王云良 王敏其 程 凌

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院1，江蘇 常州 213164；江蘇五洋賽德科技有限公司2，江蘇 常州 213164）

智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化及控制穩(wěn)定性分析

王云良1王敏其2程 凌2

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院1，江蘇 常州 213164；江蘇五洋賽德科技有限公司2，江蘇 常州 213164）

針對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)以數(shù)據(jù)為中心的定向擴(kuò)散路由算法進(jìn)行改進(jìn)，將節(jié)點(diǎn)按房間的順序規(guī)劃在不同的矩形區(qū)域，每個(gè)矩形區(qū)域設(shè)立一個(gè)源節(jié)點(diǎn)，用來(lái)接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)布的消息。同時(shí)，研究了短時(shí)延情況下不確定時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并利用Lyapunov函數(shù)和線(xiàn)性矩陣不等式（LMI）方法，給出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件。仿真結(jié)果顯示，改進(jìn)算法可延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，節(jié)省能耗，提高網(wǎng)絡(luò)能效。

智能家居 矩形分布監(jiān)測(cè) 定向擴(kuò)散協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 穩(wěn)定性

0 引言

采用Ad hoc方式，集合n個(gè)智能傳感節(jié)點(diǎn)和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議連接而成的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能家居。定向擴(kuò)散路由算法將復(fù)雜質(zhì)詢(xún)分成若干個(gè)子質(zhì)詢(xún)，時(shí)效性差，應(yīng)用性并不廣泛［1］。文獻(xiàn)［2］引入選擇節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的方法來(lái)改進(jìn)定向擴(kuò)散路由（directed diffusion，DD）協(xié)議，該方法不適用于節(jié)點(diǎn)較多的環(huán)境［2］。文獻(xiàn)［3］將節(jié)點(diǎn)間距離、節(jié)點(diǎn)剩余能量和路徑條數(shù)引入路徑選擇函數(shù)中，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑的建立，并在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中利用跨層功率調(diào)節(jié)技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰啃剩?］。本文采用優(yōu)化DD協(xié)議，改進(jìn)適用于智能家居的路由最優(yōu)化選擇及數(shù)據(jù)最優(yōu)化融合與傳輸機(jī)制，縮短路由時(shí)間，減少路由能耗。影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定的因素有網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟失、抖動(dòng)和調(diào)度算法等，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究吸引了許多學(xué)者的注意［4］。本文通過(guò)對(duì)短時(shí)延網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究了不確定網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，無(wú)線(xiàn)通信模塊、有線(xiàn)通信模塊、觸摸屏（human-computer interaction，HCI）、Android操作系統(tǒng)、ARM微處理器、SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)、Boa服務(wù)器均安裝在家庭網(wǎng)關(guān)上［5－6］。

圖1 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The overall system design scheme

對(duì)于有線(xiàn)的數(shù)據(jù)控制傳輸，智能家用設(shè)備數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)不同智能家用設(shè)備的擴(kuò)展接口連接到家庭網(wǎng)關(guān)上的不同接口，如智能電視機(jī)、音響的音頻接口等。同時(shí)，對(duì)不帶WiFi功能的家用電器進(jìn)行WiFi擴(kuò)展。信息家電將自身采集到的各種狀態(tài)信息傳遞給其自身的或擴(kuò)展的微控制器，微控制器接收到這些數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)換成UDCP報(bào)文，并通過(guò)W iFi模塊將其發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)。此外，信息家電還通過(guò)WiFi模塊接收來(lái)自家庭網(wǎng)關(guān)的信息，處理后轉(zhuǎn)換成對(duì)家電的控制或查詢(xún)，并將其隨后的狀態(tài)信息由WiFi模塊反饋給家庭網(wǎng)關(guān)。

家庭網(wǎng)關(guān)由觸摸屏人機(jī)交互界面、Android操作系統(tǒng)、ARM微處理器、SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)、Boa服務(wù)器組成。觸摸屏人機(jī)交互界面包含人機(jī)界面（human-machine interface，HMI）硬件和相應(yīng)的專(zhuān)用畫(huà)面組態(tài)軟件，用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互界面與系統(tǒng)交流，并進(jìn)行操作。智能家居的所有數(shù)據(jù)都保存在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)中，如用戶(hù)名、密碼、家用電器工作時(shí)間及電量的管理等。家庭網(wǎng)關(guān)同時(shí)具有網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器的功能，支持TCP/IP協(xié)議；并能提供Web服務(wù)功能，連接家庭現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集終端，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

