一种智能家居无感化控制系统
技术领域
本发明属于智能家居领域，具体涉及离散事件动态系统理论和逻辑控制等，提供一种满足用户个性化需求的无感化控制的方法，减少人们调控设备的操作量，从而更好地享受生活。
背景技术
随着智能感知、物联网、大数据、云计算等新兴技术的发展，智能家居的热度持续上升，家电智能化水平也在不断提升。虽然现今的家电智能化水平达到了较高的程度，但是对于智能家居系统，用户仍需要手动为这些智能设备设置复杂的逻辑规则，整个家居系统的管控水平未能与之相匹配。对于复杂又灵活的家居系统，需要通过自动感知用户的需求来设置和调整所有智能家居设备，从而提供理想的生活和工作环境。如何智能地帮助人们管理家居系统，让所有的设备协调统筹地运行，是亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种智能家居无感化控制系统。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种智能家居无感化控制系统，该系统的三端网络架构包括本地集成端、服务器端和移动终端，三端之间采用WebSocket通信。三层管控架构包括监控层、决策层和控制层，监控层位于服务器端，决策层位于本地集成端和服务器端，控制层位于本地集成端。
监控层根据传感器和设备的状态改变以及用户发出的指令来跟踪办公室的状态，输出办公室的当前状态给决策层。监控层采用离散事件系统理论予以实现，对于一系列传感器和指令事件，通过多传感器数据融合的方法得到系统发生的事件信息，根据建立的状态观测器，估计办公室的当前状态。
智能家居系统监控层的构造方法分为以下几个步骤：
步骤1:定义影响办公室状态的传感器和用户指令：
办公室状态主要分有人使用和长时间无人使用两种状态，依靠d0(门窗传感器)、m0～m3(人体传感器)、mr(虚拟人体传感器)可以准确判断。
同时，通过在本地端建立虚拟开关“break”和“report”来接收用户休息和汇报的指令。
步骤2:建立自动机模型：
本发明将办公室分为四种状态：休眠状态(用户长时间离开办公室)、工作状态、休息状态和汇报状态。通过对办公室内各状态以及状态间转移事件的定义，建立自动机模型。自动机模型是一个四元组，如以下公式所示：
其中
步骤3：确定可观事件：
定义每一个传感器被触发并输出状态改变信息的过程为一个传感器事件Ss，每一个人机交互指令发出并被办公室接收的过程为一个指令事件Sd。
自动机事件集合Σ中的任意一个事件σ发生时，会接连触发传感器事件集Ss和指令事件集Sd中的一个或若干个事件，提取这一个或若干个事件中能唯一确定状态转移的最少事件，将这样的一个或者若干个最少事件组成的序列称为事件σ的可观事件。具体对应表如下所示：
其中，上表中的符号说明如下表所示：
用d0m0即θ1表示开门后人进入房间，导致门窗传感器事件和人体传感器事件发生，门窗传感器和人体传感器打开；
步骤4：确定可观事件序列：
以广度优先的方式构建包含所有可能发生的传感器事件序列的状态树，可以将传感器和指令事件序列转换为可观事件序列。
初始，状态树处于初始状态，当一个传感器事件到达时，状态树进入相应的分支并到达下一状态，若当前状态为黑色标记，则形成一个相应的可观事件，与此同时，状态树回到初始状态等待另一个可观事件的形成；若当前状态为白色标记，则继续等待下一个传感器事件直到到达的状态为黑色标记的状态，然后产生一个相应的可观事件，状态树回到初始状态等待另一个可观事件的形成。在初始状态或白色标记状态中的任一状态，一旦发生指令事件，则状态树到达黑色标记状态，然后产生一个相应的可观事件，状态树回到初始状态等待另一个可观事件的发生。
步骤5：构建状态观测器：
首先，将自动机模型G中的所有自动机事件用可观事件集合Θ中相应的可观事件代替，能够得到另外一个不确定自动机Gnd:
Gnd＝(Q,Θ,δN,q0)
其中，
其次，将不确定自动机Gnd转化为它对应的确定自动机，也即它的状态观测
器Gobs：
Gobs＝(X,Θ,ξ,x0)＝AC(2Q,Θ,ξ,Q0)
其中，
x0＝Q0，
决策层根据监控层的输出，判断需要调节的设备，设计满足用户舒适度体验的调控顺序和自动化控制逻辑，发出相应设备的控制指令给控制层。
控制层接收来自决策层制定好的后续任务，通过改变虚拟组件的状态变量来完成控制工作。
本发明所达到的有益效果：以居住者为中心，在监控层、决策层和控制层中分别应用合适的方法制定相应管控策略，使用户摆脱复杂的设置工作。智能家居系统可以通过自动感知用户的需求来设置和调整所有智能家居设备，提高人与设备的交互水平，有效实现智能家居的无感化控制，满足用户需求。
