基于GA的动态路由算法在智能家居系统中的应用_贾蒙

TECHNOLOGY科技纵横2009.12CHINA EQUIPMENT基于GA 的动态路由算法在智能家居系统中的应用文／贾蒙姬清华【摘要】在设计基于电力线载波通信的智能家居系统时，为应对电力线信道的时变性和随机性特征而提出了一套基于遗传算法思想的动态路由算法，以实时寻找传输路径，调度载波信号在各个节点间的传输。

采用此算法可成功实现某个组控与其下属终端之间以及总控和各组控之间的通信。

本算法中，除控制器节点外的其它节点都采用相同的驱动程序，因而实现了节点的即插即用。

【关键词】路由算法遗传算法电力线载波通信智能家居系统引言智能家居(Smart Home)是以住宅为平台兼备网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、服务管理为一体的高效、舒适、安全、便利的居住环境[1]。

随着电力线载波通信技术的发展和成熟，将电力线载波通信技术引入智能家居领域将会对智能家居的发展和普及起到积极的推动作用。

采用低压电力线实现家居智能化，可避免破坏墙壁、另行穿墙过孔的麻烦，同时可节省重新布线的开支[2]；但同时也必须解决几个难题，其中最重要的是找到抑制噪声干扰和对抗信号衰减的技术手段。

基于电力线载波通信技术的智能家居系统在硬件上可采用总控、组控、终端三层结构。

总控与组控、组控与组控、组控与终端、终端与终端间的通信路径是随电力线信道环境的变化而变化的，信号衰减严重，因此必须设计一套合适的路由算法来调度载波信号在各个节点间的传输。

本文针对持续变化的家庭电力线信道环境，提出一种基于遗传算法思想的动态路由算法。

1.智能家居系统中的电力线载波通信路由算法1.1概述基于电力线载波通信的智能家居系统采用三层结构，其中总控器是系统的控制中心，组控器布置在每个房间，是系统的中间级，信息的转发器，可以控制其下属的终端控制器，终端控制器是系统的底层，由它执行家电工作状态的控制。

为表述方便，在下文中将统一把主控器、组控器、终端称为节点。

总控将控制命令加载到电力线上，经过若干个中继节点（组控器）中继后到达目标节点（组控器）的调制解调器，该调制解调器收到信号并校验无误后通过中继回送给总控一个应答信号。

组控与终端节点的通信方式与之类似。

本文将以单个房间中组控节点与终端节点之间的通信为例，重点说明在组控器和终端目标节点之间寻找可靠传输路径的路由算法。

组控节点编号为0，其余终端节点依次编号，同时将此编号作为节点的物理ID 。

由于单个房间内节点数不多，为避免电力线上的信号冲突，各节点（包括组控节点和终端节点）之间可采用轮叫轮询的方式进行通信。

即按顺序循环轮流将各个节点接入与指定节点通信，如无请求则转下一个节点。

另外，所设计的载波通信路由算法须能应对未知和时变的电力线信道特征，并能实现节点的即插即用。

1.2遗传算法用于网络路由问题的求解网络路由算法的目的是生成从信号源节点到目标节点的路由，同时使得网络的性能最大，通讯费用最小。

一个网络可以看作是一个无向加权图G=(V,E)。

其中V 为节点集，E 为节点间的路径集[3]。

在V 中确定信号的源节点和目标节点后，即可采用遗传算法进行路由问题的求解。

1.2.1编码的设计设αij 表示第i 个结点到第j 个结点的路径信息,l ≤i ≤N,l ≤j ≤N,(其中i,j 均取条件中的整数值,N 为网络中的结点的个数)。

