基于智能集成控制理論的智慧辦公系統(tǒng)設(shè)計

龍家豪，葉曦，錢同惠

（江漢大學(xué)智能制造學(xué)院，湖北武漢 430056）

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及智能硬件、可穿戴設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在日常生活中的逐漸普及，“智能化”的概念受到很多消費者的青睞，作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家庭和生活環(huán)境中的一個重要應(yīng)用，智能家居受到了產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，智能家居的應(yīng)用也延伸到了辦公場景中：智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接辦公環(huán)境中的各種電子設(shè)備，提供家電控制、遠程控制、環(huán)境監(jiān)測、危險預(yù)警、安全監(jiān)控等多種智能化服務(wù)［1-2］。

智能家居的發(fā)展為人們帶來了諸多益處，但同時也面臨著許多問題。智能家居系統(tǒng)存在很多安全漏洞，不僅給用戶帶來隱私泄露風(fēng)險，還可能造成用戶財產(chǎn)損失，甚至威脅用戶的人身安全，僵尸網(wǎng)絡(luò)的控制者可以利用智能攝像頭、智能網(wǎng)關(guān)、智能家電等設(shè)備發(fā)動大規(guī)模DDOS攻擊［3］。智能家居的設(shè)備控制平臺冗雜，很多智能家居系統(tǒng)采用多平臺控制，用戶使用不方便［4］。目前，部分智能家居控制僅僅通過ZigBee實現(xiàn)，其不能直接與手機通信，并且穩(wěn)定性弱，給用戶的體驗效果不佳［5］。同時，市面上的大部分智能家居產(chǎn)品在追求卓越性能時，很少有產(chǎn)品關(guān)注到智能家居的綠色環(huán)保性［6］。本文針對以上問題，運用集成控制理論，設(shè)計了若干子系統(tǒng)，并且將其整合于手機App中。同時，用戶可以根據(jù)自己的需求，個性化設(shè)置系統(tǒng)的智能場景控制模塊。該系統(tǒng)成功運用于江漢大學(xué)辦公場景中，解決了該辦公場景的安防系統(tǒng)性能薄弱、智能環(huán)保體系欠缺、硬件設(shè)備繁瑣冗雜等問題，使得辦公系統(tǒng)更加智能化、人性化、綠色化、安全化、一體化，該系統(tǒng)亦具備充足的可靠性、實用性，提升了辦公效率。

1 智能集成控制理論

1.1 集成控制思路

隨著傳感器技術(shù)、自動化技術(shù)、嵌入式技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云平臺、移動互聯(lián)等基礎(chǔ)應(yīng)用的迅速發(fā)展，智能家居的功能組成將變得更加多樣化。本文將PID優(yōu)化控制、WiFi技術(shù)以及ZigBee技術(shù)整合起來形成智能集成控制理論：利用ZigBee技術(shù)將智能家居中的傳感器與網(wǎng)關(guān)相連；利用WiFi技術(shù)將智能家居產(chǎn)品相連，同時網(wǎng)關(guān)也與WiFi相連，最后通過手機App對各智能家居設(shè)備進行監(jiān)控，部分家居產(chǎn)品通過PID算法優(yōu)化，實現(xiàn)對其精準控制［7］。集成控制系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。

圖1 集成控制系統(tǒng)的基本思路框圖Fig.1 Block diagram of integrated control system

1.2 無線通信技術(shù)

本系統(tǒng)中的光照傳感器、人體紅外傳感器等設(shè)備基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通過各無線模塊于各子節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)辦公范圍的實時監(jiān)測，最后通過路由器傳輸?shù)绞謾CApp上。為了保障智能家居系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性，整個系統(tǒng)選取網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面有限的情況可通過添加相應(yīng)路由設(shè)備來保障網(wǎng)絡(luò)通信。而其他智能家居設(shè)備則是通過連接路由器與手機App相連，同時網(wǎng)關(guān)將不同協(xié)議設(shè)備的智能家居產(chǎn)品互聯(lián)互通，實現(xiàn)聯(lián)動操控。

1.3 PID控制系統(tǒng)的設(shè)計

1.3.1 PID控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)PID控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 PID控制系統(tǒng)的基本思路框圖Fig.2 Block diagram of PID control system

在整個PID控制系統(tǒng)中，PID控制器是最核心的環(huán)節(jié)，主要由以下幾部分構(gòu)成。

1）PID控制接口：即PID控制量化處理模塊，主要用來接收各模塊給定值與被控對象最終輸出間的偏差量（由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器傳送）。PID控制器需要將信號接收并處理。