附图说明
图1为本发明实施例中办公室的整体布局图。
图2为本发明实施例中办公室的传感器分布图。
图3为本发明实施例中智能家居管控系统架构。
图4为本发明实施例中智能家居系统三层控制框架。
图5为本发明实施例中智能家居系统监控层的自动机。
图6为本发明实施例中智能家居系统监控层的状态观测器。
图7为本发明实施例中智能家居系统监控层的状态树结构模型。
图8为本发明实施例中办公室状态跟踪整体架构图。
图9为本发明实施例中办公室工作状态决策流程。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。
本发明具体为一种智能家居无感化控制系统。该系统充分利用不同平台和软件的优势，将监控层、决策层和控制层的实现部署在智能家居软件系统的不同地方，并使得它们协调运行，实现无感化控制的目标。其中监控层采用离散事件系统理论进行顶层控制，详细说明了传感器事件发生或用户指令到达时，办公室状态的改变逻辑。
下面以一个具体实施例来说明根据本发明提出的技术方案如何实现智能家居系统的无感化控制。本实施例选择一间正常使用的个人办公室，搭建了完整的智能家居系统，以人进入办公室后，办公区顶灯自动打开为例，通过该系统来进行无感化控制说明。
图1是实施例某办公室的整体布局图，分为办公学习区和会客休息区。图2 是办公室的传感器分布图，有人体传感器、温度传感器、门窗传感器和光照度传感器等。该办公室有四种状态，分别是：休眠状态，休息状态，工作状态和汇报状态。当办公室处于休眠状态时，办公室内无用户活动；当办公室处于工作状态时，用户可在办公室任一位置办公；当办公室处于休息状态时，用户可在办公室任一位置小憩；当办公室处于汇报状态时，用户在办公室内使用投影仪作汇报。
该办公室的三端网络架构包括本地集成端、服务器端和移动终端，三端之间采用WebSocket通信，如图3所示。三层管控架构包括监控层、决策层和控制层，监控层根据传感器和设备的状态改变以及用户发出的指令来跟踪办公室的状态，输出办公室的当前状态给决策层；决策层根据监控层的输出，判断需要调节的设备，设计自动化控制逻辑，发出相应设备的控制指令给控制层；控制层根据决策层产生的决策，对设备进行控制。如图4所示。
监控层的实现在服务器端的业务层里。办公室的状态是离散的，且是由事件 (传感器事件和人机交互事件)触发状态的转移，所以本发明利用离散事件动态系统理论来建立监控层模型。当用户在布置有各类传感器和智能家居单品的室内活动时，会触发一系列的传感器事件，同时用户通过人机交互也可触发一系列指令事件，对于这一系列的传感器和指令事件，通过基于状态树结构模块将其转换为可观事件序列，然后根据建立的状态观测器，利用可观事件进行办公室状态估计。
监控层构造步骤如下：
步骤1:定义影响办公室状态的传感器和用户指令：
办公室状态主要分有人使用和长时间(半小时以上)无人使用两种状态，依靠d0(门窗传感器)、m0～m3(人体传感器)、mr(虚拟人体传感器)就可以准确判断，当m0～m3任意一个传感器被触发，则mr被触发，且当任意一个传感器的未触发时间小于20分钟时，mr保持on；当m0～m3四个传感器的未触发时间都大于20分钟时，mr回到off，故可以借助mr来判断当前办公室是否有人。
同时，通过在HASS平台上建立虚拟开关“break”和“report”来接收用户休息和汇报的意图。例如，当break开关被打开，就表示用户要休息，反之表示用户想结束休息开始工作。
步骤2:建立自动机模型：
办公室分为四种状态，分别为休眠状态、工作状态、休息状态和汇报状态。自动机的各个状态定义为：状态1：休眠状态；状态2：工作状态；状态3：休息状态；状态4：汇报状态。故自动机的状态集合为：
由于办公室的这四个状态是系统不同情况下的终态，所以自动机的标记状态集合为：
自动机的事件代表办公室在不同状态之间的转移，被定位如下：
b12:办公室状态由1变为2；b13:办公室状态由1变为3；b14:办公室状态由1变为4；
c21:办公室状态由2变为1；c23:办公室状态由2变为3；c24:办公室状态由2变为4；
d31:办公室状态由3变为1；d32:办公室状态由3变为2；d34:办公室状态由3 变为4；
e42:办公室状态由4变为2；e43:办公室状态由4变为3；
因此，事件集合：
∑＝{b12,b13,b14,c21,c23,c24,d31,d32,d34,e42,e43}
