智能家居节能提醒算法及系统设计

李厚恩，张云翔，黄安子（深圳供电局有限公司　信息部，广东　深圳　518000）



智能家居节能提醒算法及系统设计

李厚恩，张云翔，黄安子
（深圳供电局有限公司信息部，广东深圳518000）

摘要：为适应智能家居技术的迅速发展，同时降低人们依赖智能化、信息化设备产生的待机能耗，需要对智能家电进行合理化的节能规范。本文主要提出一种待机规律节能算法，通过以ZigBee协议与Android移动开发端设计一套针对智能家居使用的节能系统，利用算法合理推测用户本人的用电习惯，计算其以周期和日期时间点的智能家居使用频率，达到规范家电用电状态来节省电能的目的。本算法系统在智能家居节能方面表现出优势，有利于电力服务企业能源环保利用的发展。

关键词：智能家居；ZIGBEE；家庭自动化；无线传感网络；Android；移动应用

0　引言

随着21世纪社会经济高速发展，人们对智能化生活的要求越来越高，智能家居产品如雨后春笋般发展，之前各式高端大气的智能家居逐渐进入平民家庭。但是传统智能家用电器系统结构复杂，过分注重智能性与用户体验，导致了很多设备在待机状态下能量损耗巨大，在总体上浪费了大量电能。作者马芳在论文［1］中提出过利用智能开关的定时闭合断开来实现节能的方法，这种实现方式虽然断电时效性高，但是缺乏对一些关键电器设备的用电分析，容易造成节能错误而带来的家庭用电质量下降，给客户带来不好的体验。 针对当前智能家居节能形势，本文提出了ZIGBEE与ANDROID平台的智能家居节能系统，通过更有说服力的用户用电习惯数据分析对各智能家居设备分配节能时段，定制更灵活的智能家居待机环境，重点解决智能家居待机功率消耗问题。

1　ZigBee相关技术与待机能耗

1.1ZigBee技术解析

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。

作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：功耗低，成本低，时延短，网络容量大，高可靠性。 同时它也是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。

1.2待机功率损耗

待机能量研究。张友军等研究待机能量的专家学者在论文［2］指出电器在待机状态下的消耗功率不容忽视，而所谓的待机状态，指的是电器在不执行任何功率或者执行某些功能时候电器功率都达到最小化的情况。如今的智能家居电器，则大多增加了待机模式，有一些也称为睡眠模式。设计者通常为了追求用户体验和实现产品与协调器的实时通讯，在内部编程设定了电器设备的能耗监测模块，这也就意味着单单依靠粗放的智能家居管理系统，智能性质使得更多的家电始终保持待机状态，以便卫星，微波，WIFI等通讯网络连接，这会大大造成待机功率的损耗。

2　基于ZigBee的智能家居节能系统

2.1系统架构

从技术架构层面上看，智能家居节能系统分为执行层、通信层和应用层。执行层主要负责环境信息，用电功率信息和上层指令的执行，如各个智能家电。通信层作为应用层和执行层间信息传递的桥梁，比如家庭网关与协调器。应用层则是进行采集数据分析、对情景进行逻辑判断和提供人机交互界面等。

整体系统运作流程分为指令调度方式和智能数据分析方式。指令调度方式：用户通过安卓的APP软件进行3G/WIFI等网络协议进行指令发送，家庭网关接收信息后，进行用户认证，确认用户权限符合后将应用层指令帧转换为硬件的指令编码传递到协调器，最后由协调器判断指令编码进行智能家居的电路开关调节等操作。

智能数据分析方式：协调器通过电路中的功率传感器实时发送指令编码给家庭网关，由家庭网关进行数据收集，并分配时间段与信号帧传输到用户APP上。用户APP后台拥有智能待机规律算法，实时分析获取的数据并进行排序归档，并通过每个时间节点进行决策树运算，得出用电预测结论来提醒用户断电节能。

2.2硬件架构

ZigBee芯片引用论文［6］硬件设计，选用32位基于Cortex-M3 ARM核心片上系统EM357，集成了2.4G与IEEE802.15.4兼容的无线收发器；使用192KB闪存和12KBRAM存储；具有较高的抗干扰性，可以与其他2.4G网络共存；同时具有产生随机数AES-128的加密引擎；硬件支持网络级调试；可以作为ZigBee协调器，路由器或者终端设备。硬件的主要设计包括家庭网关和终端节点的硬件设计，下面以家庭网关为例。

为了充分利用Android移动端的资源和高计算能力，家庭网关采用用ZigBee USB Dongle方式实现。Prolifc公司的PL2303HXD芯片是一款支持USB转串口的桥控制器，可在Android系统上以USB形式来提供串口功能。

2.3网关设计

（1）家庭网关软件设计采用了QT这款老牌嵌入式编程工具。控制网关方面QT同时也提供了大量的开发文档和WebKit引擎支持。

（2）设计ZigBee节点控制指令，指令格式：桢头+节电编号+模块ID+传感器ID+命令+桢尾。

（3）QT串口编程：QextSeriaIport类：该类主要是实现串口与串口间的通讯，通过函数openCom（）实现打开设备，再利用readCom（）实现读取串口指令（指令如图）。最后在setLightStates传递各个传感器输送的信号，读取的信息保存在数组中，由槽函数connect（）进行处理。