系統(tǒng)采用新興智能交互式一體機(jī)。它融合了高清電視、平板電腦、交互式電子白板等設(shè)備功能，集成了大屏幕平板顯示技術(shù)、精密觸控技術(shù)、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，可一機(jī)多用，是家居智能化的拓展。該一體機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口與家庭網(wǎng)關(guān)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與訪(fǎng)問(wèn)、互聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音協(xié)議（voice over Internet protocol，VOIP）通話(huà)及視頻通話(huà)。

2 優(yōu)化的定向擴(kuò)散協(xié)議

①優(yōu)化興趣擴(kuò)散方式

針對(duì)智能家居的應(yīng)用環(huán)境，需要減少網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。由于多路徑在智能家居的應(yīng)用中會(huì)將能量及流量分流，因此考慮對(duì)定向擴(kuò)散路由（DD）協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。本文提出一種按固定節(jié)點(diǎn)順序的路由機(jī)制，舍棄 Sink節(jié)點(diǎn)，用 Information替換Interest，向定點(diǎn)定向地發(fā)布。

家庭網(wǎng)關(guān)與設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單路徑路由申請(qǐng)，可有效減少網(wǎng)絡(luò)中消息傳輸?shù)拇螖?shù)，節(jié)省節(jié)點(diǎn)接收及轉(zhuǎn)播時(shí)消耗的能量，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)聯(lián)通的直線(xiàn)性和雙向性。Information廣播的包格式如圖2所示［7－8］。

圖2 Information廣播的包格式Fig.2 Packet formats of information broadcast

圖2中，類(lèi)別名為家用設(shè)備的變量名；源ID即為家庭網(wǎng)關(guān)的編號(hào)；接收站ID為源節(jié)點(diǎn)編號(hào)；信息位為命令屬性；時(shí)間戳為接收到反饋信息的時(shí)刻；校驗(yàn)位為檢驗(yàn)是否和接收站編號(hào)匹配。家庭設(shè)備類(lèi)別碼定義參數(shù)如表1所示。

表1 家庭設(shè)備類(lèi)別碼定義參數(shù)Tab.1 Definition parameters of home appliance category code

②星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用改進(jìn)后協(xié)議，將智能家居節(jié)點(diǎn)按房間的順序規(guī)劃不同的矩形區(qū)域，如圖3所示。

圖3 Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)布信息Fig.3 Sink node releasing information

每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域中都有一個(gè)黑色標(biāo)的源節(jié)點(diǎn)，灰色點(diǎn)即為其他節(jié)點(diǎn)，矩形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成集合A。在改進(jìn)后的協(xié)議中，Sink節(jié)點(diǎn)按照區(qū)域順序發(fā)布Information，不再向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送傳感任務(wù)，并根據(jù)命令包的指示找到確切區(qū)域集合A。該區(qū)域內(nèi)的源節(jié)點(diǎn)首先被喚醒，以接收命令包，收到報(bào)文的源節(jié)點(diǎn)將任務(wù)納入緩沖區(qū)進(jìn)行查詢(xún)。數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)律為 Sink節(jié)點(diǎn)—源節(jié)點(diǎn)s1（s2，s3，…，sN）—指定區(qū)域集合A1（A2，A3，…，AN）中的指定節(jié)點(diǎn)。

3 改進(jìn)方案性能分析

①系統(tǒng)生命周期

在原協(xié)議中，Sink節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散興趣后網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都參與接收和轉(zhuǎn)播，路徑繁多，能量消耗迅速。對(duì)定向擴(kuò)散協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)的目標(biāo)是延緩能量消耗，從而最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期，即第一個(gè)觸發(fā)事件開(kāi)始到第一個(gè)能量耗盡的節(jié)點(diǎn)為止所經(jīng)歷的周期數(shù)。假設(shè)Cnode（ T，vi）表示設(shè)備節(jié)點(diǎn)的生命周期，Cnet（T）表示網(wǎng)絡(luò)的生命周期，目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

式中：vi為設(shè)備節(jié)點(diǎn)；N （T，vi）為設(shè)備節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；E（ Vi）為網(wǎng)絡(luò)總能量。

每個(gè)周期內(nèi)vi接收和發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量分別為N（ T，vi）ker和［N （T，vi）+1］ket，其中k、An、et都是常量，則：

