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，家庭自動化協(xié)會）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。科技以人為本，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)會按照預(yù)先設(shè)定的信息自動觸發(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)印⒕W(wǎng)絡(luò)協(xié)議層、操作系統(tǒng)層、硬件驅(qū)動層。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，便會驅(qū)動其它設(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)姆从常瑯O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。

（3）推理機(jī)的應(yīng)用

推理機(jī)負(fù)責(zé)控制并執(zhí)行問題的求解，它從已有的事實(shí)出發(fā)，根據(jù)知識庫中給定的規(guī)則推導(dǎo)出最終結(jié)論。例如，IF THEN，這一規(guī)則按照特定的形式存儲于知識庫中。當(dāng)傳感器檢測到門已經(jīng)打開，以及室內(nèi)光線低于設(shè)定值時(shí)，推理機(jī)即可識別這兩個(gè)事件與知識庫中用戶事先設(shè)定的某條規(guī)則相匹配，從而按照指定的接口調(diào)用開燈這一服務(wù)。

3.2 知識庫的設(shè)計(jì)

用戶通過友好的人機(jī)界面將大量規(guī)則存儲于知識庫中，例如，主人回家開門時(shí)，客廳里的電燈會因室內(nèi)的光線過暗自動打開；主人外出關(guān)門時(shí)，室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)會因家中無人而自動開啟。電燈的打開這個(gè)操作會與門打開、室內(nèi)亮度過低這兩個(gè)事件聯(lián)系在一起，我們用產(chǎn)生式規(guī)則來表示描述這條知識：

IF《 門打開，室內(nèi)光線過暗》 THEN《 燈亮 》

產(chǎn)生式描述了事物之間的一種對應(yīng)關(guān)系（包括因果關(guān)系和蘊(yùn)含關(guān)系），這種基于規(guī)則的符號化模型特別適于反應(yīng)人們對家電設(shè)備的調(diào)度，由一臺設(shè)備的某一事件或狀態(tài)作為條件，引發(fā)對另一設(shè)備的使用。此系統(tǒng)中的知識庫實(shí)際上是一個(gè)能夠表達(dá)用戶主觀意愿的產(chǎn)生式規(guī)則庫，在系統(tǒng)中以動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。

知識的表示是描述客觀事物的一組規(guī)定，是知識的符號化過程。規(guī)則主要包含規(guī)則的前提和規(guī)則結(jié)論部分，前提部分說明規(guī)則可以被引用的條件，而結(jié)論部分則說明當(dāng)前提成立時(shí)可進(jìn)行的操作或引起的領(lǐng)域行為。根據(jù)需要，一條規(guī)則可以有多個(gè)前提和多個(gè)結(jié)論。在具體用C語言實(shí)現(xiàn)時(shí)，直接以IFTHEN語句形式編程是行不通的，為了實(shí)現(xiàn)事件的驅(qū)動，必須利用C語言強(qiáng)有力的字符串處理能力將抽象的符號變成一個(gè)個(gè)表單元。根據(jù)實(shí)際情況我們可以將智能家居監(jiān)控下的設(shè)備看成一個(gè)對象，C語言定義為：

struct object{

char *name； /*設(shè)備的名稱*/

float val； /*設(shè)備的特性值*/

enum events {high，middle，low，open，close}；USB2.0

/*事件類型的抽象*/

}；

這些對象通過規(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Rule_Base中，以方便推理機(jī)獲取有用的規(guī)則。在規(guī)則表達(dá)中，通過rule（）函數(shù)把規(guī)則的外部語言形式轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的特性表的形式，它的Clause和Action特性分別存放了該規(guī)則的前提和結(jié)論。推理時(shí)若要用到某條規(guī)則rule_X（X＝1，2.。.n），就直接從它的特性表中取出相應(yīng)的前提和結(jié)論，Clause和Action可以是一個(gè)函數(shù)調(diào)用、常量或變量，每條規(guī)則的特性表組織成如下形式：

（Clause（條件1 條件2…）Action （結(jié)論1 結(jié)論2…））

3.3 推理機(jī)的設(shè)計(jì)

推理機(jī)設(shè)計(jì)采用事件驅(qū)動正向推理方式，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，若這些規(guī)則的結(jié)論部分形成新的事件，則用同樣的方法以這些邏輯結(jié)果為基礎(chǔ)再次進(jìn)行正向推理。推理過程中的沖突消解采用最先匹配策略，將所有符合當(dāng)前求解條件的知識放在一張表中，在問題求解過程中一旦找到匹配的規(guī)則即采用該規(guī)則。

事件驅(qū)動是數(shù)據(jù)驅(qū)動的發(fā)展形式，所謂事件驅(qū)動是指當(dāng)事件集合中所有的事件都已發(fā)生，才能引發(fā)另一種操作。在產(chǎn)生式規(guī)則中，IF后面的條件便可當(dāng)作一個(gè)事件集合，當(dāng)用戶所設(shè)定的條件都滿足時(shí)，即可得出THEN后的結(jié)論或觸發(fā)相應(yīng)的操作，本系統(tǒng)通過Event_driven（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)了基于事件驅(qū)動的正向推理。

Event_driven（）算法：

Kbase-Load（） /*知識庫的裝載*/USB2.0

for（所有的事實(shí)fact）

{

event=fact中的事件；

for（所有在rulebase中的規(guī)則rule）

{

rule_event=出現(xiàn)在規(guī)則rule中的所有事件；

if（rule_event至少有一個(gè)變量沒有值）

continue； /*取規(guī)則庫中的下一條規(guī)則*/USB2.0

else

{

for（規(guī)則rule中每一前提clause）

match（clause）；/*匹配clause中的條件*/

if（match（clause））

{

do（action）； /*執(zhí)行規(guī)則rule中所有action結(jié)論*/

value（action）； /*用value保存每一個(gè)操作結(jié)果*/

if（rule（action））/* action產(chǎn)生的事件構(gòu)成一個(gè)新的事實(shí)*/USB2.0

Add_Kbase（action） /*將產(chǎn)生的事件加入到知識庫中*/

}

}

}

}

4 結(jié)束語

從智能家居未來發(fā)展方向出發(fā)，分析了利用專家系統(tǒng)構(gòu)建AI-IA智能控制模塊的必要性和合理性，建立了智能協(xié)作模型，并給出了設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的具體方法，為智能軟件的優(yōu)化以及在嵌入式開發(fā)板上的移植奠定了基礎(chǔ)。