基于JESS的智能家居安防系统设计

摘要：根据目前世界智能家居安防市场和安防技术的发展趋势，提出了基于JESS的智能家居安防系统设计。首先介绍系统是根据基于JESS的专家系统、嵌入式和无线传感器等技术进行研究的，系统的组成包括门禁子系统、防盗报警子系统、防火灾报警子系统、防燃气泄漏子系统等。基于Java语言开发的规则引擎JESS专家系统，能够根据家庭内发生的场景来判断家庭状况是否处于安全状态，并对非安全状态做出及时反映。最后的仿真结果验证了系统的设计。
关键词：安防系统；JESS；智能家居；传感器

0 引言
    随着社会的不断发展和人们收入的不断增加，人们开始越来越关注生活条件的安全性和生活质量的可靠性，个人用户对家庭安全需求的增长越来越快。与此同时，传统的机械式或单纯依靠人为控制和操作的安防系统在实际的使用中暴露出了很多隐患和不足，远远达不到人们对智能生活的要求；随着计算机技术的普及，智能化数字家庭在人们对美好生活的呼声中迅速崛起，而安防系统作为整个数字家庭系统安全的重要组成部分，其可靠性、智能性和安全性将直接影响到数字家庭系统的实现。
    因此，本文提出了基于JESS专家系统的智能家居安防系统。

1 技术综述
1．1 JESS和其工作原理
    JESS是在1995年由美国Sandia国家实验室成员开发的一个规则引擎，是一种使用Java语言编写的脚本环境。它强大的脚本语言能力能够为用户提供所有的Java的API。JESS小巧、灵活，并且是已知规则引擎中最快的。
    JESS采用产生式规则作为基本的知识表达模式，其核心包括事实库、规则库、推理机三大部分。其中推理机由模式匹配、冲突集、执行引擎组成，规则库与事实库则组成知识库。执行引擎按一定优先级激活冲突集当中的规则，修改事实库。循环这个过程，直到事实库无变化推理结束。其中事实包括简单事实和对象事实，匹配是指JESS通过模式匹配语言对事实行操作，而JESS中的规则库是中心数据库，存储了各个领域模拟人类问题求解的产生式规则。
1．2 传感器
    传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出信号的器件或装置。传感器种类是非常繁多的，例如本文用到防燃气泄露子系统则采用气体传感器，当检测到空气中燃气的浓度超过阈值的时候，传送信号给专家系统，从而触发报警。
1．3 无线传感技术
    无线传感器网络是由部署在监测区域大量的智能微型传感器节点组成，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者或控制中心，无线传感网络是以无线的方式进行通信的，需要低功耗、短距离的无线通信技术来实现。本文采用Zig Bee技术，其拥有一套非常完整的协议层次结构，具有低功耗、低成本、延时短、网络容量大和安全可靠等特点，完全满足本系统的需求。

2 系统架构
2．1 系统特性
    依据住户家庭内部安防的需求，本系统可划分为如下子系统：门禁子系统、防盗报警子系统、防火灾报警子系统、防燃气泄漏子系统。故系统具有以下特征：
    (1)系统的自动性
    通过相对应的传感器，系统能够对家庭内部的状况进行时时刻刻的自动检测。门禁子系统能够检测整个家庭的门窗的开闭情况；防盗报警子系统能够检测家庭是否遭到暴力入侵；防火灾报警子系统能够检测火灾和烟尘；防燃气泄露子系统能够检测空气中天然气的浓度等。
    具体的本文仅以防火灾报警子系统为例进行如下说明：通常情况下，当有意外火灾发生时，室内会产生大量的烟雾，同时产生大量的烟雾，因此，通过感烟探测器检测室内烟雾的浓度或检测室内温度，就能够判断家庭内部是否发生火灾，从而能够及时发现火情，传送信号给专家系统，通过专家系统报警，从而最大限度的降低火灾造成的损失。
    (2)系统的实时性和安全性
    系统能够根据检测到的异常状况做出实时的反应，保证家庭内部和人员的安全。例如当防燃气泄露子系统检测到空气中天然气的浓度偏高会自动关闭天然气阀门并能够开窗及时通风，待恢复正常后再关闭窗户。
    (3)系统的可控性
    系统的工作状态可划分为全布防状态、半布防状态和撤防状态。主人可根据具体的情况进行灵活的配置。全布防状态适用于家中无人时，所有设备均设防。半布防状态可对一定防护区进行布防，适用于家中人员处于睡眠状态或只在单一区域进行活动的状态。撤防状态：
撤防状态适用于家中有人活动时，所有设备均处于撤防状态，所有活动信息均不会被设备采集。这样灵活的配置可以提高系统的灵活性和避免错误报警。
    (4)系统的可升级性
    系统的控制是由自定义的专家系统来控制，有利于对系统进行升级。
2．2 系统组成
    本系统主要有三个功能模块：专家系统模块、识别模块(主要是传感器模块)，以及执行设备模块(包括自动报警机、语音电路、各输入输出设备、门禁设备等)。如图1所示。

