基于ZIGBEE技术利用专家系统构建智能家居的研究

【中心议题】

• 提出一种基于专家系统的家庭网关设计
• 完成了硬件设计和智能软件设计

【解决方案】

• 采用Zigbee技术实现智能家庭的无线传输
• 利用专家系统对各家电节点的控制实现最优

伴随着计算机的普及和信息产业的发展，在建筑行业中出现了智能建筑，而随着人们生活水平的不断提高，以及生活节奏的加快、业余娱乐活动的不断增加，在这个快餐化的“懒人时代”，智能家居随之应运而生，得到了迅猛发展，并和智能建筑一起已成为21世纪建筑业的发展主流。

虽然许多国家都在进行智能家居的研究，并取得了一定的成绩，但是存在的问题也很多，家居的智能化都是以高能耗的代价来实现的。

2007年7月1日正式实施的《智能建设设计标准》(GB50314-2006)为我们提出了“智能建筑工程设计，应贯彻国家关于节能、环保等方针政策，应做到技术先进、经济合理、实用可靠。”那么，同样我们如果想建设好智能化住宅，就必须要从智能家居的智能化系统设计着手，不可再片面地追求智能化住宅设计的概念和形式，而是要将舒适、安全、便捷和节能有机联系起来。

利用如图1所示的无线家庭网关，以ZIGBEE和GPRS两种重要的无线通信技术构成了内外网的网络拓扑，家庭网关采用ARM构架的32位嵌入式RISC处理器。通过在家庭网关和各种家电设备中嵌入基于ZigBee芯片的无线网络收发模块实现网关和各个网络子节点的数据传送，从而实现家庭内各种设备的无线连接和家庭的自动化。

家庭网关

智能家庭网关控制系统是以网络为物理平台，计算机网络控制技术为技术平台，无线技术为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。

对家电的控制关键在于接口，接口的关键在于由协议做成的控制集成电路，该系统物理层系列接口主要是ZigBee的无线射频(RF)，利用ARM技术开发家居智能控制集成电路芯片，因为ARM技术是一个以开放性源代码进行开发设计的芯片，只要抓紧开发，我们就能开发适应与家电智能控制中央处理的芯片。

家庭网关是智能家居系统的核心部件。它实际上就是一个功能齐全的嵌入式系统。硬件设计上采用功能强大的ARM9芯片加上其他功能模块，并且外接一个ZigBee芯片无线收发模块。以实现对家庭内部网的各种家电设备的控制。软件上主要是移植uCLinux实时操作系统，并在其上开发驱动程序，应用程序。其硬件结构如图2所示。

家庭网关是系统的灵魂和核心控制所在，由带嵌入式系统平台和外接一个ZigBee短程无线收发模块，以实现对家庭区域网内的各种信急家电和传感器的控制。家庭网关对外可以提供各种远程智能控制接口，操作者可以通过任何一台连接到Internet的PC机访问Web页，对家中的终端节点进行数据访问或者控制。即将来自Internet或GPRS的控制信息通过单片机驱动电器控制电路去控制相应的家电；当有危险情况发生时，信号调理电路完成对传感器采集信号的处理和转换后发送给单片机，单片机将接收到的信号进行判别，触发家庭网络终端的单片机结合摘挂机电路控制电话机拨通预先存储的号码，实现向外界报警。

用户的遥控终端包括手机和互联网。本系统支持手机(包括中国联通和中国移动的手机)通过WAP、GSM/GPRS/CDMA，BREW登录进行会话式通信。办理该业务时，用户可以将无线家居网关与自己的手机号码绑定，也可以绑定数个手机号码，这样，只能通过绑定的手机才能控制家中的设备，在手机上还可设定密码，实现多重安全保护。如果采用互联网方式登录，也要求用户输入账号和密码进行登录。

