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节能住宅物联网技术研究

木马童年 2019-6-10 21:25 13 0

  摘要:本文研究了物联网技术在智能住宅系统中的应用,解决智能家居系统信息交互程度低、联动能力差及缺乏节能控制等问题。在现有智能住宅平台中,引入物联网核心技术,构建新型智能与节能住宅系统,不但能提升住 ...

  摘要:本文研究了物联网技术在智能住宅系统中的应用,解决智能家居系统信息交互程度低、联动能力差及缺乏节能控制等问题。在现有智能住宅平台中,引入物联网核心技术,构建新型智能与节能住宅系统,不但能提升住宅的智能化水平,满足用户舒适度需求,而且符合国家节能降耗的要求,对于推动住宅智能与节能的发展、建立环境友好型社会,具有重要作用。因此,对于智能与节能住宅物联网技术研究具有重要社会意义及经济价值。 中国论文网 https://www.xzbu.com/2/view-6393131.htm  关键词:物联网;嵌入式网关

中图分类号:TE08文献标识码: A

1引言

随着建筑数量的高速增长,我国建筑能耗占社会总能耗的18.8%,已与工业能耗、交通能耗共同成为我国能源消耗三大“耗能大户”。目前,建筑节能技术的研究尚处于初级阶段,其研究主要集中于结构的节能设计和节能材料的选用,均为被动方式[1]。

物联网技术具有全面感知、可靠传递、智能处理和资源共享等特点,将物联网技术应用于现有智能住宅系统,并对其核心技术进行研究和“裁剪”,充分弥补了原有智能住宅系统的智能和节能缺陷。

2系统总体结构

智能与节能住宅物联网研究系统结构,根据系统功能划分为终端层、网络层和服务层。

终端层由无线传感网络设备和住宅信息网络设备组成,是住宅信息服务的直供单元。无线传感网络设备由ZigBee节点构建,采用低功耗、低速率的通信方式,汇聚环境状态信息,并根据系统控制策略,执行相应控制命令。

网络层主要设备为住宅物联网网关,该网关不仅生成路由表和选择路由,解析和封装信息帧,实现内外网信息的协议匹配,而且,可通过远端云计算服务,为住宅室内设备远程控制、自动控制和节能控制寻求解决方案。

服务层基于Internet平台,通过云计算服务器集群,为住宅系统提供各类功能。在此基础上,将住宅环境信息汇总于省和国家级物联网管理中心[2]。

3系统工作流程

根据内网设备的区分,可将系统分为低速控制网络系统和高速信息网络系统。

控制网络系统工作流程:终端层住宅无线测控节点获取住宅环境信息(温度、光照等),智能住宅网关采用ZigBee网络射频模块接收内网信息,并由网关控制中心汇聚和分析。网关控制中心根据室内环境状况和突发事件的产生,形成调用方法,通过以太网控制器连接Internet住宅物联网服务“云”获取相应服务(节能控制策略、娱乐、教育等)。该系统主要特点是:程序运行模式的中断设计和主程序的长周期睡眠(包括短暂跳起时序)。

4嵌入式网关技术研究

嵌入式技术是实现物联网M2M理念的关键技术,网关包括中央控制单元、外网网络控制模块和内网网络控制模块三个单元,实现内外网通信控制、内部组网和内网设备控制,是系统的控制管理中心,处于核心地位。

5无线传感网络技术研究

无线传感器网络是物联网核心技术之一,具有低成本、低功耗特性和自组网、自愈能力,充分满足住宅内网要求。无线传感器网络路由,是根据实际应用环境而进行选择的。为了满足家庭用户的应用需要,应选择和改造现有路由协议。

5.1 无线传感网络协议栈

根据IEEE 802. 15. 4技术标准和ZigBee联盟定义,无线传感网络协议栈自下而上包括物理层,MAC 层,网络层,安全层和应用层。其中物理层和MAC层由IEEE 802.15.4 定义,网络层、安全服务和应用层由ZigBee 联盟定义。根据系统的功能和应用需要,主要对MAC层路由算法选用和应用层软件实现进行研究[3]。