2）PID控制算法模塊：PWM信號輸入到該模塊時，根據(jù)知識庫（通常是控制經(jīng)驗，提前存儲起來的專家知識），完成PID控制輸出量的推理過程。

3）輸出量接口：經(jīng)過PID控制算法輸出的是數(shù)字量，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器變換成模擬量，傳遞到執(zhí)行機構(gòu)［8］。

1.3.2 PID控制算法PID控制算法根據(jù)比例增益-積分增益-微分增益3個因子之和從而獲得輸出，圖3所示為PID控制算法的原理圖。

圖3 PID控制算法原理圖Fig.3 PID control algorithm schematic diagram

對于PID控制器來說，e(t)為輸入值，u(t)為輸出值。其中，y(t)是被控對象u(t)的輸出，r(t)為設(shè)定的目標值。e(t)是r(t)和y(t)的偏差，如公式（1）所示，表示當(dāng)前被控對象的輸出距離目標設(shè)置值的差值。

3種因子為3種算法的調(diào)節(jié)因子，分為3個部分進行說明。

比例增益（Pout）考慮的是當(dāng)下時間點的偏差來控制調(diào)節(jié)的強度。如公式（2）所示，偏差越大，輸出強度越強。比例系數(shù)Kp控制比例增益的強弱。

積分增益（Iout）考慮的是過去的偏差。將過去偏差值與一個比例系數(shù)Ki相乘，如公式（3）所示。過去的偏差積累越大，控制器的輸出越會通過積分增益加速接近設(shè)定值。

微分增益（Dout）考慮的是將來的偏差。對偏差求一階導(dǎo)數(shù)，與一個比例系數(shù)Kd相乘,如公式（4）所示。微分增益反映了偏差信號的變化趨勢。

結(jié)合以上幾個增益因子，構(gòu)成了PID控制算法如公式（5）所示：

1.4 集成控制模型設(shè)計

如果一個系統(tǒng)由n個子系統(tǒng)構(gòu)成，只要有一個子系統(tǒng)正常工作，則系統(tǒng)就能正常工作，而只有當(dāng)n個子系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)才發(fā)生故障，這種系統(tǒng)就稱為由n個子系統(tǒng)構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 并聯(lián)系統(tǒng)模型圖Fig.4 Parallel system model diagram

并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性非常好，適合本文中的智慧辦公系統(tǒng)使用，設(shè)第i個子系統(tǒng)的壽命為xi，其可靠度為Ri(t)=P(xi>t),i=1,2,…,n,且各單元相互獨立，則有：

式中，Rs(t)表示系統(tǒng)的可靠度；Ri(t)表示第i個子系統(tǒng)的可靠度；xi表示第i個子系統(tǒng)的壽命，因為只要有一個子系統(tǒng)存在系統(tǒng)就存在，所以xi中的最大值就是系統(tǒng)的壽命X；t為系統(tǒng)需求的最少工作時間；P為系統(tǒng)在規(guī)定時間（即系統(tǒng)壽命）和條件下，完成規(guī)定功能的概率，一般系統(tǒng)的可靠度即為該概率。由公式（6）不難得出，并聯(lián)子系統(tǒng)越多，系統(tǒng)的可靠度也就越大，并且，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度大于任何一個子系統(tǒng)的可靠度。在智慧辦公系統(tǒng)中，為了提高某一部分的可靠度，并且在充分考慮成本的情況下，可以改變該系統(tǒng)的組成架構(gòu)，增加其組成單元中并聯(lián)單元的數(shù)量［9］。

2 基于智能集成控制的智慧辦公系統(tǒng)框架設(shè)計

2.1 智慧辦公系統(tǒng)需求分析

智慧辦公系統(tǒng)是將智能家居各終端設(shè)備、用戶控制、應(yīng)用場景以及會議相關(guān)設(shè)備一體化的綜合性管理系統(tǒng)。以下分別就智能家居、應(yīng)用場景和手機App的功能需求進行說明［10］。

現(xiàn)階段，智能家居還鮮少應(yīng)用在辦公場景當(dāng)中。本系統(tǒng)充分考慮用戶的日常辦公需求以及會議需求，實現(xiàn)了遠程控制以及智慧安防功能，在保證系統(tǒng)性能特點的基礎(chǔ)上，解決了系統(tǒng)的安全問題［11］。為了對智能家居的各個設(shè)備更好地進行集成控制，需要建立一個智能云平臺對各個子系統(tǒng)進行一體化管理與使用。

