伴隨著計(jì)算機(jī)的普及和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在建筑行業(yè)中出現(xiàn)了智能建筑,而隨著人們生活水平的不斷提高,以及生活節(jié)奏的加快、業(yè)余娛樂活動的不斷增加,在這個快餐化的“懶人時代”,智能家居隨之應(yīng)運(yùn)而生,得到了迅猛發(fā)展,并和智能建筑一起已成為21世紀(jì)建筑業(yè)的發(fā)展主流。
雖然許多國家都在進(jìn)行智能家居的研究,并取得了一定的成績,但是存在的問題也很多,家居的智能化都是以高能耗的代價來實(shí)現(xiàn)的。
2007年7月1日正式實(shí)施的《智能建設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50314-2006)為我們提出了“智能建筑工程設(shè)計(jì),應(yīng)貫徹國家關(guān)于節(jié)能、環(huán)保等方針政策,應(yīng)做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、實(shí)用可靠�！蹦敲�,同樣我們?nèi)绻虢ㄔO(shè)好智能化住宅,就必須要從智能家居的智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)著手,不可再片面地追求智能化住宅設(shè)計(jì)的概念和形式,而是要將舒適、安全、便捷和節(jié)能有機(jī)聯(lián)系起來。
利用如圖1所示的無線家庭網(wǎng)關(guān),以ZIGBEE和GPRS兩種重要的無線通信技術(shù)構(gòu)成了內(nèi)外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?家庭網(wǎng)關(guān)采用ARM構(gòu)架的32位嵌入式RISC處理器。通過在家庭網(wǎng)關(guān)和各種家電設(shè)備中嵌入基于ZigBee芯片的無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和各個網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送,從而實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)各種設(shè)備的無線連接和家庭的自動化。
家庭網(wǎng)關(guān)
智能家庭網(wǎng)關(guān)控制系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)為物理平臺,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)為技術(shù)平臺,無線技術(shù)為應(yīng)用操作平臺,構(gòu)成一個完整的集家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范等功能的控制系統(tǒng)。
對家電的控制關(guān)鍵在于接口,接口的關(guān)鍵在于由協(xié)議做成的控制集成電路,該系統(tǒng)物理層系列接口主要是ZigBee的無線射頻(RF),利用ARM技術(shù)開發(fā)家居智能控制集成電路芯片,因?yàn)锳RM技術(shù)是一個以開放性源代碼進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的芯片,只要抓緊開發(fā),我們就能開發(fā)適應(yīng)與家電智能控制中央處理的芯片。
家庭網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的核心部件。它實(shí)際上就是一個功能齊全的嵌入式系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)上采用功能強(qiáng)大的ARM9芯片加上其他功能模塊,并且外接一個ZigBee芯片無線收發(fā)模塊。以實(shí)現(xiàn)對家庭內(nèi)部網(wǎng)的各種家電設(shè)備的控制。軟件上主要是移植uCLinux實(shí)時操作系統(tǒng),并在其上開發(fā)驅(qū)動程序,應(yīng)用程序。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的靈魂和核心控制所在,由帶嵌入式系統(tǒng)平臺和外接一個ZigBee短程無線收發(fā)模塊,以實(shí)現(xiàn)對家庭區(qū)域網(wǎng)內(nèi)的各種信急家電和傳感器的控制。家庭網(wǎng)關(guān)對外可以提供各種遠(yuǎn)程智能控制接口,操作者可以通過任何一臺連接到Internet的PC機(jī)訪問Web頁,對家中的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問或者控制。即將來自Internet或GPRS的控制信息通過單片機(jī)驅(qū)動電器控制電路去控制相應(yīng)的家電;當(dāng)有危險(xiǎn)情況發(fā)生時,信號調(diào)理電路完成對傳感器采集信號的處理和轉(zhuǎn)換后發(fā)送給單片機(jī),單片機(jī)將接收到的信號進(jìn)行判別,觸發(fā)家庭網(wǎng)絡(luò)終端的單片機(jī)結(jié)合摘掛機(jī)電路控制電話機(jī)撥通預(yù)先存儲的號碼,實(shí)現(xiàn)向外界報(bào)警。
用戶的遙控終端包括手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)。本系統(tǒng)支持手機(jī)(包括中國聯(lián)通和中國移動的手機(jī))通過WAP、GSM/GPRS/CDMA,BREW登錄進(jìn)行會話式通信。辦理該業(yè)務(wù)時,用戶可以將無線家居網(wǎng)關(guān)與自己的手機(jī)號碼綁定,也可以綁定數(shù)個手機(jī)號碼,這樣,只能通過綁定的手機(jī)才能控制家中的設(shè)備,在手機(jī)上還可設(shè)定密碼,實(shí)現(xiàn)多重安全保護(hù)。如果采用互聯(lián)網(wǎng)方式登錄,也要求用戶輸入賬號和密碼進(jìn)行登錄。
硬件平臺