2.4移动端与待机规律节能算法实现

移动应用端采用了安卓平台，为了提升移动端运行处理效率，故简化了传统智能家居驱动模块，采用了android-async-http开发框架，降低了数据压缩和排序压力。

关键的算法技术：用户家电待机规律节能算法。

本算法横向时间点是基于置信区间的决策树算法。安卓客户端在每个点实时获取家电传感器传来的功率信息，统计每一个时间点接下来的待机时间（单位为小时）。

以星期一0时刻到3时刻列举说明，在其0时刻到9点时刻智能家电都是待机低功率状态（9点时候用户打开了家电，转为工作状态），则表中记为8，代表此后有8个小时待机时间，依次类推1点时刻则在后有7小时的待机时间。根据过往数据对当前点进行决策树推演，求取方差，标准差，该时间点的90%的置信区间Pr（c1＜=μ＜=c2）=1-α。详细计算方法如下：

（1）将ACC（决策树预测准确率）进行标准化即

（2）选择一个参考范围的置信水平。这取决于时间性精确度。

（3）求出a/2和1-a/2的对于标准正态分布统计量Za/2和Z1-a/2（均为常量）。然后解下面关于P的不等式，ACC（决策树预测准确率）可以有样品估计得出该置信区间。

1点时刻的待机功率时间段置信区间为（5.93，16.34），即说明这该星期的时刻接下来会进行的待机小时90%的可能性在5.93小时到16.34小时。

用户将在客户端设置最高理想待机时间长度，若待机时间段的结点待机长度高于该值，则默认电器已进入待机状态，可发送断电节能提醒。

以设定值为8为例子，为了构造待机状态关机与否的决策树，我们先定义获取的区间，并将其数据标准化，称为钟型曲线模型，它刻画了任意样例集的分布规则。若随机变量服从一个位置参数为、尺度参数为的概率分布，且其概率密度函数为：

利用公式，将p+代表正样例，p+则意味着确认为待机状态，而p-则代表反样例，确认不在待机状态，将样品置信区别分为（5.93，8）与（8，16.34）两组。

待机状态：p+ = f（8，16.34）

非待机状态：p- = f（5.93，8）

由于公式f（8，16.34）＞f（5.93，8），所以p+ ＞ p- ，样本结果的决策树选择待机状态。由此信息置信区间公式求得结果，决策树算法判断1点时刻坐落在（5.93，16.34）置信区间设置为期望的最大节点。至此，系统选取结论进行归档并完成整个横向算法操作。当应用抓取了大量的数据后，系统利用决策树算法对多个置信区间进行期望分析，才提示用户可以对家电设备传输断电节能信息，以此减少待机功率产生的耗电量。

算法的纵向日期分析是基于相关性的极限取值算法。由于用户每日习惯具有多样性与差异性，某些智能家居的使用会存在星期上的作息时间区别。故本文引用该算法来根据用户每星期的日习惯不同，监测该组数据与原总体算出平均数据的相关性。

系统收集单个星期的待机情况相关性分析数据。以星期三为例子，由相关系数公式（如公式三）推导得出样品数据10天0.8333 、30天 0.8446、50天0.9024、70天0.9721。

智能家居待机规律算法使用的数据样例中星期一、三、四、五基本呈现false ，常数C恒定为1的函数趋势，说明与平常的智能家电使用情况相近。其他不符合趋势的星期会单独出来，以其星期（排除其他星期）的样本进行横向时间点算法，以此匹配最优用户提示。

系统进行多次算法运算后，推断在0时刻后可能待机时间长度区间为（7.83，10.22）的决策树运算期望最高，7时刻后可能待机时间长度区间为（3.24，5.11）的决策树运算期望最高，15时刻后可能待机时间长度区间为（3.83，5.97）的决策树运算期望最高，21时刻后可能待机时间长度区间为（10.83，12..22）的决策树运算期望最高，则系统为用户设定的最高理想待机时间长度为8 提示断电提醒。

系统利用算法自动为用户分配星期一、三、四、五特定时间点设置断电提醒，星期二由纵向算法得出智能家电处于全天待机状态，系统将发出可全天断电节能的提醒。

3　结语

基于ZigBee和Android平台的智能节能系统，能够满足智能家居用户基本节电要求，智能化地根据用户习惯推荐合理节电时间，大大降低了待机功耗。此外，随着聚类算法、相关性规则等算法的成熟以及ZigBee在未来应用的推广，智能节电系统势必在未来会引领一个低成本低功耗高安全性的智能家居节能新趋势。

参考文献：

［1］Wu Kai、Bo Yuming，Design and Implementation of Wireless Sensor Network Platform Based on ZigBee Technology，2011.

［2］张友军，张玉珍，马立，苏银伟，宋德翔.电器待机功率损耗及其对策技术的研究［J］.2006，1（26）.

［3］郝林.人工智能中的时间推理的研究［J］.2001，1（23）.

［4］韩刚.基于ZigBee的智能控制系统［J］.2012.

［5］李兴华.Android开发实战经典［J］.2010.

［6］李明亮，李小龙.基于ARM11的智能家居设计与实现［J］.2013.

［7］马芳.基于ZigBee的智能家电节能控制系统［J］.2012.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.126

作者简介：李厚恩（1990-），男，广东汕头人，本科，助理工程师，主要从事企业信息化建设工作。