2.2 智慧辦公系統(tǒng)框架分析

本文提出的智慧辦公系統(tǒng)架構(gòu)模型如圖5所示。本文綜合考慮辦公系統(tǒng)以及會議室的需求，設(shè)計了智能燈控、會議投屏、智能遮光、智慧環(huán)保、智慧安防5個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)由路由器連接起來，而各傳感器通過ZigBee技術(shù)，再由藍牙網(wǎng)關(guān)連接至路由器，從而可實時監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，并且顯示至云平臺用戶管理界面，在該界面同時也可以看到人員進出日志。同時，智能音箱通過路由器連接至系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)智能音箱語音提示對子系統(tǒng)進行操作。

圖5 智慧辦公系統(tǒng)架構(gòu)模型Fig.5 Smart office system architecture model

3 智慧辦公系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

本系統(tǒng)應(yīng)用于江漢大學(xué)辦公環(huán)境當(dāng)中，分別對各個子系統(tǒng)進行功能測試，目的是為了驗證該系統(tǒng)能否滿足智慧辦公系統(tǒng)需求。

3.1 智能燈控系統(tǒng)測試

本文采用增量型PID電壓/電流控制模式，采集到的輸出電壓/電流值與用戶期望的輸出值產(chǎn)生偏差值。PID控制算法依據(jù)偏差值計算所需的PWM占空比，通過調(diào)整占空比改變輸出，將其輸出給燈控系統(tǒng)，從而在智能云平臺上遠程控制燈控的開關(guān)，實現(xiàn)色溫亮度自由調(diào)節(jié)，其軟件流程圖如圖6所示。界面如圖7所示，將燈光調(diào)至明亮通透，配合日常辦公使用；或者將燈光調(diào)至柔和舒適，配合會議投屏系統(tǒng)使用，實現(xiàn)場景聯(lián)動。

圖6 PWM軟件流程圖Fig.6 PWM software flow chart

圖7 智能燈控系統(tǒng)界面Fig.7 Interface diagram of the intelligent light control system

3.2 智能遮光系統(tǒng)測試

智能遮光系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是利用光照傳感器采集環(huán)境光照強度，利用窗簾電機對窗簾進行閉合控制，將光照傳感器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)進行通信，網(wǎng)關(guān)通過WiFi接入智能云平臺，用戶進行遠程控制，系統(tǒng)的總體框架如圖8所示。當(dāng)智能遮光系統(tǒng)開啟時，如果光照強度超過用戶所設(shè)置的閾值，窗簾電機便自動閉合，形成閉環(huán)控制，其測試界面如圖9所示。

圖8 智能遮光系統(tǒng)框架圖Fig.8 Block diagram of the smart shading system

圖9 智能遮光系統(tǒng)界面Fig.9 Interface diagram of the smart shading system

3.3 會議投屏系統(tǒng)測試

會議投屏系統(tǒng)由投影儀、窗簾電機、智能音響組成，本文通過一種合理的設(shè)備組網(wǎng)方式來連接會議投屏系統(tǒng)。通過WiFi管理窗簾電機，通過總線技術(shù)連接投影儀和智能音響，各個設(shè)備通用接口采用HTTP請求方式，設(shè)備服務(wù)采用集成的方式和成型的接口協(xié)議來接收發(fā)送數(shù)據(jù)，以達到設(shè)備的控制。用戶可以在智能云平臺上選擇會議投屏場景，根據(jù)實際需求，自定義實現(xiàn)場景聯(lián)動：幕布拉下、投影儀打開、部分燈光關(guān)閉、窗簾電機自動閉合，形成投屏環(huán)境。如圖10（a）所示，會議投屏系統(tǒng)開啟時，與智能燈控系統(tǒng)以及智能遮光系統(tǒng)形成場景聯(lián)動，為會議營造良好的投影效果。

3.4 智能環(huán)保系統(tǒng)測試

智慧環(huán)保系統(tǒng)由智能加濕器以及智能環(huán)保器組成，當(dāng)智慧環(huán)保系統(tǒng)開啟時，智能加濕器實時監(jiān)測環(huán)境，可以自動調(diào)節(jié)空氣濕度，并且智能環(huán)保器運用激光SLAM算法和視覺SLAM算法，結(jié)合視覺傳感器提取圖像特征點，將采集的數(shù)據(jù)融合匹配，完成動態(tài)路徑規(guī)劃，快速建立房間二維圖，通過智能云平臺啟動智慧環(huán)保器，可以自動對辦公環(huán)境進行清掃，同時實現(xiàn)對障礙物的測距和避障，如圖10（b）所示。圖10（c）為智能加濕器界面，設(shè)有恒濕模式，加濕器自動監(jiān)測濕度并調(diào)節(jié)加濕量，默認濕度恒定在60%RH，用戶也可通過云平臺設(shè)定為40%RH～70%RH之間，模擬水的自然蒸發(fā)，驅(qū)散室內(nèi)干燥，為辦公人員提供舒適的環(huán)境。