    专家系统是整个系统的“心脏”，由它来接收和处理检测到的信号，并根据预先设定的规则与事实匹配，做出及时的响应，并且还要协调各模块各设备的正常工作。
     前端探测器主要是指传感器，主要是负责对探测区域内异常情况发生时各种参数(门窗的开闭、室内烟雾浓度、天然气浓度等)的检测，将检测到的数据进行转换，将实际参数通过无线传送的方式传递给专家系统。
    输入输出设备包括键盘、报警蜂鸣器、按钮或开关、各类指示灯等。键盘用于用户密码的输入、修改、预存短信通知的电话号码的输入等。报警蜂呜器和各类指示灯用于声音报警和系统不同工作状态的指示。按钮或开关用于电路的调试及布防状态的选择等。
    语音设备：主要用于门禁系统。
    短消息模块：主要将异常状况通过短消息发送给住户。
    无线通信模块负责专家系统与传感器之间的信息传输任务。
    电源电路配合后备电源完成紧急情况下的系统供电，防止因为暂时的断电而造成的安防失控。

3 实验的仿真模拟
3．1 判别匹配规则的推理机制
    本系统的专家系统是使用JESS规则语言来描述判决规则的，用JESS来描述的判决规则都具有LHS和RHS两部分构成的统一形式。其中LHS部分是由不同的模式构成，这些模式是用来匹配规则引擎中的事实，而RHS部分匹配完成后的执行动作。例如LHS部分描述的是判断燃气是否超过阈值的判决规则，RHS部分则描述的是诸如打开窗户通风、发出报警信号、短信通知户主等执行动作。对于同一个判决规则，只有LHS中所有的模式都与事实(即传感器传送过来的信号)匹配时，该规则才能被激活，RHS的动作才能够执行。
    根据上述描述，系统收到判决请求时，判决规则在规则引擎中的执行流程描述如下：
    当专家系统接收到检测设备传送的请求信号时，规则引擎毁在判决事实缓冲区中自动生成一个refact事实。
    如果refact事实与映射规则中的第N个模式nfact成功匹配，则映射规则被激活。
    映射规则nfact的RHS动作被执行，将执行指令传送给执行设备。
3．2 逻辑表示和推理
    在系统中，规则的实施需要相应的上下文支持。例如：“当专家系统接收到识别设备传送的触发信号时，专家系统会根据数据库中的信息和知识基础将信号转化为(“怎么了?”)的问题，随后将产生的“问题”传送到规则引擎中进行事实的匹配：
    (1)识别设备(触发信号)∧控制设备(接收信号)；
    (2)控制设备(执行)∧控制设备(传送信息给控制设备)∧识别模块(接收信息)；
    (3)识别设备(标识信息，数据库和知识库)∧控制没备(探测和识别的信息)；
    (4)控制设备(信息)∧执行设备(检测结果，执行命令)
    上述过程也可以使用下列公式表示：
   
3．3 判别规则执行机制的验证
    实验场景：实验场景包括防火子系统，防盗子系统和防天然气子系统。当响应的传感器接收到传感器的“异常检测信号”，信号会立即传送给专家系统，由专家系统根据事先设定的规则做出响应。
    实验数据：实验中所描述数据，主要包括两种类型，一类是对基本事实的声明(是对家庭内部各种数据正常情况的模拟)，另一类是各种规则(判决规则和映射规则，即对各种突发情况临界值的界定和判断)的定义，限于篇幅，本文做了最大程度的精简，仅给出基本事实的声明和判决规则来模拟现实生活。
    实验环境：一台PC机(2．26 GHz的CPU，2 GB内存)，操作系统Microsoft Windows 7，规则引擎JESS(Ver 7．1p4)等。
    实验目的：通过上述实验，演示上述判决规则的抽象执行流程，用仿真模拟的方式来证明该专家系统是可靠的。
    实验结果分析：本次实验中，为了便于理解实验过程，在对实验数据文件的处理上，不管是声明事实，还是定义规则等，本文都做了最大程度的精简，仅使用关键的概念断言事实(即模拟的各种突发状况)。实际情况复杂的实验可以在此基础上，通过添加各种详细的断言事实来完成。本实验仅仅是模拟，但根据应用场景的描述，实验结果是正确的，符合预定的判断，判决规则的有效性得到了验证，从而证明本文设计的判决规则的执行流程是可实施的。输出结果见图2。

4 结论
    基于JESS专家系统的智能家居安防系统，运用了控制技术实现了对室内全方位、立体的、完善的火灾探测、门窗防撬、防燃气泄露等智能安防报警自动化等功能，可靠性高、使用简单、成本低廉，能够满足一般的家庭需求。该系统充分利用了局域网内通信上的优势，实现了报警迅速、实时检测等功能，还能对该系统进行软件升级和整合新的功能模块，满足智能家居未来发展的需求。所以，随着无线通信技术、Internet技术的发展，该系统还可以用在银行、图书馆、大型超市等需要安防的地方，应用极其广泛，具有可开发性和可拓展性。