申请/专利权人：宁波智正伟盈信息科技有限公司

申请日：2018-12-03

公开（公告）日：2021-02-19

公开（公告）号：CN109639538B

主分类号：H04L12/28(20060101)

分类号：H04L12/28(20060101);G01D21/02(20060101);H04L12/715(20130101);H04W40/02(20090101);H04W40/10(20090101)

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2022.11.11#未缴年费专利权终止;2019.05.10#实质审查的生效;2019.04.16#公开

摘要：本发明提供了一种智慧家庭计算机交互装置，包括传感器网络感测模块、人机交互模块、数据处理模块、物联网模块和电气控制模块；所述环境监测模块用于室内环境的实时监测并将室内环境监测数据发送至计算机处理模块；计算机处理模块将接收到的室内环境监测数据与预设数据进行比较，当室内环境监测数据超标时，计算机处理模块将监测结果发送至人机交互模块向用户进行语音播报；用户根据接听到的监测结果，通过人机交互模块向计算机处理模块发出电气控制指令；计算机处理模块根据接收到的电气控制指令，利用物联网模块向电气控制模块发送环境调节指令，由电气控制模块进行室内环境的调节或净化。

主权项：1.一种智慧家庭计算机交互装置，其特征是，包括传感器网络感测模块、人机交互模块、数据处理模块、物联网模块和电气控制模块；所述传感器网络感测模块和人机交互模块分别与计算机处理模块相连接，计算机处理模块通过物联网模块与电气控制模块相连接；所述传感器网络感测模块用于室内环境的实时监测并将室内环境监测数据发送至计算机处理模块；计算机处理模块将接收到的室内环境监测数据与预设数据进行比较，当室内环境监测数据超标时，计算机处理模块将监测结果发送至人机交互模块向用户进行语音播报；用户根据接听到的监测结果，通过人机交互模块向计算机处理模块发出电气控制指令；计算机处理模块根据接收到的电气控制指令，利用物联网模块向电气控制模块发送环境调节指令，由电气控制模块进行室内环境的调节或净化；所述传感器网络感测模块包括汇聚节点和多个部署于室内环境监测区域内的传感器节点，以LEACH算法对由汇聚节点和传感器节点构成的无线传感器网络进行分簇，分成的每个簇包括一个簇头；传感器节点采集的室内环境监测数据发送至所在簇的簇头，簇头将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点；所述汇聚节点与所述计算机处理模块通信连接，以将接收的室内环境监测数据发送至该计算机处理模块；簇头通过调节自身的发送功率来调节自己的发送距离；初始时簇头判断自身到汇聚节点的距离是否超过自身的最大发送距离，若不超过，簇头将收集的室内环境监测数据直接发送至汇聚节点；若超过，簇头选择间接的方式将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点；所述间接的方式为：簇头在其通信范围内的簇头即邻居簇头中选择一个距离汇聚节点更近的邻居簇头作为下一跳节点，将所收集的室内环境监测数据发送至下一跳节点，包括：1簇头将相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头作为备选节点；构建备选节点集，并为每个备选节点分配初始优先级： 式中，Yij0为簇头i的备选节点j的初始优先级，Li,j为簇头i到备选节点j的距离，Lj,O为所述备选节点j到汇聚节点的距离，Li,k为簇头i到其第k个备选节点的距离，Lk,O为所述第k个备选节点到汇聚节点的距离，ni为簇头i的备选节点集中的备选节点数量；Ni为簇头i的邻居簇头数量，Nj为所述备选节点j的邻居簇头数，Ni∩Nj为簇头i与备选节点j所拥有的共同邻居簇头的数量，α1、α2为预设的权重系数，满足α1+α2＝1；2簇头按照设定的第二周期周期性地获取其备选节点集中各备选节点的信息，根据该信息更新各备选节点的优先级，进而在备选节点集中选择当前优先级最大的备选节点作为下一跳节点，其中优先级的更新公式为： 式中，Yijt为簇头i的备选节点j在第t次更新的优先级，Yijt-1为簇头i的备选节点j在第t-1次更新的优先级，λ为预设的衰减系数，λ的取值范围为[0.1,0.2]，hj为所述备选节点j的当前缓存空间，Hj为所述备选节点j的初始缓存空间，Ej为所述备选节点j的当前剩余能量，Ej0为所述备选节点j的初始能量，β1、β2为资源比率的权重因子，满足β1+β2＝1；将收集的室内环境监测数据直接发送至汇聚节点的簇头按照设定的第一周期，周期性地判断自身的当前剩余能量是否满足能量条件，若满足，簇头仍直接将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点，若不满足，簇头选择间接的方式将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点，所述能量条件为： 式中，Ei为簇头i的当前剩余能量，Ei0为簇头i的初始能量，Emin为预设的能量下限，Li,O为簇头i到汇聚节点的距离，Dimax为簇头i的最大通信距离，c为预设的基于能量的衰减因子，c的取值范围为[0.85,0.95]。

