JESS的智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計方案

0 引 言

隨著社會的不斷發(fā)展和人們收入的不斷增加，人們開始越來越關(guān)注生活條件的安全性和生活質(zhì)量的可靠性，個人用戶對家庭安全需求的增長越來越快。與此同時，傳統(tǒng)的機械式或單純依靠人為控制和操作的安防系統(tǒng)在實際的使用中暴露出了很多隱患和不足，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到人們對智能生活的要求;隨著計算機技術(shù)的普及，智能化數(shù)字家庭在人們對美好生活的呼聲中迅速崛起，而安防系統(tǒng)作為整個數(shù)字家庭系統(tǒng)安全的重要組成部分，其可靠性、智能性和安全性將直接影響到數(shù)字家庭系統(tǒng)的實現(xiàn)。

因此，本文提出了基于JESS專家系統(tǒng)的智能家居安防系統(tǒng)。

1 技術(shù)綜述

1.1 JESS和其工作原理

JESS是在1995年由美國Sandia國家實驗室成員開發(fā)的一個規(guī)則引擎，是一種使用Java語言編寫的腳本環(huán)境。它強大的腳本語言能力能夠為用戶提供所有的Java的API.JESS小巧、靈活，并且是已知規(guī)則引擎中最快的。

JESS采用產(chǎn)生式規(guī)則作為基本的知識表達(dá)模式，其核心包括事實庫、規(guī)則庫、推理機三大部分。其中推理機由模式匹配、沖突集、執(zhí)行引擎組成，規(guī)則庫與事實庫則組成知識庫。執(zhí)行引擎按一定優(yōu)先級激活沖突集當(dāng)中的規(guī)則，修改事實庫。循環(huán)這個過程，直到事實庫無變化推理結(jié)束。其中事實包括簡單事實和對象事實，匹配是指JESS通過模式匹配語言對事實行操作，而JESS中的規(guī)則庫是中心數(shù)據(jù)庫，存儲了各個領(lǐng)域模擬人類問題求解的產(chǎn)生式規(guī)則。

1.2 傳感器

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出信號的器件或裝置。傳感器種類是非常繁多的，例如本文用到防燃?xì)庑孤?strong>子系統(tǒng)則采用氣體傳感器，當(dāng)檢測到空氣中燃?xì)獾臐舛瘸^閾值的時候，傳送信號給專家系統(tǒng)，從而觸發(fā)報警。

1.3 無線傳感技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域大量的智能微型傳感器節(jié)點組成，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者或控制中心，無線傳感網(wǎng)絡(luò)是以無線的方式進(jìn)行通信的，需要低功耗、短距離的無線通信技術(shù)來實現(xiàn)。本文采用ZigBee技術(shù)，其擁有一套非常完整的協(xié)議層次結(jié)構(gòu)，具有低功耗、低成本、延時短、網(wǎng)絡(luò)容量大和安全可靠等特點，完全滿足本系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)特性

依據(jù)住戶家庭內(nèi)部安防的需求，本系統(tǒng)可劃分為如下子系統(tǒng)：門禁子系統(tǒng)、防盜報警子系統(tǒng)、防火災(zāi)報警子系統(tǒng)、防燃?xì)庑孤┳酉到y(tǒng)。故系統(tǒng)具有以下特征：

(1)系統(tǒng)的自動性通過相對應(yīng)的傳感器，系統(tǒng)能夠?qū)彝?nèi)部的狀況進(jìn)行時時刻刻的自動檢測。門禁子系統(tǒng)能夠檢測整個家庭的門窗的開閉情況;防盜報警子系統(tǒng)能夠檢測家庭是否遭到暴力入侵;防火災(zāi)報警子系統(tǒng)能夠檢測火災(zāi)和煙塵;防燃?xì)庑孤蹲酉到y(tǒng)能夠檢測空氣中天然氣的濃度等。

具體的本文僅以防火災(zāi)報警子系統(tǒng)為例進(jìn)行如下說明：通常情況下，當(dāng)有意外火災(zāi)發(fā)生時，室內(nèi)會產(chǎn)生大量的煙霧，同時產(chǎn)生大量的煙霧，因此，通過感煙探測器檢測室內(nèi)煙霧的濃度或檢測室內(nèi)溫度，就能夠判斷家庭內(nèi)部是否發(fā)生火災(zāi)，從而能夠及時發(fā)現(xiàn)火情，傳送信號給專家系統(tǒng)，通過專家系統(tǒng)報警，從而最大限度的降低火災(zāi)造成的損失。

