摘 要：根據目前世界智能家居安防市場和安防技術的發展趨勢，提出了基于JESS的智能家居安防系統設計。首先介紹系統是根據基于JESS的專家系統、嵌入式和無線傳感器等技術進行研究的，系統的組成包括門禁子系統、防盜報警子系統、防火災報警子系統、防燃氣泄漏子系統等。基于Java語言開發的規則引擎JESS專家系統，能夠根據家庭內發生的場景來判斷家庭狀況是否處于安全狀態，并對非安全狀態做出及時反映。最后的仿真結果驗證了系統的設計。
關鍵詞：安防系統; JESS; 智能家居; 傳感器
中圖分類號：
TN711-34; TP277
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)05
-0134
-03
Design of smart home security system based on JESS
GONG Yuan-peng, DING Xiang-qian, WANG Xiao-dong
(School of Computer Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)
Abstract：
An expert system of security alarm monitoring for smart home filed based on JESS was designed according to the tendency development of security market worldwide and the deep-level development of security technology. The technology of the expert system based on JESS, embedded technology and wireless sensor is introduced. It mainly includes access control subsystem, steal precaution subsystem, fire alarm subsystem and gas leak subsystem. The expert system based on JESS rules engine is developed by Java, which is able to detect whether the family members and family situation in a safety state according to the various scenes within a family. Finally the system is proved by the simulation results.
Keywords： security alarm monitoring; JESS; smart home; sensor
收稿日期：2011-10-08
基金項目：2011年國家科技支撐計劃項目“數字家庭服務關鍵支撐技術研發應用示范”(2011BAH16B03)
0 引 言
隨著社會的不斷發展和人們收入的不斷增加，人們開始越來越關注生活條件的安全性和生活質量的可靠性，個人用戶對家庭安全需求的增長越來越快。與此同時，傳統的機械式或單純依靠人為控制和操作的安防系統在實際的使用中暴露出了很多隱患和不足，遠遠達不到人們對智能生活的要求；隨著計算機技術的普及，智能化數字家庭在人們對美好生活的呼聲中迅速崛起，而安防系統作為整個數字家庭系統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字家庭系統的實現［1-2］。
因此，本文提出了基于JESS專家系統的智能家居安防系統。
1 技術綜述
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的一個規則引擎, 是一種使用Java語言編寫的腳本環境。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, 并且是已知規則引擎中最快的［3］。
JESS采用產生式規則作為基本的知識表達模式,其核心包括事實庫、規則庫、推理機三大部分［3］。其中推理機由模式匹配、沖突集、執行引擎組成, 規則庫與事實庫則組成知識庫。執行引擎按一定優先級激活沖突集當中的規則, 修改事實庫。循環這個過程, 直到事實庫無變化推理結束。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中的規則庫是中心數據庫，存儲了各個領域模擬人類問題求解的產生式規則［4-6］。
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，例如本文用到防燃氣泄露子系統則采用氣體傳感器，當檢測到空氣中燃氣的濃度超過閾值的時候，傳送信號給專家系統，從而觸發報警。
1.3 無線傳感技術
