息，統計每一個時間點接下來的待機時間（單位為小時）。

以星期一0時刻到3時刻列舉說明，在其0時刻到9點時刻智能家電都是待機低功率狀態（9點時候用戶打開了家電，轉為工作狀態），則表中記為8，代表此后有8個小時待機時間，依次類推1點時刻則在后有7小時的待機時間。根據過往數據對當前點進行決策樹推演，求取方差，標準差，該時間點的90%的置信區間Pr（c1＜=μ＜=c2）=1-α。詳細計算方法如下：

（1）將ACC（決策樹預測準確率）進行標準化即

（2）選擇一個參考范圍的置信水平。這取決于時間性精確度。

（3）求出a/2和1-a/2的對于標準正態分布統計量Za/2和Z1-a/2（均為常量）。然后解下面關于P的不等式，ACC（決策樹預測準確率）可以有樣品估計得出該置信區間。

1點時刻的待機功率時間段置信區間為（5.93，16.34），即說明這該星期的時刻接下來會進行的待機小時90%的可能性在5.93小時到16.34小時。

用戶將在客戶端設置最高理想待機時間長度，若待機時間段的結點待機長度高于該值，則默認電器已進入待機狀態，可發送斷電節能提醒。

以設定值為8為例子，為了構造待機狀態關機與否的決策樹，我們先定義獲取的區間，并將其數據標準化，稱為鐘型曲線模型，它刻畫了任意樣例集的分布規則。若隨機變量服從一個位置參數為、尺度參數為的概率分布，且其概率密度函數為：

利用公式，將p+代表正樣例，p+則意味著確認為待機狀態，而p-則代表反樣例，確認不在待機狀態，將樣品置信區別分為（5.93，8）與（8，16.34）兩組。

待機狀態：p+ = f（8，16.34）

非待機狀態：p- = f（5.93，8）

由于公式f（8，16.34）＞f（5.93，8），所以p+ ＞ p- ，樣本結果的決策樹選擇待機狀態。由此信息置信區間公式求得結果，決策樹算法判斷1點時刻坐落在（5.93，16.34）置信區間設置為期望的最大節點。至此，系統選取結論進行歸檔并完成整個橫向算法操作。當應用抓取了大量的數據后，系統利用決策樹算法對多個置信區間進行期望分析，才提示用戶可以對家電設備傳輸斷電節能信息，以此減少待機功率產生的耗電量。

算法的縱向日期分析是基于相關性的極限取值算法。由于用戶每日習慣具有多樣性與差異性，某些智能家居的使用會存在星期上的作息時間區別。故本文引用該算法來根據用戶每星期的日習慣不同，監測該組數據與原總體算出平均數據的相關性。

系統收集單個星期的待機情況相關性分析數據。以星期三為例子，由相關系數公式（如公式三）推導得出樣品數據10天0.8333 、30天 0.8446、50天0.9024、70天0.9721。

智能家居待機規律算法使用的數據樣例中星期一、三、四、五基本呈現false ，常數C恒定為1的函數趨勢，說明與平常的智能家電使用情況相近。其他不符合趨勢的星期會單獨出來，以其星期（排除其他星期）的樣本進行橫向時間點算法，以此匹配最優用戶提示。

系統進行多次算法運算后，推斷在0時刻后可能待機時間長度區間為（7.83，10.22）的決策樹運算期望最高，7時刻后可能待機時間長度區間為（3.24，5.11）的決策樹運算期望最高，15時刻后可能待機時間長度區間為（3.83，5.97）的決策樹運算期望最高，21時刻后可能待機時間長度區間為（10.83，12..22）的決策樹運算期望最高，則系統為用戶設定的最高理想待機時間長度為8 提示斷電提醒。

系統利用算法自動為用戶分配星期一、三、四、五特定時間點設置斷電提醒，星期二由縱向算法得出智能家電處于全天待機狀態，系統將發出可全天斷電節能的提醒。

3　結語

基于ZigBee和Android平臺的智能節能系統，能夠滿足智能家居用戶基本節電要求，智能化地根據用戶習慣推薦合理節電時間，大大降低了待機功耗。此外，隨著聚類算法、相關性規則等算法的成熟以及ZigBee在未來應用的推廣，智能節電系統勢必在未來會引領一個低成本低功耗高安全性的智能家居節能新趨勢。

參考文獻：

［1］Wu Kai、Bo Yuming，Design and Implementation of Wireless Sensor Network Platform Based on ZigBee Technology，2011.

［2］張友軍，張玉珍，馬立，蘇銀偉，宋德翔.電器待機功率損耗及其對策技術的研究［J］.2006，1（26）.

［3］郝林.人工智能中的時間推理的研究［J］.2001，1（23）.

［4］韓剛.基于ZigBee的智能控制系統［J］.2012.

［5］李興華.Android開發實戰經典［J］.2010.

［6］李明亮，李小龍.基于ARM11的智能家居設計與實現［J］.2013.

［7］馬芳.基于ZigBee的智能家電節能控制系統［J］.2012.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.126

作者簡介：李厚恩（1990-），男，廣東汕頭人，本科，助理工程師，主要從事企業信息化建設工作。