智能家居网络系统的优化及控制稳定性分析

王云良 王敏其 程 凌

（常州机电职业技术学院1，江苏 常州 213164；江苏五洋赛德科技有限公司2，江苏 常州 213164）

智能家居网络系统的优化及控制稳定性分析

王云良1王敏其2程 凌2

（常州机电职业技术学院1，江苏 常州 213164；江苏五洋赛德科技有限公司2，江苏 常州 213164）

针对智能家居网络系统，对家庭内部网络进行设计。对以数据为中心的定向扩散路由算法进行改进，将节点按房间的顺序规划在不同的矩形区域，每个矩形区域设立一个源节点，用来接收网关节点发布的消息。同时，研究了短时延情况下不确定时延网络控制系统的稳定性，并利用Lyapunov函数和线性矩阵不等式（LMI）方法，给出网络控制系统渐进稳定的充分条件。仿真结果显示，改进算法可延长网络生命周期，节省能耗，提高网络能效。

智能家居 矩形分布监测 定向扩散协议 网络系统 稳定性

0 引言

采用Ad hoc方式，集合n个智能传感节点和1个汇聚节点，并通过无线通信协议连接而成的无线传感网技术广泛应用于智能家居。定向扩散路由算法将复杂质询分成若干个子质询，时效性差，应用性并不广泛［1］。文献［2］引入选择节点转发的方法来改进定向扩散路由（directed diffusion，DD）协议，该方法不适用于节点较多的环境［2］。文献［3］将节点间距离、节点剩余能量和路径条数引入路径选择函数中，以实现最优路径的建立，并在数据传输过程中利用跨层功率调节技术提高数据传输的能量效率［3］。本文采用优化DD协议，改进适用于智能家居的路由最优化选择及数据最优化融合与传输机制，缩短路由时间，减少路由能耗。影响网络系统稳定的因素有网络时延、数据丢失、抖动和调度算法等，网络控制系统的研究吸引了许多学者的注意［4］。本文通过对短时延网络的控制系统稳定性进行分析，研究了不确定网络控制系统的稳定性。

1 智能家居系统组网设计

智能家居系统方案总体设计如图1所示。其中，无线通信模块、有线通信模块、触摸屏（human-computer interaction，HCI）、Android操作系统、ARM微处理器、SQLite数据库、Boa服务器均安装在家庭网关上［5－6］。

图1 系统方案总体设计框图Fig.1 The overall system design scheme

对于有线的数据控制传输，智能家用设备数据采集终端根据不同智能家用设备的扩展接口连接到家庭网关上的不同接口，如智能电视机、音响的音频接口等。同时，对不带WiFi功能的家用电器进行WiFi扩展。信息家电将自身采集到的各种状态信息传递给其自身的或扩展的微控制器，微控制器接收到这些数据后将其转换成UDCP报文，并通过W iFi模块将其发送给家庭网关。此外，信息家电还通过WiFi模块接收来自家庭网关的信息，处理后转换成对家电的控制或查询，并将其随后的状态信息由WiFi模块反馈给家庭网关。

家庭网关由触摸屏人机交互界面、Android操作系统、ARM微处理器、SQLite数据库、Boa服务器组成。触摸屏人机交互界面包含人机界面（human-machine interface，HMI）硬件和相应的专用画面组态软件，用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。智能家居的所有数据都保存在SQLite数据库中，如用户名、密码、家用电器工作时间及电量的管理等。家庭网关同时具有网关和服务器的功能，支持TCP/IP协议；并能提供Web服务功能，连接家庭现场子系统中的数据采集终端，对接收的数据进行显示和存储。

系统采用新兴智能交互式一体机。它融合了高清电视、平板电脑、交互式电子白板等设备功能，集成了大屏幕平板显示技术、精密触控技术、可靠性设计技术，可一机多用，是家居智能化的拓展。该一体机通过以太网接口与家庭网关相连，实现远程控制与访问、互联网语音协议（voice over Internet protocol，VOIP）通话及视频通话。

2 优化的定向扩散协议

①优化兴趣扩散方式

针对智能家居的应用环境，需要减少网络开销，延长网络的生命周期。由于多路径在智能家居的应用中会将能量及流量分流，因此考虑对定向扩散路由（DD）协议进行相应的改进。本文提出一种按固定节点顺序的路由机制，舍弃 Sink节点，用 Information替换Interest，向定点定向地发布。

家庭网关与设备节点进行单路径路由申请，可有效减少网络中消息传输的次数，节省节点接收及转播时消耗的能量，从而实现网关与节点联通的直线性和双向性。Information广播的包格式如图2所示［7－8］。

图2 Information广播的包格式Fig.2 Packet formats of information broadcast

图2中，类别名为家用设备的变量名；源ID即为家庭网关的编号；接收站ID为源节点编号；信息位为命令属性；时间戳为接收到反馈信息的时刻；校验位为检验是否和接收站编号匹配。家庭设备类别码定义参数如表1所示。