(2)系統(tǒng)的實時性和安全性系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測到的異常狀況做出實時的反應(yīng)，保證家庭內(nèi)部和人員的安全。例如當(dāng)防燃?xì)庑孤蹲酉到y(tǒng)檢測到空氣中天然氣的濃度偏高會自動關(guān)閉天然氣閥門并能夠開窗及時通風(fēng)，待恢復(fù)正常后再關(guān)閉窗戶。

(3)系統(tǒng)的可控性系統(tǒng)的工作狀態(tài)可劃分為全布防狀態(tài)、半布防狀態(tài)和撤防狀態(tài)。主人可根據(jù)具體的情況進(jìn)行靈活的配置。

全布防狀態(tài)適用于家中無人時，所有設(shè)備均設(shè)防。半布防狀態(tài)可對一定防護區(qū)進(jìn)行布防，適用于家中人員處于睡眠狀態(tài)或只在單一區(qū)域進(jìn)行活動的狀態(tài)。撤防狀態(tài)：

撤防狀態(tài)適用于家中有人活動時，所有設(shè)備均處于撤防狀態(tài)，所有活動信息均不會被設(shè)備采集。這樣靈活的配置可以提高系統(tǒng)的靈活性和避免錯誤報警。

(4)系統(tǒng)的可升級性系統(tǒng)的控制是由自定義的專家系統(tǒng)來控制，有利于對系統(tǒng)進(jìn)行升級。

2.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要有三個功能模塊：專家系統(tǒng)模塊、識別模塊(主要是傳感器模塊)，以及執(zhí)行設(shè)備模塊(包括自動報警機、語音電路、各輸入輸出設(shè)備、門禁設(shè)備等)。

如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

專家系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的"心臟",由它來接收和處理檢測到的信號，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則與事實匹配，做出及時的響應(yīng)，并且還要協(xié)調(diào)各模塊各設(shè)備的正常工作。

前端探測器主要是指傳感器，主要是負(fù)責(zé)對探測區(qū)域內(nèi)異常情況發(fā)生時各種參數(shù)(門窗的開閉、室內(nèi)煙霧濃度、天然氣濃度等)的檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將實際參數(shù)通過無線傳送的方式傳遞給專家系統(tǒng)。

輸入輸出設(shè)備包括鍵盤、報警蜂鳴器、按鈕或開關(guān)、各類指示燈等。鍵盤用于用戶密碼的輸入、修改、預(yù)存短信通知的電話號碼的輸入等。報警蜂鳴器和各類指示燈用于聲音報警和系統(tǒng)不同工作狀態(tài)的指示。按鈕或開關(guān)用于電路的調(diào)試及布防狀態(tài)的選擇等。

語音設(shè)備：主要用于門禁系統(tǒng)。

短消息模塊：主要將異常狀況通過短消息發(fā)送給住戶。

無線通信模塊負(fù)責(zé)專家系統(tǒng)與傳感器之間的信息傳輸任務(wù)。

電源電路配合后備電源完成緊急情況下的系統(tǒng)供電，防止因為暫時的斷電而造成的安防失控。

3 實驗的仿真模擬

3.1 判別匹配規(guī)則的推理機制

本系統(tǒng)的專家系統(tǒng)是使用JESS規(guī)則語言來描述判決規(guī)則的，用JESS來描述的判決規(guī)則都具有LHS和RHS兩部分構(gòu)成的統(tǒng)一形式。其中LHS部分是由不同的模式構(gòu)成，這些模式是用來匹配規(guī)則引擎中的事實，而RHS部分匹配完成后的執(zhí)行動作。例如LHS部分描述的是判斷燃?xì)馐欠癯^閾值的判決規(guī)則，RHS部分則描述的是諸如打開窗戶通風(fēng)、發(fā)出報警信號、短信通知戶主等執(zhí)行動作。對于同一個判決規(guī)則，只有LHS中所有的模式都與事實(即傳感器傳送過來的信號)匹配時，該規(guī)則才能被激活，RHS的動作才能夠執(zhí)行。