全文数据：一种智慧家庭计算机交互装置技术领域本发明涉及家庭环境净化领域，具体涉及一种智慧家庭计算机交互装置。背景技术随着环境的污染，人们越来越重视环境质量，市场净化器的种类也很多，但是很难满足多用化，不够灵活。比如净化器只负责净化空气，但不负责空调、门窗，这样就很难保证家庭的空气质量。另外家庭房间数量多的，很多电气设备需要购买多台，费用高且使用不便。发明内容针对上述问题，本发明提供一种智慧家庭计算机交互装置。本发明的目的采用以下技术方案来实现：提供了一种智慧家庭计算机交互装置，包括传感器网络感测模块、人机交互模块、数据处理模块、物联网模块和电气控制模块；所述传感器网络感测模块和人机交互模块分别与计算机处理模块相连接，计算机处理模块通过物联网模块与电气控制模块相连接；所述传感器网络感测模块用于室内环境的实时监测并将室内环境监测数据发送至计算机处理模块；计算机处理模块将接收到的室内环境监测数据与预设数据进行比较，当室内环境监测数据超标时，计算机处理模块将监测结果发送至人机交互模块向用户进行语音播报；用户根据接听到的监测结果，通过人机交互模块向计算机处理模块发出电气控制指令；计算机处理模块根据接收到的电气控制指令，利用物联网模块向电气控制模块发送环境调节指令，由电气控制模块进行室内环境的调节或净化；所述传感器网络感测模块包括汇聚节点和多个部署于室内环境监测区域内的传感器节点，以LEACH算法对由汇聚节点和传感器节点构成的无线传感器网络进行分簇，分成的每个簇包括一个簇头；传感器节点采集的室内环境监测数据发送至所在簇的簇头，簇头将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点；所述汇聚节点与所述计算机处理模块通信连接，以将接收的室内环境监测数据发送至该计算机处理模块。在一种能够实施的方式中，所述电气控制模块包括空调系统、暖气电磁阀、加湿器控制器、空气净化器控制器和开窗器。进一步地，每个传感器节点附近的地面上设有一个定位器，不同的定位器之间均设置有轨道相连，轨道上设置有电动小车，电动小车上设有加湿器和空气净化器；电气控制模块还包括电动小车控制器。其中，所述传感器节点包括温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、二氧化碳传感器、门窗传感器中的一种或多种。本发明的有益效果为：将无线传感器网络和物联网技术应用到智慧家庭中，实现了人与计算机的有效交互，能够对家庭室内的环境进行有效的监测、调节和净化，实用性强。附图说明利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。图1是本发明一个示例性实施例的一种智慧家庭计算机交互装置结构示意框图；图2是本发明一个示例性实施例的电气控制模块的结构示意框图。附图标记：传感器网络感测模块1、人机交互模块2、数据处理模块3、物联网模块4、电气控制模块5、空调系统10、暖气电磁阀20、加湿器控制器30、空气净化器控制器40、开窗器50。具体实施方式结合以下实施例对本发明作进一步描述。图1是本发明一个实施例的一种智慧家庭计算机交互装置结构示意框图。参见图1，本实施例提供的一种智慧家庭计算机交互装置包括传感器网络感测模块1、人机交互模块2、数据处理模块3、物联网模块4和电气控制模块5；所述传感器网络感测模块1和人机交互模块2分别与计算机处理模块相连接，计算机处理模块通过物联网模块4与电气控制模块5相连接；所述传感器网络感测模块1用于室内环境的实时监测并将室内环境监测数据发送至计算机处理模块；计算机处理模块将接收到的室内环境监测数据与预设数据进行比较，当室内环境监测数据超标时，计算机处理模块将监测结果发送至人机交互模块2向用户进行语音播报；用户根据接听到的监测结果，通过人机交互模块2向计算机处理模块发出电气控制指令；计算机处