如αij 就表示第1个结点到第j 个结点的路径信息，若为零就表示两个结点间无直接路径存在；不为零则表示这两个结点间存在一条权值为αij 的路径。

因此在算法中每个个体是一个由源结点开始，指向目标结点的实际存在路径的一序列有顺序的点的集合。

1.2.2初始群体的生成(1)首先查找每一个点到别的点之间的关系，找出从该点到别的点的个数并保存在一个数组中，同时保存相关间的路径信息。

(2)设置个体点的集合信息，将每一个个体初始化成零个体。

(3)初始化时，由第一个结点开始，先判断当前结点到下一个结点间是否存在直接连接，若不存在任何连接，则完成对该个体的初始化；若存在连接，则随机在存在的结点中选择一个结点，并把它当成一个新的当前结点；重复判断操作，直到完成对本个体的初始化。

同样，进行初始化其它个体，最终完成整个群体的初始化。

1.2.3遗传算法适应度函数根据个体所指示的路径信息，判断这条路径中每两个点间连接状况，若两点间存在直接连接且没有到达最后一个点，则将适应值的值加上当前两点间的路径权值；若不存在连接，则将适应值加上惩罚值；最后保存该个体的适应值，以便在选择时进行优先选择。

对每一个个体进行此操作，直到整个群体适应度求解完毕。

最后根据计算结果确定是否更新（当前）最佳路径信息。

算法中选择机制采用适应度比例法(即赌轮选择)实现选择。

在赌轮选择机制中，各个个体的选择概率和其适应值成正例。

设群体大小为n,其中个体i 的适应度为f i ，则i 被选择的概率p si 为:概率P si 反映了个体i 的适应度在整个群体的个体适应度总和中所占的比例。

个体适应度越大,其被选择的概率就越高，反之亦然。

按上式计算出群体中各个个体的选择概率后,就可以决定哪些个体被选出。

可采用一点交叉，但因路径交叉以后出现实际不存在的路径，需要对交叉采取一定的限止措施，防止交叉后出现不存在的路径。

并对生成的新个体做相应的修正，使其成为满足条件的新个体。

也可采用常规变异策略，变异后再根据确定的位对原来的个体进行修正，防止出现不存在的路径，避免程序发生异常[4]。

1.3遗传算法特点在本文所提出的动态更新路由算法中，将借鉴遗传算法的思想，套用其求解网络路由问题的基本框架，来设计载波信号传输路径的搜索算法。

它和通用的遗传算法有不同之处：由于电力线信道环境不断变化，所有节点间均不存在与时间无关的最佳信号传输路径。

本文提出的动态路由算法首先建立路由信息表并对它进行初始化。

算法通过控制信号和确认信号的传输来判断结点间是否存在连接。

对一个个体的初始化可看作一条路径生成的过程。

算法中每个个体的适应值被定义为该路径的所有权值之和的倒数。

一个路径所有权值之和越小，表明相应个体（路径）越优质，其适应值也就越大[5]。

通过系统运行过程中群体适应度的求解以及这些个体的遗传操作（选择、交叉、变异），不断寻找当前电力线信道环境下的最佳路径（个体）并适时更新路由信息表。

具体算法包括路由信息表建立和路由实现两个模块。

以下分别对其进行讨论。

2.路由信息表建立动态更新路由算法中的路由信息表是一个记录电力线信道环境状况信息并适时更新的矩阵。

路由信息表在每次组控器完成控制操作后进行群体适应度求解，根据计算结果确定是否更新（修改）路由信息表，以应对处于持续变化中的电力线信道环境。

若系统有N 个节点（包括组控和终端），则路由信息表是一个(N+1)*(N+1)阶的矩阵。

(下转第258页)253T ECHNOLOGY科技纵横2009.12CHINA EQUIPMENT(上接第253页)建立路由信息表的流程如图1所示。

3.路由实现路由实现分五个步骤进行：路径搜索、路径评价、路径选择、信号传输、路由表更新。