根據(jù)上述描述，系統(tǒng)收到判決請求時，判決規(guī)則在規(guī)則引擎中的執(zhí)行流程描述如下：

當(dāng)專家系統(tǒng)接收到檢測設(shè)備傳送的請求信號時，規(guī)則引擎毀在判決事實緩沖區(qū)中自動生成一個refact事實。

如果refact事實與映射規(guī)則中的第N 個模式nfact成功匹配，則映射規(guī)則被激活。

映射規(guī)則nfact的RHS動作被執(zhí)行，將執(zhí)行指令傳送給執(zhí)行設(shè)備。

3.2 邏輯表示和推理

在系統(tǒng)中，規(guī)則的實施需要相應(yīng)的上下文支持。例如："當(dāng)專家系統(tǒng)接收到識別設(shè)備傳送的觸發(fā)信號時，專家系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的信息和知識基礎(chǔ)將信號轉(zhuǎn)化為("怎么了?")的問題，隨后將產(chǎn)生的"問題"傳送到規(guī)則引擎中進(jìn)行事實的匹配：

(1)識別設(shè)備(觸發(fā)信號)∧控制設(shè)備(接收信號);

(2)控制設(shè)備(執(zhí)行)∧控制設(shè)備(傳送信息給控制設(shè)備)∧識別模塊(接收信息);

(3)識別設(shè)備(標(biāo)識信息，數(shù)據(jù)庫和知識庫)∧控制設(shè)備(探測和識別的信息);

(4)控制設(shè)備(信息)∧執(zhí)行設(shè)備(檢測結(jié)果，執(zhí)行命令) ;

上述過程也可以使用下列公式表示：

?i∈I,?c,Cr ∈C,?e∈Ee,?d ∈D,?k∈K[identify(i)∧pass(i,c)∧judge(c)∧pass(c,i)∧compose(i,d,k)∧result((i,d,k)，r)∧pass(r,Cr)∧judge(Cr)→execution(e)]

3.3 判別規(guī)則執(zhí)行機制的驗證

實驗場景：實驗場景包括防火子系統(tǒng)，防盜子系統(tǒng)和防天然氣子系統(tǒng)。當(dāng)響應(yīng)的傳感器接收到傳感器的"異常檢測信號",信號會立即傳送給專家系統(tǒng)，由專家系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則做出響應(yīng)。

實驗數(shù)據(jù)：實驗中所描述數(shù)據(jù)，主要包括兩種類型，一類是對基本事實的聲明(是對家庭內(nèi)部各種數(shù)據(jù)正常情況的模擬)，另一類是各種規(guī)則(判決規(guī)則和映射規(guī)則，即對各種突發(fā)情況臨界值的界定和判斷)的定義，限于篇幅，本文做了最大程度的精簡，僅給出基本事實的聲明和判決規(guī)則來模擬現(xiàn)實生活。

實驗環(huán)境：一臺PC機(2.26GHz的CPU,2GB內(nèi)存)，操作系統(tǒng)Microsoft Windows 7,規(guī)則引擎JESS(Ver 7.1p4)等。

實驗?zāi)康模和ㄟ^上述實驗，演示上述判決規(guī)則的抽象執(zhí)行流程，用仿真模擬的方式來證明該專家系統(tǒng)是可靠的。

實驗結(jié)果分析：本次實驗中，為了便于理解實驗過程，在對實驗數(shù)據(jù)文件的處理上，不管是聲明事實，還是定義規(guī)則等，本文都做了最大程度的精簡，僅使用關(guān)鍵的概念斷言事實(即模擬的各種突發(fā)狀況)。實際情況復(fù)雜的實驗可以在此基礎(chǔ)上，通過添加各種詳細(xì)的斷言事實來完成。本實驗僅僅是模擬，但根據(jù)應(yīng)用場景的描述，實驗結(jié)果是正確的，符合預(yù)定的判斷，判決規(guī)則的有效性得到了驗證，從而證明本文設(shè)計的判決規(guī)則的執(zhí)行流程是可實施的。輸出結(jié)果見圖2。

圖2 輸出結(jié)果

4 結(jié) 論

基于JESS專家系統(tǒng)的智能家居安防系統(tǒng)，運用了控制技術(shù)實現(xiàn)了對室內(nèi)全方位、立體的、完善的火災(zāi)探測、門窗防撬、防燃?xì)庑孤兜戎悄馨卜缊缶詣踊裙δ?，可靠性高、使用簡單、成本低廉，能夠滿足一般的家庭需求。該系統(tǒng)充分利用了局域網(wǎng)內(nèi)通信上的優(yōu)勢，實現(xiàn)了報警迅速、實時檢測等功能，還能對該系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級和整合新的功能模塊，滿足智能家居未來發(fā)展的需求。所以，隨著無線通信技術(shù)、Internet技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)還可以用在銀行、圖書館、大型超市等需要安防的地方，應(yīng)用極其廣泛，具有可開發(fā)性和可拓展性。