理模块根据接收到的电气控制指令，利用物联网模块4向电气控制模块5发送环境调节指令，由电气控制模块5进行室内环境的调节或净化；所述传感器网络感测模块1包括汇聚节点和多个部署于室内环境监测区域内的传感器节点，以LEACH算法对由汇聚节点和传感器节点构成的无线传感器网络进行分簇，分成的每个簇包括一个簇头；传感器节点采集的室内环境监测数据发送至所在簇的簇头，簇头将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点；所述汇聚节点与所述计算机处理模块通信连接，以将接收的室内环境监测数据发送至该计算机处理模块。在一种能够实施的方式中，如图2所示，所述电气控制模块5包括空调系统10、暖气电磁阀20、加湿器控制器30、空气净化器控制器40和开窗器50。暖气电磁阀20安装在供暖管路上，空调系统10和暖气电磁阀20均可用于温度调节，加湿器用于湿度调节，空气净化器用于用于净化空气，开窗器50用于开关门窗。进一步地，每个传感器节点附近的地面上设有一个定位器，不同的定位器之间均设置有轨道相连，轨道上设置有电动小车，电动小车上设有加湿器和空气净化器；电气控制模块5还包括电动小车控制器。当某个传感器节点的室内环境监测数据超标时，对于温度，可关闭附近的门窗，并利用传感器节点附近的空调或暖气电磁阀20进行温度调节；对于湿度、PM2.5或二氧化碳，可利用计算机处理模块启动电动小车，沿着轨道运行到该传感器节点的定位器附近，进行湿度或空气净化调节。其中，所述传感器节点包括温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、二氧化碳传感器、门窗传感器中的一种或多种。温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、二氧化碳传感器、门窗传感器分别用于监测室内的温度、湿度、PM2.5、二氧化碳和门窗的开关状态。本发明上述实施例将无线传感器网络和物联网技术应用到智慧家庭中，实现了人与计算机的有效交互，能够对家庭室内的环境进行有效的监测、调节和净化，实用性强。在一种能够实施的方式中，簇头通过调节自身的发送功率来调节自己的发送距离；初始时簇头判断自身到汇聚节点的距离是否超过自身的最大发送距离，若不超过，簇头将收集的室内环境监测数据直接发送至汇聚节点；若超过，簇头选择间接的方式将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点；所述间接的方式为：簇头在其通信范围内的簇头即邻居簇头中选择一个距离汇聚节点更近的邻居簇头作为下一跳节点，将所收集的室内环境监测数据发送至下一跳节点，包括：1簇头将相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头作为备选节点；构建备选节点集，并为每个备选节点分配初始优先级：式中，Yij0为簇头i的备选节点j的初始优先级，Li,j为簇头i到备选节点j的距离，Lj,O为所述备选节点j到汇聚节点的距离，Li,k为簇头i到其第k个备选节点的距离，Lk,O为所述第k个备选节点到汇聚节点的距离，ni为簇头i的备选节点集中的备选节点数量；Ni为簇头i的邻居簇头数量，Nj为所述备选节点j的邻居簇头数，Ni∩Nj为簇头i与备选节点j所拥有的共同邻居簇头的数量，α1、α2为预设的权重系数，满足α1+α2＝1；2簇头按照设定的第二周期周期性地获取其备选节点集中各备选节点的信息，根据该信息更新各备选节点的优先级，进而在备选节点集中选择当前优先级最大的备选节点作为下一跳节点，其中优先级的更新公式为：式中，Yijt为簇头i的备选节点j在第t次更新的优先级，Yijt-1为簇头i的备选节点j在第t-1次更新的优先级，λ为预设的衰减系数，λ的取值范围为[0.1,0.2]，hj为所述备选节点j的当前缓存空间，Hj为所述备选节点j的初始缓存空间，Ej为所述备选节点j的当前剩余能量，Ej0为所述备选节点j的初始能量，β1、β2为资源比率的权重因子，满足β1+β2＝1。