表1 家庭设备类别码定义参数Tab.1 Definition parameters of home appliance category code

②星型拓扑结构

采用改进后协议，将智能家居节点按房间的顺序规划不同的矩形区域，如图3所示。

图3 Sink节点发布信息Fig.3 Sink node releasing information

每个监测区域中都有一个黑色标的源节点，灰色点即为其他节点，矩形区域内的节点构成集合A。在改进后的协议中，Sink节点按照区域顺序发布Information，不再向整个网络发送传感任务，并根据命令包的指示找到确切区域集合A。该区域内的源节点首先被唤醒，以接收命令包，收到报文的源节点将任务纳入缓冲区进行查询。数据的传输规律为 Sink节点—源节点s1（s2，s3，…，sN）—指定区域集合A1（A2，A3，…，AN）中的指定节点。

3 改进方案性能分析

①系统生命周期

在原协议中，Sink节点扩散兴趣后网络中所有节点都参与接收和转播，路径繁多，能量消耗迅速。对定向扩散协议进行改进的目标是延缓能量消耗，从而最大化网络生命周期，即第一个触发事件开始到第一个能量耗尽的节点为止所经历的周期数。假设Cnode（ T，vi）表示设备节点的生命周期，Cnet（T）表示网络的生命周期，目标函数可以表示为：

式中：vi为设备节点；N （T，vi）为设备节点的个数；E（ Vi）为网络总能量。

每个周期内vi接收和发送数据所消耗的能量分别为N（ T，vi）ker和［N （T，vi）+1］ket，其中k、An、et都是常量，则：

因此，网络生命周期可以表示为：

式中：e=ei/（er+et）。

为了减缓能量消耗，改进方案将所有节点分布在大致相同的矩形监测区域。Sink节点散播的Information只需根据监测区域的矩形分布顺序区域逐一扩散，而不同的矩形监测区域内的节点互不转发和接收消息，从而减少了每个周期内vi接收和发送数据所消耗能量，即减小N（ T，vi）+e。网络的能量在相同的时间内较原协议消耗得更缓慢，大大延长了网络的生命周期。

则：

②平均剩余能量

平均剩余能量Eave（T）是衡量一个节点在一次事件中平均所做的工作量，它反映了一个传感器网络的生命周期，可表示如下：

式中：分母为网络规模×数据量；N为网络节点个数，数据量为数据源节点产生的数据包和Sink节点发出信息的总和。

我们将在最后仿真与性能分析部分，仿真出协议改进前后平均剩余量和网络吞吐量随着节点数的变化情况，评估改进后的路由协议性能。

4 网络控制系统稳定性分析

影响网络系统稳定的因素有网络时延、数据丢失、抖动和调度算法等。这里对短时延网络的控制系统稳定进行分析。考虑到短时延的网络控制系统的模型是一个带有不确定性的离散线性系统，其模型如下：

式中：xk为状态变量；uk为输入变量；yk为输出变量；G、H0、H1、D、E为定常矩阵；F（τk）为不确定性矩阵。

式中：Γ=G+H0K+DFEK。

若Θ＜0，则ΔVk＜0，说明网络控制系统稳定。

运用LMI定理，Θ＜0即等价于：

运用Lyapunov与线性矩阵不等式（linear matrix inequalities，LMI）技术，对闭环网络控制系统的稳定性与网络时延可变化域之间的关系进行研究，得到了网络时延与基于网络的控制系统稳定性之间的关系。

5 仿真与性能分析

运用网络仿真器NS2对改进协议前后网络系统的性能进行仿真对比，即节点平均剩余能量和网络吞吐量的对比，30 s内网络节点平均剩余能量与网络吞吐量对比仿真结果如图4、图5所示。

图4 节点平均剩余能量对比Fig.4 Contrast of the average residual energy of nodes

首先，节点的能量模型设置为：MAC协议采用速率为1.6 Mbit/s的802.11协议，1个Sink节点，5个源节点，网络节点数分别为50、100、150、200、250个。将节点随机布置在100m2的平面中，每60 s网关节点发送一组探索数据，其数据包的大小为64字节；能量初始值为1 000 J，接收节点能量损耗0.395 J，发送节点能量损耗0.662 J。

图5 网络吞吐量对比Fig.5 Contrast of the network throughputs

仿真结果显示，本文提出的DD-REC改进协议在性能上优于DD协议，明显提高了节点剩余能量平均水平，网络吞吐量在一定时间内也较DD协议数量更大。

6 结束语

率，将网关节点的信息传播分散到各监测区域的源节点上，减少了参与传播的节点数目，从而节省了节点能量，延长了整个网络的生命周期，提高了网络性能。

同时，本文分析了短时延情况下不确定时延网络控制系统的稳定性，并利用Lyapunov函数和线性矩阵不等式（LMI）方法，给出了网络控制系统渐进稳定的充分条件。

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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

常州市科技计划基金资助项目（编号：CJ20130007）。

修改稿收到日期：2013－11－14。

王云良（1968－），男，2008年毕业于华东师范大学软件工程专业，获硕士学位，副教授；主要研究方向为物联网与控制技术。