無線傳感器網絡是由部署在監測區域大量的智能微型傳感器節點組成,其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息,并發送給觀察者或控制中心，無線傳感網絡是以無線的方式進行通信的,需要低功耗、短距離的無線通信技術來實現。本文采用ZigBee 技術,其擁有一套非常完整的協議層次結構,具有低功耗、 低成本、 延時短、 網絡容量大和安全可靠等特點，完全滿足本系統的需求。
2 系統架構
2.1 系統特性
依據住戶家庭內部安防的需求，本系統可劃分為如下子系統：門禁子系統、防盜報警子系統、防火災報警子系統、防燃氣泄漏子系統。故系統具有以下特征：
(1) 系統的自動性
通過相對應的傳感器，系統能夠對家庭內部的狀況進行時時刻刻的自動檢測。門禁子系統能夠檢測整個家庭的門窗的開閉情況；防盜報警子系統能夠檢測家庭是否遭到暴力入侵；防火災報警子系統能夠檢測火災和煙塵；防燃氣泄露子系統能夠檢測空氣中天然氣的濃度等。
具體的本文僅以防火災報警子系統為例進行如下說明：通常情況下，當有意外火災發生時，室內會產生大量的煙霧，同時產生大量的煙霧，因此，通過感煙探測器檢測室內煙霧的濃度或檢測室內溫度，就能夠判斷家庭內部是否發生火災，從而能夠及時發現火情，傳送信號給專家系統，通過專家系統報警，從而最大限度的降低火災造成的損失。
(2) 系統的實時性和安全性
系統能夠根據檢測到的異常狀況做出實時的反應，保證家庭內部和人員的安全。例如當防燃氣泄露子系統檢測到空氣中天然氣的濃度偏高會自動關閉天然氣閥門并能夠開窗及時通風，待恢復正常后再關閉窗戶。
(3) 系統的可控性
系統的工作狀態可劃分為全布防狀態、半布防狀態和撤防狀態。主人可根據具體的情況進行靈活的配置。全布防狀態適用于家中無人時，所有設備均設防。半布防狀態可對一定防護區進行布防，適用于家中人員處于睡眠狀態或只在單一區域進行活動的狀態。撤防狀態：撤防狀態適用于家中有人活動時，所有設備均處于撤防狀態，所有活動信息均不會被設備采集。這樣靈活的配置可以提高系統的靈活性和避免錯誤報警。
(4) 系統的可升級性
系統的控制是由自定義的專家系統來控制，有利于對系統進行升級。
2.2 系統組成
本系統主要有三個功能模塊：專家系統模塊、識別模塊(主要是傳感器模塊)，以及執行設備模塊(包括自動報警機、語音電路、各輸入輸出設備、門禁設備等)。如圖1所示。
專家系統是整個系統的“心臟”，由它來接收和處理檢測到的信號，并根據預先設定的規則與事實匹配，做出及時的響應，并且還要協調各模塊各設備的正常工作。
前端探測器主要是指傳感器，主要是負責對探測區域內異常情況發生時各種參數(門窗的開閉、室內煙霧濃度、天然氣濃度等)的檢測，將檢測到的數據進行轉換，將實際參數通過無線傳送的方式傳遞給專家系統。
輸入輸出設備包括鍵盤、報警蜂鳴器、按鈕或開關、各類指示燈等。鍵盤用于用戶密碼的輸入、修改、預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不同工作狀態的指示。按鈕或開關用于電路的調試及布防狀態的選擇等。
語音設備：主要用于門禁系統。
短消息模塊：主要將異常狀況通過短消息發送給住戶。
無線通信模塊負責專家系統與傳感器之間的信息傳輸任務。
電源電路配合后備電源完成緊急情況下的系統供電，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 判別匹配規則的推理機制
本系統的專家系統是使用JESS規則語言來描述判決規則的，用JESS來描述的判決規則都具有LHS和RHS兩部分構成的統一形式。其中LHS部分是由不同的模式構成，這些模式是用來匹配規則引擎中的事實，而RHS部分匹配完成后的執行動作。例如LHS部分描述的是判斷燃氣是否超過閾值的判決規則，RHS部分則描述的是諸如打開窗戶通風、發出報警信號、短信通知戶主等執行動作。對于同一個判決規則，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，該規則才能被激活，RHS的動作才能夠執行［7-10］。
根據上述描述，系統收到判決請求時，判決規則在規則引擎中的執行流程描述如下：
當專家系統接收到檢測設備傳送的請求信號時，規則引擎毀在判決事實緩沖區中自動生成一個refact事實。
如果refact事實與映射規則中的第N個模式nfact成功匹配，則映射規則被激活。
映射規則nfact的RHS動作被執行，將執行指令傳送給執行設備。
3.2 邏輯表示和推理
在系統中，規則的實施需要相應的上下文支持。例如：“當專家系統接收到識別設備傳送的觸發信號時，專家系統會根據數據庫中的信息和知識基礎將信號轉化為(“怎么了？”)的問題，隨后將產生的“問題”傳送到規則引擎中進行事實的匹配［10］：
(1) 識別設備(觸發信號)∧控制設備(接收信號)；
(2) 控制設備(執行)∧控制設備(傳送信息給控制設備)∧識別模塊(接收信息)；
(3) 識別設備(標識信息，數據庫和知識庫)∧控制設備(探測和識別的信息)；
(4) 控制設備(信息)∧執行設備(檢測結果，執行命令)
