利用專家系統(tǒng)構(gòu)建智能家居的研究與設(shè)計(jì)

1 引言

智能家居（Smart Home）的概念最早出現(xiàn)于美國，它利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機(jī)地結(jié)合在一起。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能家居的智能化、人性化一直是人們追求的目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，本文提出了“AI-IA”的設(shè)想，將人工智能領(lǐng)域中專家系統(tǒng)控制方法應(yīng)用于智能家居控制軟件的構(gòu)建中，并給出了合理的設(shè)計(jì)方案。

2 關(guān)于智能家居的研究

2.1智能家居未來發(fā)展方向

智能家居是在信息技術(shù)的發(fā)展和人類對居住環(huán)境的要求不斷提高的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，由Home Automation Association（HAA,家庭自動(dòng)化協(xié)會(huì)）所定義的智能家居是：一個(gè)使用不同的方法或設(shè)備的過程，以此來提高人們生活的能力，使家庭變得更舒適、安全和有效?？萍家匀藶楸?，智能家居向著智能化、人性化的方向逐步發(fā)展，它可以在沒有或很少有人干預(yù)的情況下，對室內(nèi)或室外可能發(fā)生的事情按預(yù)先設(shè)定的內(nèi)容做出反應(yīng)。如今，家電自動(dòng)化的條件已經(jīng)具備，如：電飯煲可定時(shí)煮飯煲湯，空調(diào)可以定時(shí)開關(guān)，但家居智能化還剛剛起步。
2.2 AI-IA構(gòu)想

目前的智能家居均實(shí)現(xiàn)了三表抄送、家庭安全監(jiān)控等功能，家電的自動(dòng)化較以前有了很大的提高，但家電之間沒有太大聯(lián)系，僅僅是單一的“機(jī)械式”模式。信息家電之間若不能相互識別、相互通信、相互協(xié)作，那它所提供的功能是十分有限的，既不能實(shí)現(xiàn)服務(wù)的相互調(diào)用，更不能根據(jù)主人的生活習(xí)慣自我調(diào)節(jié)，只能按照事先設(shè)定好的模式周而復(fù)始的獨(dú)立運(yùn)行。為了適應(yīng)智能家居的發(fā)展，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)類似“人腦”一樣的控制器軟件，它存儲了主人大量生活習(xí)慣的規(guī)則，在外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)調(diào)用、觸發(fā)相關(guān)設(shè)備，這個(gè)過程可簡單描述為：記錄、識別、控制、響應(yīng)、反饋等。

AI-IA（Artificial Intelligence-Information Appliance）是人工智能與信息家電的融合，它將人工智能領(lǐng)域中的專家系統(tǒng)引入智能家居，實(shí)現(xiàn)了信息家電之間的智能協(xié)作。信息家電智能協(xié)作模型可簡單描述為：人們根據(jù)自己的意愿將家電所能產(chǎn)生的事件按照因果關(guān)系組織起來，當(dāng)某一事件產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的信息自動(dòng)觸發(fā)其它設(shè)備，使之產(chǎn)生相關(guān)的事件，哪些設(shè)備參與協(xié)作以及什么時(shí)候參與協(xié)作，都是按照用戶事先設(shè)定的規(guī)則完成的。

2.3 家庭網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)

家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)采用模塊化分層的體系結(jié)構(gòu)，每層軟件各司其職，并通過接口函數(shù)的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)各層之間的功能交互。整個(gè)軟件系統(tǒng)具有良好的可操作性和可移植性，自上而下分為應(yīng)用程序?qū)?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層、操作系統(tǒng)層、硬件驅(qū)動(dòng)層。AI-IA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。家庭網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。



圖1 家庭網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)圖

3 AI-IA智能控制模塊的設(shè)計(jì)

AI-IA智能控制模塊實(shí)質(zhì)上是一個(gè)在家庭網(wǎng)關(guān)中起到協(xié)作功能的專家系統(tǒng)，其目的是監(jiān)控設(shè)備所發(fā)生的各種事件，用戶事先設(shè)定的某條規(guī)則一旦得以滿足，便會(huì)驅(qū)動(dòng)其它設(shè)備引發(fā)相應(yīng)事件。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模擬了生物的“刺激－反應(yīng)”機(jī)制，位于智能家居中的信息家電除了聯(lián)網(wǎng)和實(shí)時(shí)通信外，還能夠根據(jù)主人的意愿，對外界的信息做出恰當(dāng)?shù)姆从?，極大程度地增強(qiáng)了信息家電的實(shí)時(shí)、智能性能。USB2.0

3.1 AI-IA智能控制模塊體系結(jié)構(gòu)

在家庭網(wǎng)關(guān)中添加的AI-IA智能控制模塊，是實(shí)現(xiàn)信息家電智能協(xié)作的關(guān)鍵，其核心思想就是將專家系統(tǒng)引入控制領(lǐng)域。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）服務(wù)的注冊

服務(wù)是設(shè)備所能提供某種功能的抽象，而設(shè)備所達(dá)到的某種狀態(tài)即可構(gòu)成一個(gè)事件，設(shè)備所提供的服務(wù)只有在完成注冊后，用戶才能對這些事件進(jìn)行處理。服務(wù)的注冊就是把設(shè)備所具有的功能在家庭網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行登記，以便其它設(shè)備需要某種服務(wù)時(shí)，可以通過網(wǎng)關(guān)查詢，并按照指定的接口調(diào)用服務(wù)。由于用戶使用的各種電器可能來自于不同的廠商，因此必須有一種能夠描述設(shè)備的屬性、服務(wù)等信息的描述語言來解決設(shè)備間的異構(gòu)性。在此引入了Information Appliance Interface Definition Language（IAIDL, 信息家電接口定義語言），它是一種用來定義信息家電的說明性語言，只描述設(shè)備的資源信息，不直接用于編寫可執(zhí)行程序。IAIDL文件記錄了設(shè)備的可用信息，通過編譯該文件將這些信息提取出來，以數(shù)據(jù)的形式存儲到嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite中，完成家電設(shè)備的注冊。IAIDL的引入實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的互通、互聯(lián)，成功地解決了信息家電“即插即用”問題。



圖2 基于專家系統(tǒng)的AI-IA智能控制模塊圖

（2）知識庫的形成

知識庫是專家系統(tǒng)重要組成部分。用戶通過Graphical User Interface (GUI，圖形用戶接口)查看設(shè)備在數(shù)據(jù)庫中的注冊信息，將設(shè)備提供的事件以產(chǎn)生式規(guī)則的形式聯(lián)系起來，以此形成知識庫。系統(tǒng)的GUI具有多樣性，可以是遙控器、PDA、web網(wǎng)頁或其它方便用戶使用的方式。知識庫及知識的表達(dá)是建立專家系統(tǒng)的關(guān)鍵，它們的形式、內(nèi)容、組織方式直接影響到專家系統(tǒng)描述問題特性的能力，同時(shí)也會(huì)影響到推理機(jī)制、解釋機(jī)制等其它部分的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。