摘 要：針對現(xiàn)有監(jiān)測方法對智能家居電路運行狀態(tài)監(jiān)測時存在數(shù)據(jù)包丟失率過高，影響監(jiān)測穩(wěn)定性和可靠性的問題，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展智能家居電路運行狀態(tài)監(jiān)測方法研究。該方法依賴于智能設(shè)備和傳感器，獲取智能家居電路運行數(shù)據(jù)。為保證監(jiān)測精度，分離運行數(shù)據(jù)，并完成零漂校正，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)電路狀態(tài)監(jiān)測與異常報警。通過對比實驗證明，新的監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)包丟失率顯著降低，具備極高的監(jiān)測穩(wěn)定性和可靠性，具有較大的推廣價值。

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

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

智能家居的廣泛使用，使得對其電路運行狀態(tài)監(jiān)測方法的研究具有更大的價值。首先，可以用于預防性維護[1-2]。

通過對電路運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，完成故障預測與維修，避免因設(shè)備故障導致的家庭用電中斷或安全事故。其次，該監(jiān)測方法還可以用于遠程監(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、個性化的服務(wù)[3]。但現(xiàn)有監(jiān)測方法在實際應(yīng)用中依賴于傳感器和中央處理器進行數(shù)據(jù)收集和處理[4-7]，這可能導致數(shù)據(jù)傳輸和處理延遲，影響監(jiān)測的實時性和準確性。基于此，本文開展基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居電路運行狀態(tài)監(jiān)測方法設(shè)計研究。

1 智能家居電路運行數(shù)據(jù)獲取

智能家居電路運行數(shù)據(jù)的獲取主要依賴于智能設(shè)備和傳感器。這些設(shè)備通過與電路的交互，可以實時監(jiān)測和收集各種數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、功率、溫度、濕度等。利用高阻負載的方式可以有效獲取較大的信號電壓。這種方式在電路中能夠提供更顯著的信號表現(xiàn)，從而更精確地監(jiān)測電路的運行狀態(tài)[8]。然而，當偏置的二極管直接與負載電阻相連時，其可能會降低信號的強度。這種連接方式可能會對原始信號造成干擾，導致信號質(zhì)量下降。

為解決上述問題，本文考慮將光電二極管與運放電路相連接。運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，從而使得光電測量電路能夠準確地檢測和傳輸信號[9]。通過運放電路的放大作用，即使在信號強度較低的情況下，也能獲得足夠的信息進行準確監(jiān)測和分析。此外，值得注意的是，由于電阻并聯(lián)的電容量非常小，光電測量的電路電壓能夠保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。這種穩(wěn)定性對于精確測量和可靠的數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。光電測量的電路電壓可以表示為：

（1）

式中：V0表示光電測量的電路電壓；I表示電流；Rf表示運放的反饋電阻；S表示光電靈敏度；E表示電容。在采集過程中，為確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，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)備電機模擬信號高頻截止頻率。這個截止頻率決定了模擬信號中高頻成分的通過閾值，進而影響信號的質(zhì)量和精度。此外，為了使光電轉(zhuǎn)換器輸出的電壓達到規(guī)定數(shù)值，需要對電阻進行精心設(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 運行數(shù)據(jù)分離與零漂校正

在完成對智能家居電路運行數(shù)據(jù)的采集后，將該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過 USB接口上傳至 LabVIEW。在 LabVIEW中對數(shù)據(jù)進行分割時，必須先對接收到的數(shù)據(jù)進行高四位的提取，并據(jù)此判斷出該信號屬于哪一路信號。如果取得的4個數(shù)字是0000，那么剩下的12個數(shù)字就會被存儲到第一個陣列里；若為0001，將其余的12位數(shù)字存于第2個陣列；若為0010時，其余的12位數(shù)字會被存放于第3個陣列。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)三路信號的分離。在數(shù)字信號處理過程中，由于沒有對信號進行校正，所以產(chǎn)生了零漂。在數(shù)據(jù)分離之后，必須對其進行零漂校正。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)實際增益值為ma，偏移量為b，則實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)。求解這兩個未知參數(shù)，通過結(jié)果寄存器中的值可以得到實際輸入的電壓值。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表示兩個電壓值。在轉(zhuǎn)換的過程中，通過數(shù)字量轉(zhuǎn)化結(jié)果，求解實際輸入量，其關(guān)系為：