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 判別規則執行機制的驗證
實驗場景：實驗場景包括防火子系統，防盜子系統和防天然氣子系統。當響應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，由專家系統根據事先設定的規則做出響應。
實驗數據：實驗中所描述數據，主要包括兩種類型，一類是對基本事實的聲明(是對家庭內部各種數據正常情況的模擬)，另一類是各種規則(判決規則和映射規則，即對各種突發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則來模擬現實生活。
實驗環境：一臺PC機(2.26 GHz的CPU，2 GB內存)，操作系統Microsoft Windows 7，規則引擎JESS(Ver 7.1p4)等。
實驗目的：通過上述實驗，演示上述判決規則的抽象執行流程，用仿真模擬的方式來證明該專家系統是可靠的。
實驗結果分析：本次實驗中，為了便于理解實驗過程，在對實驗數據文件的處理上，不管是聲明事實，還是定義規則等，本文都做了最大程度的精簡，僅使用關鍵的概念斷言事實(即模擬的各種突發狀況)。實際情況復雜的實驗可以在此基礎上，通過添加各種詳細的斷言事實來完成。本實驗僅僅是模擬，但根據應用場景的描述，實驗結果是正確的，符合預定的判斷，判決規則的有效性得到了驗證，從而證明本文設計的判決規則的執行流程是可實施的。輸出結果見圖2。
4 結 論
基于JESS專家系統的智能家居安防系統，運用了控制技術實現了對室內全方位、立體的、完善的火災探測、門窗防撬、防燃氣泄露等智能安防報警自動化等功能，可靠性高、使用簡單、成本低廉，能夠滿足一般的家庭需求。該系統充分利用了局域網內通信上的優勢，實現了報警迅速、實時檢測等功能，還能對該系統進行軟件升級和整合新的功能模塊，滿足智能家居未來發展的需求。所以，隨著無線通信技術、Internet技術的發展，該系統還可以用在銀行、圖書館、大型超市等需要安防的地方，應用極其廣泛，具有可開發性和可拓展性。
參 考 文 獻
［1］錢代友,徐玉波.業務智能引領安防系統新變革：安防系統發展趨勢初探［J］.中國安防,2007(10):110-112.
［2］羅明璋,張明云.移動終端:家庭安防系統發展的軸心［J］.安防科技應用與實踐，2010(3)：30-31.
［3］Manning Publications Co.. Ernest Friedman-Hill JESS in Action: Java rule-based systems \[M\]. United States: Manning Publications Co., 2003.
(下轉第140頁)
關鍵詞：安防系統; JESS; 智能家居; 傳感器
中圖分類號：
TN711-34; TP277
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)05
-0134
-03
Design of smart home security system based on JESS
GONG Yuan-peng, DING Xiang-qian, WANG Xiao-dong
(School of Computer Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)
Abstract：
An expert system of security alarm monitoring for smart home filed based on JESS was designed according to the tendency development of security market worldwide and the deep-level development of security technology. The technology of the expert system based on JESS, embedded technology and wireless sensor is introduced. It mainly includes access control subsystem, steal precaution subsystem, fire alarm subsystem and gas leak subsystem. The expert system based on JESS rules engine is developed by Java, which is able to detect whether the family members and family situation in a safety state according to the various scenes within a family. Finally the system is proved by the simulation results.
