基于JESS的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)目前世界智能家居安防市場(chǎng)和安防技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提出了基于JESS的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先介紹系統(tǒng)是根據(jù)基于JESS的專家系統(tǒng)、嵌入式和無線傳感器等技術(shù)進(jìn)行研究的，系統(tǒng)的組成包括門禁子系統(tǒng)、防盜報(bào)警子系統(tǒng)、防火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)、防燃?xì)庑孤┳酉到y(tǒng)等?；贘ava語言開發(fā)的規(guī)則引擎JESS專家系統(tǒng)，能夠根據(jù)家庭內(nèi)發(fā)生的場(chǎng)景來判斷家庭狀況是否處于安全狀態(tài)，并對(duì)非安全狀態(tài)做出及時(shí)反映。最后的仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：安防系統(tǒng)；JESS；智能家居；傳感器

0 引言
    隨著社會(huì)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(gè)人用戶對(duì)家庭安全需求的增長(zhǎng)越來越快。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的機(jī)械式或單純依靠人為控制和操作的安防系統(tǒng)在實(shí)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(duì)智能生活的要求；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，智能化數(shù)字家庭在人們對(duì)美好生活的呼聲中迅速崛起，而安防系統(tǒng)作為整個(gè)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(shí)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(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室成員開發(fā)的一個(gè)規(guī)則引擎，是一種使用Java語言編寫的腳本環(huán)境。它強(qiáng)大的腳本語言能力能夠?yàn)橛脩籼峁┧械腏ava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(shí)表達(dá)模式，其核心包括事實(shí)庫、規(guī)則庫、推理機(jī)三大部分。其中推理機(jī)由模式匹配、沖突集、執(zhí)行引擎組成，規(guī)則庫與事實(shí)庫則組成知識(shí)庫。執(zhí)行引擎按一定優(yōu)先級(jí)激活沖突集當(dāng)中的規(guī)則，修改事實(shí)庫。循環(huán)這個(gè)過程，直到事實(shí)庫無變化推理結(jié)束。其中事實(shí)包括簡(jiǎn)單事實(shí)和對(duì)象事實(shí)，匹配是指JESS通過模式匹配語言對(duì)事實(shí)行操作，而JESS中的規(guī)則庫是中心數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)了各個(gè)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(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出信號(hào)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)庑孤蹲酉到y(tǒng)則采用氣體傳感器，當(dāng)檢測(cè)到空氣中燃?xì)獾臐舛瘸^閾值的時(shí)候，傳送信號(hào)給專家系統(tǒng)，從而觸發(fā)報(bào)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(cè)區(qū)域大量的智能微型傳感器節(jié)點(diǎn)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(duì)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(shí)現(xiàn)。本文采用Zig Bee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(shí)短、網(wǎng)絡(luò)容量大和安全可靠等特點(diǎn)，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(bào)警子系統(tǒng)、防火災(zāi)報(bào)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(dòng)性
    通過相對(duì)應(yīng)的傳感器，系統(tǒng)能夠?qū)彝?nèi)部的狀況進(jìn)行時(shí)時(shí)刻刻的自動(dòng)檢測(cè)。門禁子系統(tǒng)能夠檢測(cè)整個(gè)家庭的門窗的開閉情況；防盜報(bào)警子系統(tǒng)能夠檢測(cè)家庭是否遭到暴力入侵；防火災(zāi)報(bào)警子系統(tǒng)能夠檢測(cè)火災(zāi)和煙塵；防燃?xì)庑孤蹲酉到y(tǒng)能夠檢測(cè)空氣中天然氣的濃度等。
    具體的本文僅以防火災(zāi)報(bào)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(shí)，室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧，同時(shí)產(chǎn)生大量的煙霧，因此，通過感煙探測(cè)器檢測(cè)室內(nèi)煙霧的濃度或檢測(cè)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(shí)發(fā)現(xiàn)火情，傳送信號(hào)給專家系統(tǒng)，通過專家系統(tǒng)報(bào)警，從而最大限度的降低火災(zāi)造成的損失。
    (2)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和安全性
    系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測(cè)到的異常狀況做出實(shí)時(shí)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(cè)到空氣中天然氣的濃度偏高會(huì)自動(dòng)關(guān)閉天然氣閥門并能夠開窗及時(shí)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(shí)，所有設(shè)備均設(shè)防。半布防狀態(tài)可對(duì)一定防護(hù)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(dòng)的狀態(tài)。撤防狀態(tài)：
撤防狀態(tài)適用于家中有人活動(dòng)時(shí)，所有設(shè)備均處于撤防狀態(tài)，所有活動(dòng)信息均不會(huì)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(cuò)誤報(bào)警。
    (4)系統(tǒng)的可升級(jí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。
2．2 系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)主要有三個(gè)功能模塊：專家系統(tǒng)模塊、識(shí)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(dòng)報(bào)警機(jī)、語音電路、各輸入輸出設(shè)備、門禁設(shè)備等)。如圖1所示。

