基于RFID物聯(lián)網(wǎng)的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制方法

關(guān) 立

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

隨著人們生活水平的提升，對(duì)智能家居的需求量越來越大，智能家居是采用物聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居智能互聯(lián)和控制的自動(dòng)化設(shè)備。在智能家居設(shè)計(jì)中，多目標(biāo)家居聯(lián)合控制設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，需要構(gòu)建優(yōu)化的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)，結(jié)合聯(lián)合控制方法，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的嵌入式設(shè)計(jì)，提高多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的輸出穩(wěn)定性，相關(guān)的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究受到人們的極大重視[1]。

多目標(biāo)家居聯(lián)合控制設(shè)計(jì)是建立在對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制參數(shù)分析和特征大數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，采用RFID智能標(biāo)簽識(shí)別方法，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的標(biāo)簽識(shí)別模型[2]，采用物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)控制技術(shù)，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制，提高多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的輸出穩(wěn)定性，本文提出基于RFID物聯(lián)網(wǎng)的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制方法。首先進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制算法設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。最后通過仿真測(cè)試進(jìn)行性能測(cè)試，展示了本文方法在提高多目標(biāo)家居聯(lián)合控制穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性能。

1 多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)總體構(gòu)架

為了實(shí)現(xiàn)基于RFID物聯(lián)網(wǎng)的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制，首先構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型，采用RFID標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的參數(shù)采集，通過總線控制協(xié)議，建立多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的數(shù)據(jù)回讀系統(tǒng)，結(jié)合通訊接口控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的數(shù)據(jù)實(shí)體對(duì)象分析[3]，建立服務(wù)器/物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)合控制協(xié)議，進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架。設(shè)計(jì)的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)架包括多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、時(shí)間同步系統(tǒng)、家居傳輸通信裝置、站域控制系統(tǒng)等組成[4]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)架如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)總體構(gòu)架，采用物聯(lián)網(wǎng)組件控制，設(shè)計(jì)抽象通信服務(wù)接口ACSI(Abstract Communication Service Interface)，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行元件、過程層接口裝置設(shè)計(jì)，構(gòu)建報(bào)告控制塊和記錄控制塊[5]，得到多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

2 家居控制功能組件分析

在對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用射頻標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制參數(shù)采集，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合參數(shù)分布式自啟動(dòng)采集模塊，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的功能組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]，構(gòu)建圖3所示的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，采用特定通信服務(wù)控制方法，設(shè)計(jì)應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的通信接口設(shè)計(jì)，得到多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的三層體系結(jié)構(gòu)。

圖3 多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的三層體系結(jié)構(gòu)

采用S3C2440自帶的AD系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的6通道參數(shù)融合，采用AD時(shí)鐘采樣方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的信息采集和AD轉(zhuǎn)換[7]，得到控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)組件如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)組件

3 多目標(biāo)家居聯(lián)合控制算法描述

3.1 控制參數(shù)采集和預(yù)處理

為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制參數(shù)采集并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用RFID射頻讀寫監(jiān)測(cè)方法，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的參數(shù)采集模型，結(jié)合傳感信息測(cè)量方法[8]實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的信息測(cè)量和閾值控制，建立信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合信息參數(shù)識(shí)別，多目標(biāo)家居聯(lián)合信息參數(shù)分布的活性因子。

P=A·C·V2·f

(1)

其中，A為多目標(biāo)家居聯(lián)合信息參數(shù)的特征分布概率；C為充放電的節(jié)點(diǎn)電容；V為嵌入式系統(tǒng)的充電電壓；f為多目標(biāo)家居聯(lián)合信息特征識(shí)別的差值。

采用模糊控制方法，構(gòu)建基于RFID物聯(lián)網(wǎng)的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制約束對(duì)象，得到控制閾值電壓VT時(shí)，計(jì)算多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的輸出穩(wěn)定率為：

(2)

式(2)中，Vg為目標(biāo)家居聯(lián)合控制的高電壓，Vd為目標(biāo)家居聯(lián)合控制的低電壓，VT為目標(biāo)家居聯(lián)合控制的阻抗電壓。

采用多目標(biāo)進(jìn)化方法，得到多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，設(shè)定位部署節(jié)點(diǎn)的電流為I，得到所有多目標(biāo)家居聯(lián)合控制傳感網(wǎng)絡(luò)的輸出功耗為：

(3)

式(3)中，G為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制傳感網(wǎng)絡(luò)的輸入功率，n為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定位部署節(jié)點(diǎn)數(shù)量，k為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電容率，hi為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)介電常數(shù)。

采用組合特征分析[9]，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合控制參數(shù)解析模型，提高控制輸出的穩(wěn)定性，得到多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的功率損耗函數(shù)有：

Pk=(b·P)-1·E(p)+∑i=1(λiP)-1

(4)

式(4)中，λi為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的交流電功率，b為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制網(wǎng)絡(luò)中的空間電荷。