（5）

根據(jù)該公式，實現(xiàn)零漂校正，完成對智能家居電路運行數(shù)據(jù)的處理。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的電路狀態(tài)監(jiān)測與異常報警

基于物聯(lián)網(wǎng)平臺完成已處理數(shù)據(jù)的采集后，可以實時收集并傳輸電路不同階段的振動數(shù)據(jù)，然后通過云計算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行處理。通過傅里葉變換等信號處理方法，可提取出各模態(tài)的振動特征和響應(yīng)，并進一步研究它們之間的耦合關(guān)系。結(jié)合適當?shù)哪Ｐ秃退惴?，可以預測電路在不同工作條件下的狀態(tài)變化，從而及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障或問題。在某一點i上處于j階段的振動響應(yīng)可表示為：

（6）

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

電源電壓的波動監(jiān)測函數(shù)如下：

（7）

式中：ΔV代表電壓波動范圍；Vmax表示監(jiān)測到的最大電壓值；Vmin表示監(jiān)測到的最小電壓值。當ΔV超過某一閾值時，可以觸發(fā)報警，表明電源可能存在問題。

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表示觀測時間窗；P（t）表示在t時刻的瞬時功率。當Pavg或瞬時功率P（t）超過設(shè)定閾值時，可以認為設(shè)備存在異常功耗，此時可以觸發(fā)報警。

噪聲比（SINR）計算式如下：

（9）

式中：SINR表示噪聲比；S表示有用信號功率；I表示干擾信號功率；N表示噪聲功率。當SINR低于某一閾值時，通信質(zhì)量可能會受到嚴重影響，此時可以觸發(fā)報警。如此，即可實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的電路狀態(tài)監(jiān)測與異常報警。

4 對比實驗

為驗證方法的應(yīng)用性能，將基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居電路運行狀態(tài)監(jiān)測方法設(shè)置為實驗組，將基于圖像處理技術(shù)的監(jiān)測方法設(shè)置為對照I組，將基于虛擬儀器技術(shù)的監(jiān)測方法設(shè)置為對照II組，開展對比實驗。

在實驗過程中，選擇20個傳感器，其中包含10個水平傳感器和10個垂直傳感器。將其均勻分布在智能家居設(shè)備上，并利用三種方法對電路信號進行監(jiān)測。利用數(shù)據(jù)包的丟失率來反映三種監(jiān)測方法的監(jiān)測穩(wěn)定性和可靠性，其計算公式為：

（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)測過程中，分別設(shè)置不同的通信距離，并記錄每種監(jiān)測方法在不同監(jiān)測距離條件下的數(shù)據(jù)包丟失率，將結(jié)果記錄于表1。

從表1的實驗數(shù)據(jù)可以清晰地看到實驗組在不同通信距離下的數(shù)據(jù)包丟失率情況。當通信距離為150 m時，數(shù)據(jù)包丟失率僅為0.10%。這表明在某種程度上，該監(jiān)測方法在短距離通信中表現(xiàn)出了相當高的可靠性和穩(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)果說明在較長的距離或特定的通信環(huán)境下，該監(jiān)測方法能夠?qū)崿F(xiàn)完全無數(shù)據(jù)包丟失的效果。值得注意的是，對照II組的數(shù)據(jù)包丟失率普遍高于對照I組。這可能意味著對照II組的監(jiān)測方法在抵抗通信距離增加帶來的負面影響方面稍遜于實驗組和對照I組。

綜上所述，實驗組的數(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。而對照I組和對照II組則在數(shù)據(jù)包丟失率方面存在一定的問題，因此，在實際應(yīng)用中實驗組監(jiān)測方法更具使用價值。

5 結(jié) 語

智能家居電路運行狀態(tài)監(jiān)測方法是保障智能家居安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵所在。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析對電路運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和預警，實現(xiàn)預防性維護和遠程監(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，為用戶提供了更加智能化、個性化的服務(wù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和智能家居市場的日益成熟，智能家居電路運行狀態(tài)監(jiān)測方法將在未來的智能家居領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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