硬件平台

要建立智能家居控制网络，硬件平台是关键基础，它对整个系统的稳定性、低功耗性及可扩展性都有直接的影响。在该系统设计中，我们采用ARM9系列的S3C2410作为微处理器，外网选用西门子公司生产的MC35i模块作为该系统中的GPRS模块。该模块具有很高的性能，可以广泛应用于POS终端、自动售货机、安全系统、远程遥测、交通控制等多种场合。

S3C2410处理器通过UART与MC35i模块进行通信连接。如图3所示。将S3C2410的串口TXD引脚与MC35i模块RXD引脚连接，同时将S3C2410的RXD引脚与MC35i的RXD引脚连接。SS3C2410微控制器通过UART控制GPRS模块，使其工作在合适的模式，并使用串行通信协议使底层互联。

内网选用CC2420作为ZigBee通信射频模块。CC2420是一颗真正的系统芯片（SOC）CMOS解决方案，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段的应用对低成本、低功耗的要求。

CC2420可以通过4线SPI总线（SI，S0，SCLK，CSn）设置芯片的工作模式并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在SPI总线接口上进行的地址和数据传输大多是MSB优先的。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相连来实现系统射频功能的控制与管理。CC2420需要3.3V的电源电压，使用PIC18系列单片机中的低压型号，使控制器和RF收发器均使用3.3V电源电压。

专家系统智能模块

专家系统智能控制模块是家庭网关的一部分，实现规则的采集、设备的监控、智能推理、智能控制等功能，在linux操作系统下用C语言编写，通过应用程序接口供其它功能模块调用。

它能够根据使用者的生活状况、工作规律、自然环境等将信息家电按照一定的因果关系组织起来，将可能导致的所有结果动作进行最优比较来控制家电的运行，从而大幅度降低能源的消耗；如图4所示。

知识库的形成

知识表示

本系统主要应用产生式表示法。产生式通常用于表示具有因果关系的知识，基本形式是：IF P THEN Q。

其中，P是产生式的前提，用于指出该产生式是否可用的条件；Q是产生式的结论或操作，亦可称为后件，用于指出当前提P所指示的条件被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作。整个产生式的含义是：如果前提P被满足，则可推出结论Q或执行Q所规定的操作。

如设定好离家、在家不同温度环境，if有人在家，thenQ1温度，if没有人在家，thenQ2温度。利用该规则可以对地采暖、风机盘管，空调等进行控制，从而达到控制室内温度的目的，可以轻易实现节能的目的。

基于此，我们可以把家庭中大量的设备都定义为某个对象，这些对象通过使用者的生活状况、工作规律、自然环境等的规则联系起来，每定义一条规则，都要把它们存放到规则库中，以方便推理机获取有用的规则。

推理机的设计

推理机涉及的两个基本问题是推理方式和控制策略。在专家系统中常采用的推理方式是产生式规则推理，亦称假言推理。推理控制策略的选择对系统性能的影响很大，推理机的控制策略包括两项基本内容，一是决定推理顺序；二是多项解选择。

本系统采用正向推理的控制策略，也称自底向上控制、数据驱动控制、前向链推理、模式制导推理和前向推理等。正向推理一般有两种结束条件：一是求出一个符合条件的解就结束；二是将所有的解都求出比较所有的解得到一个最优解才结束。正向推理的主要优点是允许用户主动提供有用的事实信息，而不必等到系统需要的时候才提供，而且可以求出全部解。其基本思想是：推理机通过网关管理模块读取信息家电的当前状态，从中获取由设备产生的事件，这些事件构成了基本事实；从基本事实出发引用规则库中的规则，若某些规则的前提被满足，则执行这些规则的结论。

将专家系统引入到基于ZIGBEE的无线家庭网关中，在智能化住宅中做到安全、节能、舒适和便利相结合；符合构建环保和健康的绿色建筑环境；将现代化高科技领域中的产品与技术集成到智能化住宅里，真正的实现智能家居，绿色家居。