Keywords： security alarm monitoring; JESS; smart home; sensor
收稿日期：2011-10-08
基金項目：2011年國家科技支撐計劃項目“數字家庭服務關鍵支撐技術研發應用示范”(2011BAH16B03)
0 引 言
隨著社會的不斷發展和人們收入的不斷增加，人們開始越來越關注生活條件的安全性和生活質量的可靠性，個人用戶對家庭安全需求的增長越來越快。與此同時，傳統的機械式或單純依靠人為控制和操作的安防系統在實際的使用中暴露出了很多隱患和不足，遠遠達不到人們對智能生活的要求；隨著計算機技術的普及，智能化數字家庭在人們對美好生活的呼聲中迅速崛起，而安防系統作為整個數字家庭系統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字家庭系統的實現［1-2］。
因此，本文提出了基于JESS專家系統的智能家居安防系統。
1 技術綜述
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的一個規則引擎, 是一種使用Java語言編寫的腳本環境。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, 并且是已知規則引擎中最快的［3］。
JESS采用產生式規則作為基本的知識表達模式,其核心包括事實庫、規則庫、推理機三大部分［3］。其中推理機由模式匹配、沖突集、執行引擎組成, 規則庫與事實庫則組成知識庫。執行引擎按一定優先級激活沖突集當中的規則, 修改事實庫。循環這個過程, 直到事實庫無變化推理結束。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中的規則庫是中心數據庫，存儲了各個領域模擬人類問題求解的產生式規則［4-6］。
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，例如本文用到防燃氣泄露子系統則采用氣體傳感器，當檢測到空氣中燃氣的濃度超過閾值的時候，傳送信號給專家系統，從而觸發報警。
1.3 無線傳感技術
無線傳感器網絡是由部署在監測區域大量的智能微型傳感器節點組成,其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息,并發送給觀察者或控制中心，無線傳感網絡是以無線的方式進行通信的,需要低功耗、短距離的無線通信技術來實現。本文采用ZigBee 技術,其擁有一套非常完整的協議層次結構,具有低功耗、 低成本、 延時短、 網絡容量大和安全可靠等特點，完全滿足本系統的需求。
2 系統架構
2.1 系統特性
依據住戶家庭內部安防的需求，本系統可劃分為如下子系統：門禁子系統、防盜報警子系統、防火災報警子系統、防燃氣泄漏子系統。故系統具有以下特征：
(1) 系統的自動性
通過相對應的傳感器，系統能夠對家庭內部的狀況進行時時刻刻的自動檢測。門禁子系統能夠檢測整個家庭的門窗的開閉情況；防盜報警子系統能夠檢測家庭是否遭到暴力入侵；防火災報警子系統能夠檢測火災和煙塵；防燃氣泄露子系統能夠檢測空氣中天然氣的濃度等。
具體的本文僅以防火災報警子系統為例進行如下說明：通常情況下，當有意外火災發生時，室內會產生大量的煙霧，同時產生大量的煙霧，因此，通過感煙探測器檢測室內煙霧的濃度或檢測室內溫度，就能夠判斷家庭內部是否發生火災，從而能夠及時發現火情，傳送信號給專家系統，通過專家系統報警，從而最大限度的降低火災造成的損失。
(2) 系統的實時性和安全性
系統能夠根據檢測到的異常狀況做出實時的反應，保證家庭內部和人員的安全。例如當防燃氣泄露子系統檢測到空氣中天然氣的濃度偏高會自動關閉天然氣閥門并能夠開窗及時通風，待恢復正常后再關閉窗戶。
(3) 系統的可控性
系統的工作狀態可劃分為全布防狀態、半布防狀態和撤防狀態。主人可根據具體的情況進行靈活的配置。全布防狀態適用于家中無人時，所有設備均設防。半布防狀態可對一定防護區進行布防，適用于家中人員處于睡眠狀態或只在單一區域進行活動的狀態。撤防狀態：撤防狀態適用于家中有人活動時，所有設備均處于撤防狀態，所有活動信息均不會被設備采集。這樣靈活的配置可以提高系統的靈活性和避免錯誤報警。
(4) 系統的可升級性
系統的控制是由自定義的專家系統來控制，有利于對系統進行升級。
2.2 系統組成
本系統主要有三個功能模塊：專家系統模塊、識別模塊(主要是傳感器模塊)，以及執行設備模塊(包括自動報警機、語音電路、各輸入輸出設備、門禁設備等)。如圖1所示。
專家系統是整個系統的“心臟”，由它來接收和處理檢測到的信號，并根據預先設定的規則與事實匹配，做出及時的響應，并且還要協調各模塊各設備的正常工作。
前端探測器主要是指傳感器，主要是負責對探測區域內異常情況發生時各種參數(門窗的開閉、室內煙霧濃度、天然氣濃度等)的檢測，將檢測到的數據進行轉換，將實際參數通過無線傳送的方式傳遞給專家系統。