5.2 无线传感网路由算法

选用ReInForM路由算法,通过优化该路由算法,解决无线传感器网络中链路的稳定性差,通讯信道质量低,拓扑变化频繁等问题。其算法实现如下:

(1)计算传输路径数

定义rs表示数据源发送数据分组到汇聚节点的成功概率,es表示信道差错率,hs表示传感器节点到汇聚节点的跳数。数据源节点通过rs 、es和hs,决定需要多少条路径保证转发数据的可靠性。对于数据源来说,经过hs跳后,到达汇聚节点的概率为,(1-es)hs经过P条路径数据包不能到达汇聚节点的概率 [1-(1-es)hs]P,因此源节点需要的成功传输路径数P由公式1得到

(公式1)

(2)下一跳节点选择和路径分配

根据到汇聚节点的跳数,源节点把邻居节点分为三类,与自己到汇聚节点跳数相同的节点H0,跳数少1的节点H―,跳数多1的节点H+,源节点首先在H―中选择一个作为默认下一跳节点,默认转发数据概率为1。如果成功转发路径(1-es)大于等于公式1计算得到的路径数,证明源节点只需要默认下一跳节点转发,否则还要额外转发节点,路径数由公式2所得:

(公式2)

当计算出的P值大于等于H―的节点数量时,需从H0中选取节点,如果P值大于等于H―,H0节点之和,需从H+中选取节点。

(3)邻居节点重新计算路径

源节点s在发送的数据分组头上加PH,es,hs这三个参数。邻居节点i在收到分组后,按路径数相同的概率转发。如果转发分组,则节点i将使用自己的ri,ei和hi按公式1重新计算路径数。

6物联网“云”计算技术

云计算是物联网的另一核心技术,随着网络普及和大量信息融合应用,成为进行廉价、超大量数据存储与处理技术的新趋势。与物联网的结合是物联网实现智能处理与规模化发展的关键。

云计算是并行计算、分布式计算和网格计算发展融合的技术概念。云计算将任务分布在大量计算机构成的可自我维护和管理的虚拟计算资源池上,通过高速互联网提供虚拟化的资源计算方式。“云”端可在数秒内处理数以千万计甚至亿计的信息,达到和“超级计算机”同样强大的计算效能,使各种应用系统根据需要获取计算能力、存储空间和软硬件服务,并由软件实现自动管理。这种网络应用模式,极大规模上将可扩展的信息技术能力作为服务,向外部客户提供,具有动态和易扩展特性。

云计算具有超大规模、虚拟化、通用性、高扩展性、高可靠性和按需服务等诸多优点。“云”的超大规模可以提供给用户前所未有的超强计算能力,虚拟化技术支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务,并具有很好的通用性,“云”计算支持任意点的恢复,使得其可靠性比本地计算机还要高。

7实验系统

硬件系统主要包括四个部分:由ARM9架构S3C2410x微处理器为主体单元的核心板构建网关中央处理单元,由M2110射频芯片实现的内网无线射频单元,256色触摸屏以及基于各类协议的通信接口。

基于ARM9架构的硬件系统,裁剪Linux操作系统构建软件平台,由于Linux 2.6内核,已集大部分成通用硬件驱动,因此只需在内核中固化无线传感模块驱动及其中间件。无线传感模块中间件由核心服务组、可交互平台层和模块组构建,可根据应用需求,编译DLL,执行相应功能。中间件对硬件系统进行直接操作,为上层应用系统提供标准API接口,采用XML流形式实现接口通信。

8小结

本文以物联网关键技术:嵌入式网关技术、无线传感网络技术及云计算技术,解决了原有智能家居各个子系统信息交换与资源共享程度低,协同工作能力差的问题,从

而增强系统的智能化程度,达到主动节能的

目的。

参考文献

[1] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2010[M],中国建筑工业出版社,2010年3月

[2] 金海.家庭物联网应用研究,电信科学, 2010年第2期

[3] 张莉.ZigBee技术在物联网中的应用[J], 电信网技术,2010年3月第3期

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