CN101763107B - 基于多Agent的室内节电系统及其节电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多Agent的室内节电系统及其节电方法。它通过跟踪离开房间的主人所在位置决定是否自动关闭相关用电设备从而达到节电的目的，克服了目前的“人走灯灭”节能方法中，人员频繁出入房间导致频繁开关灯具等用电设备的不足。其结构为：它包括若干个个人Agent、若干个环境Agent、若干个房间Agent和至少一个管理Agent；其中，个人Agent用来识别人员身份；环境Agent收集房间里的环境信息；房间Agent根据环境Agent和管理Agent发来的信息进行综合判断来控制房间的用电设备；管理Agent对整个大楼的信息进行汇集和优化，可以对与房间Agent连接的任意设备进行远程控制。环境Agent之间以及环境Agent与房间Agent之间通过无线网络进行信息的交互，各个房间Agent通过以太网实现与管理Agent之间的通信。

Description

基于多Agent的室内节电系统及其节电方法

技术领域

本发明涉及一种楼宇节电系统，尤其涉及一种基于多Agent的室内节电系统及其节电方法。

背景技术

目前应用于楼宇中的智能节电系统国内外已有很多，但是大部分的节能方法采用的是“人走灯灭”的基本思路即人离开房间后就关掉房间内的用电设备。当人员频繁进出房间时，应用这种节能方法就会造成设备的频繁开关不但实现不了节能反而会浪费更多的能源，尤其是像空调这种启动需要消耗大量能源的设备；同时设备的频繁开关也会减少设备自身的使用寿命，所以我们急需一种新的节能技术来解决目前楼宇节能中存在的不足。正是由于多Agent技术的发展和它自身的优势它为我们的楼宇节能提供了一种的新的思路和方法。

国内外将多Agent系统应用于智能建筑领域的研究主要集中在两方面：一是定义不同种类不同层次的Agent，实现智能建筑环境中各种参数的优化控制；二是对Agent的自学习算法和Agent间交互机制的研究。最早将MAS应用于智能建筑中的是MIT人工智能实验室Brooks教授，他在1997年提出了采用MAS的控制体系结构。后来为了实现建筑物节能，Davidsson和Boman提出了用于建筑环境控制的多Agent系统，该多Agent系统由四类Agent组成。其中个人Agent将多个标记Agent搜集的信息综合分析后确定个人的参数，房间Agent根据这些参数来设定房间的环境参数值并决定采用何种控制策略，最后由环境Agent来实施控制策略。在前人的基础上，英国艾塞克斯大学的Vic Callaghan等进一步提出了面向智能建筑的Agent体系结构，系统采用分布式人工智能技术、基于模糊逻辑的嵌入式Agent技术以及互联网技术。Agent被设计嵌入到房间控制器等设备中，并通过计算机网络连接起来，传感器和执行器通过底层的现场总线连接起来。

在国内，Agent技术相关领域大多停留在理论研究和方案验证阶段，在建筑领域的研究尚不多见。福州大学在基于CORBA的多Agent智能建筑模型方面进行了研究，并以安保系统及照明系统为主要研究对象，在JALite开发平台上描述了系统如何通过Agent进行任务分配及交互。重庆大学以JADE作为开发平台，建立了一个建筑智能化系统集成的MAS模型。综上所述，可以看出多Agent在智能建筑中的应用目前仍停留在规划阶段。

发明内容

本发明是在Davidssion和Boman的MAS模型基础上进行了改进，提出并实现了基于多Agent的楼宇智能节电系统，它解决了目前的“人走灯灭”节能方法的不足，即当房间内的人员离开房间，如果采用现在的节能方法，房间里的灯和空调等用电设备就会立刻的自动关掉；当人员不一会又重新回到房间后，灯和空调等设备又会自动的打开。在这种情况下就会造成用电设备的频繁开关，尤其是像空调这种用电量大的设备的频繁开关，不仅实现不了节能反而会消耗更多的能源；同时也降低了设备本身的使用寿命。

为实现上述智能节电，避免频繁开关设备，本发明采用如下技术方案：

一种基于多Agent的室内节电系统，它包括若干个个人Agent、若干个环境Agent、若干个房间Agent和至少一个管理Agent；其中，

个人Agent用来识别人员的身份；

环境Agent用来收集房间里的环境信息；

房间Agent根据环境Agent和管理Agent发来的信息进行综合判断来控制房间的用电设备；

管理Agent把各个房间Agent发来的信息进行汇集和处理，对与房间Agent连接的各设备进行远程控制；

环境Agent之间以及环境Agent与房间Agent之间通过无线网络进行通信，各个房间Agent通过以太网和管理Agent进行通信。

所述个人Agent为射频卡，射频卡内写有携带它的人员身份信息，每个个人Agent都有自己独立的ID号码。

所述环境Agent包括环境微控制器，环境微控制器分别与温度传感器、湿度传感器、热释电红外传感器、光照度传感器、烟雾传感器、二氧化碳浓度传感器和射频收发器连接，射频收发器用于无线通信。