圖10 會議投屏系統(tǒng)與智慧環(huán)保系統(tǒng)Fig.10 The conference screen projection system and smart environmental protection system

3.5 智能安防系統(tǒng)測試

智能安防系統(tǒng)由智能門鎖、煙霧傳感器以及人體紅外傳感器構(gòu)成。當(dāng)智能安防系統(tǒng)開啟時，整個系統(tǒng)進入延時掃描狀態(tài)，實時監(jiān)測各傳感器的信號。

用來傳送傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)是ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點檢測到傳感器節(jié)點后，將其加入自組織網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)所有的傳感器節(jié)點都加入網(wǎng)絡(luò)后，通過OSAL操作系統(tǒng)輪詢機制檢測到有傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的需求時，調(diào)用發(fā)送函數(shù)，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方；接收方需要調(diào)用接收函數(shù)，執(zhí)行接收的步驟，從而實現(xiàn)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到后端系統(tǒng)的過程。

通過智能云平臺的用戶管理界面可實時監(jiān)測智能門鎖的開關(guān)狀態(tài)，如圖11所示，同時人體紅外傳感器可以根據(jù)用戶需求設(shè)立在辦公系統(tǒng)的窗口等一般不會有辦公人員出入的位置，當(dāng)智能安防系統(tǒng)遭遇入侵，人體紅外感應(yīng)傳感器的紅外探頭檢測到信號，輸出高電平，由于采用的是可重復(fù)觸發(fā)方式，只有當(dāng)人體離開時才會從高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r報警系統(tǒng)工作，蜂鳴器響起。

圖11 智能安防系統(tǒng)界面Fig.11 Interface diagram of the smart security system

綜上所述，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于江漢大學(xué)辦公場景當(dāng)中，滿足本文提到的需求，辦公人員反響良好，智慧辦公系統(tǒng)整體場景如圖12所示。

圖12 智慧辦公系統(tǒng)場景Fig.12 Smart office system scenario

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文設(shè)計了基于集成控制的智慧辦公系統(tǒng)的總體框架及各個子系統(tǒng)。該系統(tǒng)將集成控制理論運用于智能家居當(dāng)中，設(shè)立云平臺，將各個子系統(tǒng)統(tǒng)籌管理，通過用戶管理功能以及燈控系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)等，達到了節(jié)能環(huán)保和安全辦公的效果；采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線投屏應(yīng)用，解決了目前大部分智能家居存在的可靠性弱、安全性差、布線繁雜等問題。該系統(tǒng)在江漢大學(xué)辦公環(huán)境中的使用測試實現(xiàn)了多用戶多應(yīng)用場景認證與訪問控制，以員工辦公場景為出發(fā)點，根據(jù)用戶需要，設(shè)計個性場景控制，打造了安全、節(jié)能、舒適、便捷、穩(wěn)定的辦公環(huán)境，同時比傳統(tǒng)的辦公系統(tǒng)擁有更好的用戶、數(shù)據(jù)、設(shè)備管理功能以及更強的資源整合能力。

4.2 展望

（1）設(shè)備聯(lián)動場景錯誤檢測

本系統(tǒng)中設(shè)計了多個應(yīng)用場景以及多個設(shè)備集成控制，用戶根據(jù)辦公需要也可以自定義數(shù)目繁多的設(shè)備聯(lián)動規(guī)則，然而由于用戶經(jīng)驗的不足，自定義的聯(lián)動場景本身即有可能對用戶安全與隱私造成威脅，同時，眾多的聯(lián)動場景之間可能存在沖突操作。如何檢驗聯(lián)動場景安全性以及合理性，如何檢測并消除聯(lián)動場景之間的沖突操作是未來研究的重點。

（2）設(shè)備固件漏洞挖掘技術(shù)

智能家居產(chǎn)品及其漏洞數(shù)量巨大，現(xiàn)階段挖掘智能家居設(shè)備固件漏洞多依賴于人工分析設(shè)備固件，此種方法效率較低，目前難以適用于固件漏洞挖掘。因此，如何構(gòu)建固件模擬執(zhí)行環(huán)境以利用于動態(tài)漏洞挖掘，如何支持多元化架構(gòu)的固件靜態(tài)分析以利于靜態(tài)漏洞挖掘成為當(dāng)前亟待解決的問題。