本实施例创新性地设定了优先级的指标，簇头将相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头作为备选节点，构建备选节点集，并为每个备选节点分配初始优先级，并根据备选节点的资源消耗情况进行定期的优先级更新，在需要选择下一跳节点时，簇头在备选节点集中选择当前优先级最大的备选节点作为下一跳节点。本实施例相应地设计了初始优先级的计算公式以及优先级的更新公式，根据该公式可知，位置较优势的、共有的邻居节点更少以及资源消耗较少的备选节点具有更大的优先级。通过本实施例方式来选择簇头的下一跳节点，实现了下一跳节点的更新，有利于保障室内环境监测数据的可靠转发，平衡各簇头的能耗和负载，进一步有利于延长无线传感器网络的寿命，保障智慧家庭计算机交互装置的稳定运行。在一个实施例中，簇头每次更新备选节点的优先级后，判断各备选节点是否满足下列中继条件，若不满足，传感器节点将该备选节点从备选节点集中剔除：式中，Yijt为簇头i的备选节点j在第t次更新的优先级，Yijt-1为簇头i的备选节点j在第t-1次更新的优先级，Yij0为簇头i的备选节点j的初始优先级，δ为预设的衰减阈值系数，δ的取值范围为[0.4,0.6]。本实施例设定了中继条件，簇头簇头每次更新备选节点的优先级后，判断各备选节点是否满足下列中继条件，若不满足，传感器节点将该备选节点从备选节点集中剔除，有利于使得剩余资源较少的备选节点失去充当下一跳节点的资格，进而有利于提高选择下一跳节点的效率，节省选择下一跳节点的能耗，提高室内环境监测数据传输的效率。在一种能够实施的方式中，将收集的室内环境监测数据直接发送至汇聚节点的簇头按照设定的第一周期，周期性地判断自身的当前剩余能量是否满足能量条件，若满足，簇头仍直接将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点，若不满足，簇头选择间接的方式将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点，所述能量条件为：式中，Ei为簇头i的当前剩余能量，Ei0为簇头i的初始能量，Emin为预设的能量下限，Li,O为簇头i到汇聚节点的距离，Dimax为簇头i的最大通信距离，2为预设的基于能量的衰减因子，2的取值范围为[0.85,0.95]。本实施例中，簇头初始时根据自身到汇聚节点的距离与自身的最大发送距离的比较结果选择合适的方式将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点；进一步地，将收集的室内环境监测数据直接发送至汇聚节点的簇头按照设定的第一周期，周期性地判断自身的当前剩余能量是否满足能量条件，根据是否满足能量条件的结果确定发送室内环境监测数据至汇聚节点的路由方式。本实施例有利于避免能量低的簇头承担过大的室内环境监测数据发送压力，节省能量低的簇头发送室内环境监测数据的能耗，延长簇头的工作时间，进一步保障室内环境监测数据传输至汇聚节点的可靠性，为后续用户通过人机交互模块2向计算机处理模块发出电气控制指令提供可靠的室内环境监测数据基础。通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路、数字信号处理器、数字信号处理设备、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于随机存取存储器、只读内存镜像、带电可擦可编程只读存储器或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

