基于物联网的激光传感器智能家居控制系统优化研究

①系统节点安置及控制原理

在安置智能家居激光传感器节点时,需要考虑能耗最小原则和通信数据丢失最小原则,因此,采用簇状架构。以最普遍的两室两厅一卫家居环境为例安置激光传感器节点,如图8.2所示。

图8.2　系统激光传感器节点安置图

基于物联网的激光传感器智能家居控制系统在智能家居物联网体系的基础上,用互联网和激光传感器构建了无线传感器网络,将激光传感器放在家居环境的近似中心点,节点安置于激光传感器的四个边缘,每个边缘有三个节点,边缘交接处共用一个节点,共八个节点,各节点之间的距离由激光传感器网络自组织形成,节点通过簇状架构向外发散网络数据。在智能家居数目大的居住环境中,每个边缘的节点安置数量应视实际情况而定,应基本保证所有智能家居都能处于无线互联网的覆盖范围之中。

图8.3指出了系统的控制流程,系统初始化后开始搜寻互联网,激光传感器通过节点对智能家居环境数据和使用者行为数据进行采集、调制和转发,并传输给应用层的居家环境监控系统。智能家居环境数据指居家温湿度和智能家居运作状态,使用者行为数据包括使用者的人数、方位和生命体征。激光传感器是一种对称设备,拥有激光发射元件和激光接收元件,两种元件对称安装。使用者移动时将阻挡激光信号,因此激光传感器能够准确测量到使用者的行为数据。控制命令由物联网的应用层给出,直接输出到智能家居的控制设备中实施,若控制成功,则输出控制日志。

图8.3　系统的控制流程图

②基于物联网的激光传感器通信研究

在基于物联网的激光传感器智能家居控制系统中,智能家居的数据采集以及系统对智能家居的控制都离不开通信,激光传感器和物联网应用层的工作频段都在2.45 GHz左右,频段过于集中导致智能家居通信性能下降。系统采用有线和无线两种通信方式,无线通信最易受到频段干扰,故通过跳频通信改善无线通信性能。跳频通信赋予无线通信收发双方与原控制编码频率变化状况相同的虚拟控制编码,从而隔离2.45 GHz频段,通信成功后再解码出原始数据。

设一个完整的虚拟控制编码为s1(t),通信数据用m(t)表示。原控制编码频率的初始相位为φn,初始频率为ω0,频率变化参数用Δω 表示,则s1(t)可表示为

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通信接收方接收的数据si(t)还包括传输通道中的噪声n(t)、位置数据sj(t)和频段干扰J(t),可表示为

其中,i、j分别代表接收方数据和位置数据的编码序号。

解码原始数据时,通信接收方的轴心频率用ωr表示,解码结果sp(t)表示为

假设通信成功,通信收发双方的频率变化状况相同,可将式(8.1)与式(8.3)结合在一起讨论通信中的有效数据,将式(8.1)代入式(8.3),提取有效的解码结果数据分量,有

其中,ω1=ωr-ω0,表示中频信号。

基于物联网的激光传感器智能家居控制系统的极限通信速率用C 表示,排除噪声影响,C 的实际取值为

其中,B 表示通信带宽,S 表示平均通信功率,N 表示通信噪声功率。