輸入輸出設備包括鍵盤、報警蜂鳴器、按鈕或開關、各類指示燈等。鍵盤用于用戶密碼的輸入、修改、預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不同工作狀態的指示。按鈕或開關用于電路的調試及布防狀態的選擇等。
語音設備：主要用于門禁系統。
短消息模塊：主要將異常狀況通過短消息發送給住戶。
無線通信模塊負責專家系統與傳感器之間的信息傳輸任務。
電源電路配合后備電源完成緊急情況下的系統供電，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 判別匹配規則的推理機制
本系統的專家系統是使用JESS規則語言來描述判決規則的，用JESS來描述的判決規則都具有LHS和RHS兩部分構成的統一形式。其中LHS部分是由不同的模式構成，這些模式是用來匹配規則引擎中的事實，而RHS部分匹配完成后的執行動作。例如LHS部分描述的是判斷燃氣是否超過閾值的判決規則，RHS部分則描述的是諸如打開窗戶通風、發出報警信號、短信通知戶主等執行動作。對于同一個判決規則，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，該規則才能被激活，RHS的動作才能夠執行［7-10］。
根據上述描述，系統收到判決請求時，判決規則在規則引擎中的執行流程描述如下：
當專家系統接收到檢測設備傳送的請求信號時，規則引擎毀在判決事實緩沖區中自動生成一個refact事實。
如果refact事實與映射規則中的第N個模式nfact成功匹配，則映射規則被激活。
映射規則nfact的RHS動作被執行，將執行指令傳送給執行設備。
3.2 邏輯表示和推理
在系統中，規則的實施需要相應的上下文支持。例如：“當專家系統接收到識別設備傳送的觸發信號時，專家系統會根據數據庫中的信息和知識基礎將信號轉化為(“怎么了？”)的問題，隨后將產生的“問題”傳送到規則引擎中進行事實的匹配［10］：
(1) 識別設備(觸發信號)∧控制設備(接收信號)；
(2) 控制設備(執行)∧控制設備(傳送信息給控制設備)∧識別模塊(接收信息)；
(3) 識別設備(標識信息，數據庫和知識庫)∧控制設備(探測和識別的信息)；
(4) 控制設備(信息)∧執行設備(檢測結果，執行命令)
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 判別規則執行機制的驗證
實驗場景：實驗場景包括防火子系統，防盜子系統和防天然氣子系統。當響應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，由專家系統根據事先設定的規則做出響應。
實驗數據：實驗中所描述數據，主要包括兩種類型，一類是對基本事實的聲明(是對家庭內部各種數據正常情況的模擬)，另一類是各種規則(判決規則和映射規則，即對各種突發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則來模擬現實生活。
實驗環境：一臺PC機(2.26 GHz的CPU，2 GB內存)，操作系統Microsoft Windows 7，規則引擎JESS(Ver 7.1p4)等。
實驗目的：通過上述實驗，演示上述判決規則的抽象執行流程，用仿真模擬的方式來證明該專家系統是可靠的。
實驗結果分析：本次實驗中，為了便于理解實驗過程，在對實驗數據文件的處理上，不管是聲明事實，還是定義規則等，本文都做了最大程度的精簡，僅使用關鍵的概念斷言事實(即模擬的各種突發狀況)。實際情況復雜的實驗可以在此基礎上，通過添加各種詳細的斷言事實來完成。本實驗僅僅是模擬，但根據應用場景的描述，實驗結果是正確的，符合預定的判斷，判決規則的有效性得到了驗證，從而證明本文設計的判決規則的執行流程是可實施的。輸出結果見圖2。
4 結 論
基于JESS專家系統的智能家居安防系統，運用了控制技術實現了對室內全方位、立體的、完善的火災探測、門窗防撬、防燃氣泄露等智能安防報警自動化等功能，可靠性高、使用簡單、成本低廉，能夠滿足一般的家庭需求。該系統充分利用了局域網內通信上的優勢，實現了報警迅速、實時檢測等功能，還能對該系統進行軟件升級和整合新的功能模塊，滿足智能家居未來發展的需求。所以，隨著無線通信技術、Internet技術的發展，該系統還可以用在銀行、圖書館、大型超市等需要安防的地方，應用極其廣泛，具有可開發性和可拓展性。
參 考 文 獻
［1］錢代友,徐玉波.業務智能引領安防系統新變革：安防系統發展趨勢初探［J］.中國安防,2007(10):110-112.
［2］羅明璋,張明云.移動終端:家庭安防系統發展的軸心［J］.安防科技應用與實踐，2010(3)：30-31.
［3］Manning Publications Co.. Ernest Friedman-Hill JESS in Action: Java rule-based systems \[M\]. United States: Manning Publications Co., 2003.
(下轉第140頁)