权利要求：1.一种智慧家庭计算机交互装置，其特征是，包括传感器网络感测模块、人机交互模块、数据处理模块、物联网模块和电气控制模块；所述传感器网络感测模块和人机交互模块分别与计算机处理模块相连接，计算机处理模块通过物联网模块与电气控制模块相连接；所述环境监测模块用于室内环境的实时监测并将室内环境监测数据发送至计算机处理模块；计算机处理模块将接收到的室内环境监测数据与预设数据进行比较，当室内环境监测数据超标时，计算机处理模块将监测结果发送至人机交互模块向用户进行语音播报；用户根据接听到的监测结果，通过人机交互模块向计算机处理模块发出电气控制指令；计算机处理模块根据接收到的电气控制指令，利用物联网模块向电气控制模块发送环境调节指令，由电气控制模块进行室内环境的调节或净化；所述传感器网络感测模块包括汇聚节点和多个部署于室内环境监测区域内的传感器节点，以LEACH算法对由汇聚节点和传感器节点构成的无线传感器网络进行分簇，分成的每个簇包括一个簇头；传感器节点采集的室内环境监测数据发送至所在簇的簇头，簇头将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点；所述汇聚节点与所述计算机处理模块通信连接，以将接收的室内环境监测数据发送至该计算机处理模块。2.根据权利要求1所述的一种智慧家庭计算机交互装置，其特征是，簇头通过调节自身的发送功率来调节自己的发送距离；初始时簇头判断自身到汇聚节点的距离是否超过自身的最大发送距离，若不超过，簇头将收集的室内环境监测数据直接发送至汇聚节点；若超过，簇头选择间接的方式将收集的室内环境监测数据发送至汇聚节点；所述间接的方式为：簇头在其通信范围内的簇头即邻居簇头中选择一个距离汇聚节点更近的邻居簇头作为下一跳节点，将所收集的室内环境监测数据发送至下一跳节点，包括：1簇头将相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头作为备选节点；构建备选节点集，并为每个备选节点分配初始优先级：式中，Yij0为簇头i的备选节点j的初始优先级，Li,j为簇头i到备选节点j的距离，Lj,O为所述备选节点j到汇聚节点的距离，Li,k为簇头i到其第k个备选节点的距离，Lk,O为所述第k个备选节点到汇聚节点的距离，ni为簇头i的备选节点集中的备选节点数量；Ni为簇头i的邻居簇头数量，Nj为所述备选节点j的邻居簇头数，Ni∩Nj为簇头i与备选节点j所拥有的共同邻居簇头的数量，α1、α2为预设的权重系数，满足α1+α2＝1；2簇头按照设定的第二周期周期性地获取其备选节点集中各备选节点的信息，根据该信息更新各备选节点的优先级，进而在备选节点集中选择当前优先级最大的备选节点作为下一跳节点，其中优先级的更新公式为：式中，Yijt为簇头i的备选节点j在第t次更新的优先级，Yijt-1为簇头i的备选节点j在第t-1次更新的优先级，λ为预设的衰减系数，λ的取值范围为[0.1,0.2]，hj为所述备选节点j的当前缓存空间，Hj为所述备选节点j的初始缓存空间，Ej为所述备选节点j的当前剩余能量，Ej0为所述备选节点j的初始能量，β1、β2为资源比率的权重因子，满足β1+β2＝1。3.根据权利要求2所述的一种智慧家庭计算机交互装置，其特征是，簇头每次更新备选节点的优先级后，判断各备选节点是否满足下列中继条件，若不满足，传感器节点将该备选节点从备选节点集中剔除：式中，Yijt为簇头i的备选节点j在第t次更新的优先级，Yijt-1为簇头i的备选节点j在第t-1次更新的优先级，Yij0为簇头i的备选节点j的初始优先级，δ为预设的衰减阈值系数，δ的取值范围为[0.4,0.6]。4.根据权利要求2或3所述的一种智慧家庭计算机交互装置，其特征是，所述电气控制模块包括空调系统、暖气电磁阀、加湿器控制器、空气净化器控制器和开窗器。5.根据权利要求4所述的一种智慧家庭计算机交互装置，其特征是，每个传感器节点附近的地面上设有一个定位器，不同的定位器之间均设置有轨道相连，轨道上设置有电动小车，电动小车上设有加湿器和空气净化器；电气控制模块还包括电动小车控制器。6.根据权利要求4所述的一种智慧家庭计算机交互装置，其特征是，所述传感器节点包括温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、二氧化碳传感器、门窗传感器中的一种或多种。

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