由于在动态更新路由算法的路由表建立过程中，节点可以对多个轮询信号应答，所以从组控到任一终端节点的路径数量都可能大于一条。

因此，当确定需要被操作的目标节点后，首先必须通过搜索路由信息表寻找到所有从组控到达目标节点的路径的集合。

搜索到从组控到达目标节点的所有路径后，接下去需要对这些路径进行评价、选择。

在本文算法中，个体适应值表示各个路径的信道情况，它被定义为该路径的所有权值之和的倒数。

路径权值之和反映了中继节点的多少。

如果中继节点数目多，则不但会提高整个网络的负载，而且会延长控制信号和确认信号的传输时间。

因此应当选择中继节点最少的路径。

综上，选择路径的适应值作为评价指标，适应值越大路径越佳。

算法通过控制信号和确认信号的传输来判断节点间是否存在连接。

对一个个体的初始化可看作一条路径生成的过程。

通过系统运行过程中这些个体的遗传操作，以寻找当前电力线信道环境下的最佳路径。

这个过程就是路径的选择。

完成路径选择后，组控器发出控制信号，控制信号经过选中的路径上的节点中继后到达目标节点；目标节点收到控制信号后，发送确认信号，确认信号经过同样的传输路径回到组控器。

如果在信号传输过程中没有出现问题，则组控将在规定时间内收到确认信号。

本文中，路由信息表中的元素的值表示各路段传输载波信号的能力，若载波信号能成功在某一路段上通过，则需要增加代表此路段的路由信息表中的元素值，以表示此路段更加“可靠”。

若由概率选择得到的路径为1→r n→r(n一1)→…r1→t，则分别令α1，r n=α1，r n+2、αr n,r(n-1)=αm,r(n-1)+2……αr1,t=αr1,t+2如果相加后的α1，r n、αr n,r(n-1)、……αr1,t超过255，则取255。

如果主机没有在规定时间内收到确认信号，则认为此次信号传输失败，载波信号经过的传输路径相对“不可靠”，需要减少代表此路径所有路段的路由信息表中的元素值。

若选择的路径为1→r n→r(n-1)→…rl→t，则分别令对路由信息表修改完毕后，根据新路由信息表中的数据重新进行路径评估、路径选择，并按选定的路径重新发送控制信号。

结语采用电力线载波通信技术实现家居智能化，难点在于对抗电力线上严重的信号衰减，成功实现系统各节点之间的正常通信，本论文设计出一种基于遗传算法思想的动态路由算法。

经实验此路由算法能够应对未知和时变的电力线信道特征，并能实现节点的即插即用。

参考文献[1]汪波，黄佩伟，钟幼平．基于电力线信道的智能家居系统[J]．电讯技术，2007，47(2)：140-143.[2]宋倩．基于电力线通信技术的智能家居系统的设计与开发[D]．北京．中国电力科学研究院．2003.[3]俞天白．基于电力线载波通信技术的照明控制系统的设计[D]．杭州．浙江大学．2006.[4]江务学，李成银，李黎明．一种基于遗传算法网络最短路径的求解[J]．沙洋师范高等专科学校学报，2007，39(5)：39-41.[5]陈曦，蔡辉，柳林．基于遗传算法的路径安排[J]．长沙交通学院学报，2005，21(4)：76-80.作者简介：贾蒙，河南新乡人，（1981.12-），主要研究方向为电路系统设计。

（作者单位：新乡学院机电学院）理的,保证不了密封所需的压缩量,据表3可见材料选择是合理的(橡胶I─4)2.6橡胶I─4与工作介质是否相容工作介质是N100抗磨液压油,O形圈用的是丁晴胶,二者相容不会因此引起漏油。

2.7无垂直度要求有引起泄露的可能S3─0601024堵要求与S3─0601020A压装后加工,这样为了保证与的同轴度还应该要求右端面与轴线的垂直度,否则就有可能存在较大的同轴度误差,又由于沟槽尺寸设计的不合理,压缩量很小,有可能某个部位根本就没有压缩量,必然产生泄露。