通過采用梯度線性融合的方法，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的檢測(cè)脈沖寬度為：

Qk=(b·Pk)-1+∑i=1(λiL)-1

(5)

式(5)中，L為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制檢測(cè)的脈沖電壓。通過嵌入式調(diào)度，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的進(jìn)化目標(biāo)函數(shù)為：

E=Qkb+sgn(ω)∑i=1(λiL)-1

(6)

式(6)中，ω(0<ω<2)為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的脈沖時(shí)延。至此，完成了多目標(biāo)家居聯(lián)合控制參數(shù)采集以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的預(yù)處理，以此構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制模型。

3.2 多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制模型

為構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制模型，采用模糊控制方法[10]，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制的特征分布式融合，得到多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制的自適迭擬合函數(shù)為：

(7)

式(7)中，η為多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制的學(xué)習(xí)步長(zhǎng)，?為多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制的均方誤差。

其中，學(xué)習(xí)步長(zhǎng)η必須滿足：

(8)

選擇合適的步長(zhǎng)，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制的輸出穩(wěn)態(tài)特征量，得到多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的多維帶寬分布函數(shù)為：

(9)

式(9)中，m為多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制的負(fù)載率，r(k)為多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制的跳數(shù)，y(k)為多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制的處理時(shí)延。采用組合控制的PID融合調(diào)度，得到多目標(biāo)家居聯(lián)合控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程調(diào)度性能模型為：

(10)

式(10)中，δj(k)為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制進(jìn)程調(diào)度周轉(zhuǎn)時(shí)間。通過多維進(jìn)程調(diào)度參數(shù)識(shí)別[11]，得到多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的進(jìn)程調(diào)度優(yōu)化方程為：

(11)

式(11)中，J為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的進(jìn)程調(diào)度響應(yīng)時(shí)間。通過自適應(yīng)跟蹤識(shí)別方法，得到多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的多維優(yōu)化模型為：

(12)

式(12)中，x(k)為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的子模式的邏輯值，采用二乘規(guī)劃模型[12]，構(gòu)建到多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的線性規(guī)劃方程為：

(13)

式(13)中，ε為多目標(biāo)家居聯(lián)合控制線性規(guī)劃的負(fù)偏差量。建立信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合信息參數(shù)識(shí)別，采用RFID物聯(lián)網(wǎng)測(cè)量和組網(wǎng)控制方法，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制特征識(shí)別，得出多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制模型為：

(14)

通過上述處理，構(gòu)建了多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制模型，根據(jù)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制結(jié)果，提高家居控制魯棒性。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在上述進(jìn)行了多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，定義多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，基于客戶機(jī)/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的人機(jī)和硬件模塊化設(shè)計(jì)，通過FPGA邏輯處理方法實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的總線傳輸控制，在USB接口單元進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的上位機(jī)通信[13]，配置4路組聯(lián)合Cache實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)通道控制，采用CAN2.0B接口程序構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的時(shí)鐘采樣電路，采用8個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器開關(guān)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的輸出開關(guān)功率轉(zhuǎn)換控制，得到系統(tǒng)的硬件配置結(jié)果如圖5所示。

圖5 多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的硬件配置結(jié)果

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制中的應(yīng)用性能，進(jìn)行測(cè)試分析，設(shè)定多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)建立在ARM CortexTM-M0基礎(chǔ)上，設(shè)定SPORT0_TCLKDIV協(xié)議，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合控制系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊，設(shè)定控制總線數(shù)為12，物聯(lián)網(wǎng)分布節(jié)點(diǎn)數(shù)為10，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制，得到家居控制節(jié)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)見表1。

表1 家居控制節(jié)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)反饋解析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制，測(cè)試多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的精度，得到對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 控制精度測(cè)試

分析圖6得知，本文方法進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的誤差率較低，精度較高，控制誤差率穩(wěn)定在10%以下，而文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]以及文獻(xiàn)[5]方法在20%～10%之間，其控制精度較差。

測(cè)試時(shí)延的控制度，得到對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 控制時(shí)延測(cè)試

分析圖7得知，本文方法進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的時(shí)延較低。

結(jié)語

結(jié)合聯(lián)合控制方法，進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的嵌入式設(shè)計(jì)，提高多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的輸出穩(wěn)定性，本文提出基于RFID物聯(lián)網(wǎng)的多目標(biāo)家居聯(lián)合控制方法。采用RFID標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的參數(shù)采集，采用模糊控制方法，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合模糊控制律，采用梯度線性融合和自適應(yīng)跟蹤識(shí)別的方法，構(gòu)建多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，通過多維控制參數(shù)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)家居聯(lián)合控制優(yōu)化。研究得知，本文方法進(jìn)行多目標(biāo)家居聯(lián)合控制的輸出穩(wěn)定性較高，控制精度和時(shí)延表現(xiàn)能力較好。