    專家系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的“心臟”，由它來接收和處理檢測(cè)到的信號(hào)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則與事實(shí)匹配，做出及時(shí)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(cè)器主要是指?jìng)鞲衅?，主要是?fù)責(zé)對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)異常情況發(fā)生時(shí)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(cè)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將實(shí)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(bào)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(hào)碼的輸入等。報(bào)警蜂嗚器和各類指示燈用于聲音報(bào)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?yàn)闀簳r(shí)的斷電而造成的安防失控。

3 實(shí)驗(yàn)的仿真模擬
3．1 判別匹配規(guī)則的推理機(jī)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(shí)，而RHS部分匹配完成后的執(zhí)行動(dòng)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(bào)警信號(hào)、短信通知戶主等執(zhí)行動(dòng)作。對(duì)于同一個(gè)判決規(guī)則，只有LHS中所有的模式都與事實(shí)(即傳感器傳送過來的信號(hào))匹配時(shí)，該規(guī)則才能被激活，RHS的動(dòng)作才能夠執(zhí)行。
    根據(jù)上述描述，系統(tǒng)收到判決請(qǐng)求時(shí)，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(cè)設(shè)備傳送的請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，規(guī)則引擎毀在判決事實(shí)緩沖區(qū)中自動(dòng)生成一個(gè)refact事實(shí)。
    如果refact事實(shí)與映射規(guī)則中的第N個(gè)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(dòng)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(shí)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(shí)別設(shè)備傳送的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，專家系統(tǒng)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的信息和知識(shí)基礎(chǔ)將信號(hào)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(shí)的匹配：
    (1)識(shí)別設(shè)備(觸發(fā)信號(hào))∧控制設(shè)備(接收信號(hào))；
    (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(shí)別模塊(接收信息)；
    (3)識(shí)別設(shè)備(標(biāo)識(shí)信息，數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫)∧控制沒備(探測(cè)和識(shí)別的信息)；
    (4)控制設(shè)備(信息)∧執(zhí)行設(shè)備(檢測(cè)結(jié)果，執(zhí)行命令)
    上述過程也可以使用下列公式表示：
   
3．3 判別規(guī)則執(zhí)行機(jī)制的驗(yàn)證
    實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景：實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(cè)信號(hào)”，信號(hào)會(huì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：實(shí)驗(yàn)中所描述數(shù)據(jù)，主要包括兩種類型，一類是對(duì)基本事實(shí)的聲明(是對(duì)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(duì)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(jiǎn)，僅給出基本事實(shí)的聲明和判決規(guī)則來模擬現(xiàn)實(shí)生活。
    實(shí)驗(yàn)環(huán)境：一臺(tái)PC機(jī)(2．26 GHz的CPU，2 GB內(nèi)存)，操作系統(tǒng)Microsoft Windows 7，規(guī)則引擎JESS(Ver 7．1p4)等。
    實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^上述實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：本次實(shí)驗(yàn)中，為了便于理解實(shí)驗(yàn)過程，在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件的處理上，不管是聲明事實(shí)，還是定義規(guī)則等，本文都做了最大程度的精簡(jiǎn)，僅使用關(guān)鍵的概念斷言事實(shí)(即模擬的各種突發(fā)狀況)。實(shí)際情況復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)可以在此基礎(chǔ)上，通過添加各種詳細(xì)的斷言事實(shí)來完成。本實(shí)驗(yàn)僅僅是模擬，但根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的描述，實(shí)驗(yàn)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(yàn)證，從而證明本文設(shè)計(jì)的判決規(guī)則的執(zhí)行流程是可實(shí)施的。輸出結(jié)果見圖2。

4 結(jié)論
    基于JESS專家系統(tǒng)的智能家居安防系統(tǒng)，運(yùn)用了控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)全方位、立體的、完善的火災(zāi)探測(cè)、門窗防撬、防燃?xì)庑孤兜戎悄馨卜缊?bào)警自動(dòng)化等功能，可靠性高、使用簡(jiǎn)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(shì)，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警迅速、實(shí)時(shí)檢測(cè)等功能，還能對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行軟件升級(jí)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。