要建立智能家居控制網(wǎng)絡(luò),硬件平臺是關(guān)鍵基礎(chǔ),它對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、低功耗性及可擴(kuò)展性都有直接的影響。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,我們采用ARM9系列的S3C2410作為微處理器,外網(wǎng)選用西門子公司生產(chǎn)的MC35i模塊作為該系統(tǒng)中的GPRS模塊。該模塊具有很高的性能,可以廣泛應(yīng)用于POS終端、自動售貨機(jī)、安全系統(tǒng)、遠(yuǎn)程遙測、交通控制等多種場合。
S3C2410處理器通過UART與MC35i模塊進(jìn)行通信連接。如圖3所示。將S3C2410的串口TXD引腳與MC35i模塊RXD引腳連接,同時將S3C2410的RXD引腳與MC35i的RXD引腳連接。SS3C2410微控制器通過UART控制GPRS模塊,使其工作在合適的模式,并使用串行通信協(xié)議使底層互聯(lián)。
內(nèi)網(wǎng)選用CC2420作為ZigBee通信射頻模塊。CC2420是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SOC)CMOS解決方案,這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段的應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。
CC2420可以通過4線SPI總線(SI,S0,SCLK,CSn)設(shè)置芯片的工作模式并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù),讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。在SPI總線接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外,通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì),通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時鐘/定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。CC2420需要3.3V的電源電壓,使用PIC18系列單片機(jī)中的低壓型號,使控制器和RF收發(fā)器均使用3.3V電源電壓。
專家系統(tǒng)智能模塊
專家系統(tǒng)智能控制模塊是家庭網(wǎng)關(guān)的一部分,實(shí)現(xiàn)規(guī)則的采集、設(shè)備的監(jiān)控、智能推理、智能控制等功能,在linux操作系統(tǒng)下用C語言編寫,通過應(yīng)用程序接口供其它功能模塊調(diào)用。
它能夠根據(jù)使用者的生活狀況、工作規(guī)律、自然環(huán)境等將信息家電按照一定的因果關(guān)系組織起來,將可能導(dǎo)致的所有結(jié)果動作進(jìn)行最優(yōu)比較來控制家電的運(yùn)行,從而大幅度降低能源的消耗;如圖4所示。
知識庫的形成
知識表示
本系統(tǒng)主要應(yīng)用產(chǎn)生式表示法。產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關(guān)系的知識,基本形式是:IF P THEN Q。
其中,P是產(chǎn)生式的前提,用于指出該產(chǎn)生式是否可用的條件;Q是產(chǎn)生式的結(jié)論或操作,亦可稱為后件,用于指出當(dāng)前提P所指示的條件被滿足時,應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作。整個產(chǎn)生式的含義是:如果前提P被滿足,則可推出結(jié)論Q或執(zhí)行Q所規(guī)定的操作。
如設(shè)定好離家、在家不同溫度環(huán)境,if有人在家,thenQ1溫度,if沒有人在家,thenQ2溫度。利用該規(guī)則可以對地采暖、風(fēng)機(jī)盤管,空調(diào)等進(jìn)行控制,從而達(dá)到控制室內(nèi)溫度的目的,可以輕易實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。
基于此,我們可以把家庭中大量的設(shè)備都定義為某個對象,這些對象通過使用者的生活狀況、工作規(guī)律、自然環(huán)境等的規(guī)則聯(lián)系起來,每定義一條規(guī)則,都要把它們存放到規(guī)則庫中,以方便推理機(jī)獲取有用的規(guī)則。
推理機(jī)的設(shè)計(jì)
推理機(jī)涉及的兩個基本問題是推理方式和控制策略。在專家系統(tǒng)中常采用的推理方式是產(chǎn)生式規(guī)則推理,亦稱假言推理。推理控制策略的選擇對系統(tǒng)性能的影響很大,推理機(jī)的控制策略包括兩項(xiàng)基本內(nèi)容,一是決定推理順序;二是多項(xiàng)解選擇。
本系統(tǒng)采用正向推理的控制策略,也稱自底向上控制、數(shù)據(jù)驅(qū)動控制、前向鏈推理、模式制導(dǎo)推理和前向推理等。正向推理一般有兩種結(jié)束條件:一是求出一個符合條件的解就結(jié)束;二是將所有的解都求出比較所有的解得到一個最優(yōu)解才結(jié)束。正向推理的主要優(yōu)點(diǎn)是允許用戶主動提供有用的事實(shí)信息,而不必等到系統(tǒng)需要的時候才提供,而且可以求出全部解。其基本思想是:推理機(jī)通過網(wǎng)關(guān)管理模塊讀取信息家電的當(dāng)前狀態(tài),從中獲取由設(shè)備產(chǎn)生的事件,這些事件構(gòu)成了基本事實(shí);從基本事實(shí)出發(fā)引用規(guī)則庫中的規(guī)則,若某些規(guī)則的前提被滿足,則執(zhí)行這些規(guī)則的結(jié)論。
將專家系統(tǒng)引入到基于ZIGBEE的無線家庭網(wǎng)關(guān)中,在智能化住宅中做到安全、節(jié)能、舒適和便利相結(jié)合;符合構(gòu)建環(huán)保和健康的綠色建筑環(huán)境;將現(xiàn)代化高科技領(lǐng)域中的產(chǎn)品與技術(shù)集成到智能化住宅里,真正的實(shí)現(xiàn)智能家居,綠色家居。