办公室状态的动态转移过程被定义为转移函数
δ(1，b12)＝2；δ(1，b13)＝3；δ(1，b14)＝4；
δ(2，c21)＝1；δ(2，c23)＝3；δ(2，c24)＝4；
δ(3，d31)＝1；δ(3，d32)＝2；δ(3，d34)＝4；
δ(4，e42)＝2；δ(4，e43)＝3；
由于办公室的初始状态不确定，且所有状态都是有可能的，故假设
步骤3：确定可观事件：
本发明的传感器事件和指令事件如下表所示。
因此，传感器事件集合：
指令事件集合：
自动机事件集合Σ中的任意一个事件σ发生时，会接连触发传感器事件集Ss和指令事件集Sd中的一个或若干个事件，提取这一个或若干个事件中能唯一确定状态转移的最少事件，将这样的一个或者若干个最少事件组成的序列称为事件σ的可观事件。
所有自动机事件及其对应的传感器和指令事件序列以及定义的可观事件用下表表示：
故定义可观事件集为：
Θ＝{θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6}
步骤4：确定可观事件序列：
本发明以广度优先的方式来构建状态树结构模型。系统的初始状态qst用灰色表示，过渡状态
基于图6的状态树结构模型，可以将传感器和指令事件序列转换为可观事件序列。办公室处于休眠状态，用户进门、工作，这个过程中发生的自动机事件为b12，相应的传感器事件序列为d0m0。对于序列d0m0，当传感器事件d0m0到达时，状态树生成一个可观事件θ1并回到初始状态。
步骤5：基于状态观测器的办公室状态估计
首先，将自动机模型G中的所有自动机事件用可观事件集合Θ中相应的可观事件代替，能够得到另外一个不确定自动机Gnd:
Gnd＝(Q,Θ,δN,q0)
其中，
其次，将不确定自动机Gnd转化为它对应的确定自动机，也即它的状态观测器Gobs：
Gobs＝(X,Θ,ξ,x0)＝AC(2Q,Θ,ξ,Q0)
其中，
x0＝Q0，
根据步骤5所示状态观测器的方法，建立的状态观测器如图7所示。根据此状态观测器，用户可以确定办公室的状态，及办公室状态改变的触发条件。整个办公室状态跟踪问题的结构框架如图8所示。
在人进入该办公室后，当自动机事件b12发生，即用户进入办公室使得办公室状态由休眠转为工作，首先发生的是门窗传感器事件d0，接着发生的是人体传感器事件m0,最后发生的是门窗传感器事件
服务器端接收到本地端传送的设备状态信息后，由于发生了影响办公室状态的事件，通过调用监控层接口，根据上述方法判断办公室状态，此时办公室由休眠状态变为工作状态。将此结果返回给服务器端，利用Websocket通信发送给本地集成端HASS。
决策层根据监控层的输出，判断需要调节的设备，设计满足用户舒适度体验的调控顺序和自动化控制逻辑，发出相应设备的控制指令给控制层。决策层的实现在本地集成端中，利用HASS中的Script脚本实现办公室状态改变时的各种组件操作。Script使用独立脚本组建手段，将其作为实体来实现。本发明实现了四个Script，开启休眠状态、开启工作状态、开启休息状态和开启汇报状态，分别是四个办公室状态下的决策层策略。
设备调控顺序的决策需要满足两个要求：其一，设备与设备之间的逻辑要避免矛盾和冲突；其二，由于设备状态的突变会给用户带来不适感，所以要进行优化，为用户创造良好的体验。考虑到温度和湿度在办公室处于工作、休息和汇报状态时都处于自动调节模式，不存在突变的情况，所以本发明主要考虑光照变化给用户带来的影响。由于沙发区的光照并非办公室的主要光照来源，只是作为沙发区的补足光源，所以开关落地灯对办公室照度影响较小，不会给用户带来明显影响，本发明不作考虑。综上，影响用户体验的主要是办公桌区光照控制的改变。办公室转变为工作状态时的决策层策略如图9所示。
办公室状态转变为工作状态后，决策层判断工作区的顶灯应打开，并将这一结果发送给控制层。
控制层的输入是决策层的输出。控制层的目的是保障设备调节到位，所以控制层由各组件的执行器组成。对于本发明的虚拟组件，其编程实现的控制器通过改变组件中代表状态的变量值来完成控制动作。此时控制层接收到办公区顶灯打开的控制指令，控制办公区顶灯打开。
以上，人在进入办公室后，通过监控层的办公室状态估计，决策层进行控制决策并将控制指令发送到控制层，实现了办公区的顶灯的自动开启，解放了人的双手，实现了该办公室的无感化控制，满足了用户需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
