利用專(zhuān)家系統構建智能家居的研究與設計

1 引言

智能家居（Smart Home）的概念最早出現于美國，它利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)、綜合布線(xiàn)技術(shù)、將與家居生活有關(guān)的各種子系統，有機地結合在一起。隨著(zhù)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，在此基礎上，本文提出了“AI-IA”的設想，將人工智能領(lǐng)域中專(zhuān)家系統控制方法應用于智能家居控制軟件的構建中，并給出了合理的設計方案。

2 關(guān)于智能家居的研究

2.1智能家居未來(lái)發(fā)展方向

智能家居是在信息技術(shù)的發(fā)展和人類(lèi)對居住環(huán)境的要求不斷提高的基礎上產(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備的過(guò)程，以此來(lái)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(zhù)智能化、人性化的方向逐步發(fā)展，它可以在沒(méi)有或很少有人干預的情況下，對室內或室外可能發(fā)生的事情按預先設定的內容做出反應。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，空調可以定時(shí)開(kāi)關(guān)，但家居智能化還剛剛起步。
2.2 AI-IA構想

目前的智能家居均實(shí)現了三表抄送、家庭安全監控等功能，家電的自動(dòng)化較以前有了很大的提高，但家電之間沒(méi)有太大聯(lián)系，僅僅是單一的“機械式”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)現服務(wù)的相互調用，更不能根據主人的生活習慣自我調節，只能按照事先設定好的模式周而復始的獨立運行。為了適應智能家居的發(fā)展，本文設計了一個(gè)類(lèi)似“人腦”一樣的控制器軟件，它存儲了主人大量生活習慣的規則，在外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)調用、觸發(fā)相關(guān)設備，這個(gè)過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為：記錄、識別、控制、響應、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(zhuān)家系統引入智能家居，實(shí)現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(jiǎn)單描述為：人們根據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(lái)，當某一事件產(chǎn)生時(shí)，系統會(huì )按照預先設定的信息自動(dòng)觸發(fā)其它設備，使之產(chǎn)生相關(guān)的事件，哪些設備參與協(xié)作以及什么時(shí)候參與協(xié)作，都是按照用戶(hù)事先設定的規則完成的。

2.3 家庭網(wǎng)關(guān)軟件體系結構

家庭網(wǎng)關(guān)的設計采用模塊化分層的體系結構，每層軟件各司其職，并通過(guò)接口函數的調用來(lái)實(shí)現各層之間的功能交互。整個(gè)軟件系統具有良好的可操作性和可移植性，自上而下分為應用程序層、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層、操作系統層、硬件驅動(dòng)層。AI-IA智能控制模塊是家庭網(wǎng)關(guān)的一部分，實(shí)現規則的采集、設備的監控、智能推理、智能控制等功能，在linux操作系統下用C語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)應用程序接口供其它功能模塊調用。家庭網(wǎng)關(guān)體系結構如圖1所示。



圖1 家庭網(wǎng)關(guān)體系結構圖

3 AI-IA智能控制模塊的設計

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(zhuān)家系統，其目的是監控設備所發(fā)生的各種事件，用戶(hù)事先設定的某條規則一旦得以滿(mǎn)足，便會(huì )驅動(dòng)其它設備引發(fā)相應事件。此系統的設計模擬了生物的“刺激－反應”機制，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，還能夠根據主人的意愿，對外界的信息做出恰當的反映，極大程度地增強了信息家電的實(shí)時(shí)、智能性能。USB2.0

3.1 AI-IA智能控制模塊體系結構

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

（1）服務(wù)的注冊

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



圖2 基于專(zhuān)家系統的AI-IA智能控制模塊圖

（2）知識庫的形成

知識庫是專(zhuān)家系統重要組成部分。用戶(hù)通過(guò)Graphical User Interface (GUI，圖形用戶(hù)接口)查看設備在數據庫中的注冊信息，將設備提供的事件以產(chǎn)生式規則的形式聯(lián)系起來(lái)，以此形成知識庫。系統的GUI具有多樣性，可以是遙控器、PDA、web網(wǎng)頁(yè)或其它方便用戶(hù)使用的方式。知識庫及知識的表達是建立專(zhuān)家系統的關(guān)鍵，它們的形式、內容、組織方式直接影響到專(zhuān)家系統描述問(wèn)題特性的能力，同時(shí)也會(huì )影響到推理機制、解釋機制等其它部分的結構和實(shí)現方法。