因此，網(wǎng)絡(luò)生命周期可以表示為：

式中：e=ei/（er+et）。

為了減緩能量消耗，改進(jìn)方案將所有節(jié)點(diǎn)分布在大致相同的矩形監(jiān)測(cè)區(qū)域。Sink節(jié)點(diǎn)散播的Information只需根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的矩形分布順序區(qū)域逐一擴(kuò)散，而不同的矩形監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)互不轉(zhuǎn)發(fā)和接收消息，從而減少了每個(gè)周期內(nèi)vi接收和發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗能量，即減小N（ T，vi）+e。網(wǎng)絡(luò)的能量在相同的時(shí)間內(nèi)較原協(xié)議消耗得更緩慢，大大延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

則：

②平均剩余能量

平均剩余能量Eave（T）是衡量一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一次事件中平均所做的工作量，它反映了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，可表示如下：

式中：分母為網(wǎng)絡(luò)規(guī)?！翑?shù)據(jù)量；N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)量為數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包和Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息的總和。

我們將在最后仿真與性能分析部分，仿真出協(xié)議改進(jìn)前后平均剩余量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況，評(píng)估改進(jìn)后的路由協(xié)議性能。

4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定的因素有網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟失、抖動(dòng)和調(diào)度算法等。這里對(duì)短時(shí)延網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定進(jìn)行分析?？紤]到短時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型是一個(gè)帶有不確定性的離散線(xiàn)性系統(tǒng)，其模型如下：

式中：xk為狀態(tài)變量；uk為輸入變量；yk為輸出變量；G、H0、H1、D、E為定常矩陣；F（τk）為不確定性矩陣。

式中：Γ=G+H0K+DFEK。

若Θ＜0，則ΔVk＜0，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

運(yùn)用LMI定理，Θ＜0即等價(jià)于：

運(yùn)用Lyapunov與線(xiàn)性矩陣不等式（linear matrix inequalities，LMI）技術(shù)，對(duì)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可變化域之間的關(guān)系進(jìn)行研究，得到了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延與基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

5 仿真與性能分析

運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)仿真器NS2對(duì)改進(jìn)協(xié)議前后網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真對(duì)比，即節(jié)點(diǎn)平均剩余能量和網(wǎng)絡(luò)吞吐量的對(duì)比，30 s內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量與網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)平均剩余能量對(duì)比Fig.4 Contrast of the average residual energy of nodes

首先，節(jié)點(diǎn)的能量模型設(shè)置為：MAC協(xié)議采用速率為1.6 Mbit/s的802.11協(xié)議，1個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)，5個(gè)源節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為50、100、150、200、250個(gè)。將節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布置在100m2的平面中，每60 s網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一組探索數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)包的大小為64字節(jié)；能量初始值為1 000 J，接收節(jié)點(diǎn)能量損耗0.395 J，發(fā)送節(jié)點(diǎn)能量損耗0.662 J。

圖5 網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比Fig.5 Contrast of the network throughputs

仿真結(jié)果顯示，本文提出的DD-REC改進(jìn)協(xié)議在性能上優(yōu)于DD協(xié)議，明顯提高了節(jié)點(diǎn)剩余能量平均水平，網(wǎng)絡(luò)吞吐量在一定時(shí)間內(nèi)也較DD協(xié)議數(shù)量更大。

6 結(jié)束語(yǔ)

率，將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的信息傳播分散到各監(jiān)測(cè)區(qū)域的源節(jié)點(diǎn)上，減少了參與傳播的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，從而節(jié)省了節(jié)點(diǎn)能量，延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

同時(shí)，本文分析了短時(shí)延情況下不確定時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并利用Lyapunov函數(shù)和線(xiàn)性矩陣不等式（LMI）方法，給出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件。

［1］王宇翔.WSN中基于定向擴(kuò)散協(xié)議路由算法的研究［J］.電子測(cè)試，2011，10（10）：26－30.

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Optimization of Smart Home Network System and Analysis on the Control Stabilization

For smart home network system，the interior network of home has been designed.The directed diffusion routing algorithm with data as the core is improved，the nodes are arranged in different rectangular areas according to the sequencing of the rooms；a source node is setup in each rectangular area to receive the messages released from gateway.In addition，the stability of uncertain delay network control system under short time delay is researched.The sufficient condition for network control system asymptotic stability is given by adopting Lyapunov function and linearmatrix inequalities（LMI）.The results of simulation show that the improved algorithm extends the life cycle of the network，increases energy efficiency of network，and reduces energy consumption.

Smart home Rectangular distribution monitoring Directed diffusion protocol Network system Stability

TP393

A

常州市科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：CJ20130007）。

修改稿收到日期：2013－11－14。

王云良（1968－），男，2008年畢業(yè)于華東師范大學(xué)軟件工程專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)與控制技術(shù)。