所述房间Agent包括房间微处理器，它通过射频收发器与无线网络连接；通过以太网接口与以太网连接；房间微处理器还有多个模拟量输出端、开关量输出端和数字量输出端；并通过红外遥控发射器控制空调。

所述环境微控制器为ATMEGA 64芯片，房间微处理器13为MC9S12NE64和MEGA64芯片，射频收发器为UM2455无线收发芯片。

一种基于多Agent的室内节电系统的节电方法，它的步骤为：

1)此房间的EA通过红外传感器检测到人员离开房间，并将此信息上传给房间Agent；

2)RA综合EA发来的信息，以及PA广播的消失判断主人已经离开房间；

3)RA通过询问EA得到房间设备的开关状态，当房间的用电设备未关时，RA开始询问主人的去处；

4)RA通过无线网络发送信息询问主人的去处，与此RA在同一网络的Agent收到这条信息后判断有没有收到含有此RA主人ID号的PA广播；如果收到PA广播则应答此RA，没有收到PA广播则不应答；

5)判断有无应答，如无应答则转入下一步；如有应答，则转入步骤7)；

6)询问MA有关房间主人的去处；当询问EA有关主人的去处未果时，RA就转而询问MA有关主人的去处，由于整个大楼内各个房间的room Agent以及走廊和大楼出入口的Agent通过以太网向管理Agent发送自己所在的环境信息因此MA的数据库内存有整个建筑内的信息其中包括楼内的人员信息；

7)判断主人是否会很快回来，如果很快回来，则房间设备维持原状态；如果主人还在大楼内并且不会很快回来或是主人已经离开大楼，则关掉灯和空调等用电设备；其中，当RA通过询问EA或是MA知道主人就在本楼层或是本楼层的上下两层则判定主人很快就会回来，否则认定主人不会很快回来。

本发明构建了一个基于多Agent的技术平台，其中相邻房间的Agent之间以及房间内的各个Agent之间组成一个无线网络，并通过无线网络进行通信，各个房间的room Agent即房间Agent通过以太网向管理Agent(management Agent)上传它们所在房间的信息。

1、无线网络

对于无线网络，主要解决的就是路由问题；在多Agent体系中，当相邻房间之间的Agent或是房间内的Agent之间进行通信的时候，发送方Agent会向无线网络中发送一帧信息，这帧信息包含有3个字段分别是MAC帧头、Net帧头和数据负载。在此无线网络中收到这帧信息的节点会对数据包进行解析，得到源地址与目的网络地址。根据当前节点是否为协调器判断是沿着树往上还是往下搜索，若是往上，则从每一层的路由节点开始判断目标节点是否在该层，若不在，则继续往上搜索直到第零层；往下，也是依次从每个路由节点判断是否是该节点还是在该层或是在下一层，直到最大深度，经过一层层的传递，信息最终到达目的地址；但是如果目的节点不在此无线网络中，那么发送方Agent会通过以太网重新发送一条信息，询问管理Agent来获取自己想要得到的数据。当一个房间内的房间Agent启动并初始化一些参数之后(工作频道，网络ID，邻居表等等)，环境Agent随之自动启动，并向房间Agent进行注册，这一行为可由以下程序实现：

1)寻找可以加入的网络节点，这个节点可以是房间Agent或是环境Agent，当房间Agent距离比较远的时候，环境Agent可以申请加入另一个环境Agent中，并由该环境Agent提供数据路由服务。需要加入网络的环境Agent首先发送需要加入网络的请求广播帧，周围存在的环境Agent或是房间Agent也将回应这个广播帧，回应的帧依然是广播帧，里面包含的信息为被请求加入的环境Agent的短地址，现在自己有没有多余的地址空间来允许加入。请求加入的环境Agent将会在一定时间内监听这些广播帧，选择其中一个信号强度最好的节点加入。

2)一旦决定了需要加入那个节点，该环境Agent从广播帧中取得将要加入环境Agent的短地址，向拥有该地址的环境Agent请求分配地址，同时发送的还有自己的ID号，以供地址注册用。

3)被请求加入的环境Agent，通过特定的方法生成一个短地址向房间Agent进行注册。该地址的生成方式类似IP地址的分配方式，通过IP地址的不同段(IP地址XX:XX:XX:XX，四段，类似树状网络的四层)，可以让加入设备知道从属哪个环境Agent之下，并且也知道如果有别的环境Agent申请加入自己的话，短地址该如何分配。

2、以太网

基于TCP/IP的以太网是一种标准的开放式通信网络，不同的设备之间很容易互联，同时以太网还具有相当高的数据传输速率，可以提供足够的带宽；而且以太网资源共享能力强，利用以太网很容易将I/O数据连接到信息系统中，数据可以以实时方式与信息系统上的资源、应用软件和数据库共享。所以我们通过以太网将各个房间的room Agent和管理Agent进行互联，以实现数据的共享。

3、各类Agent

在多Agent的体系中，我们把Agent分为了4类：分别是个人Agent(PA)、环境Agent(EA)、房间Agent(RA)和管理Agent(MA)。

每个房间内至少存在一个环境Agent和一个房间Agent。房间内的EA和RA之间以及相邻房间的各Agent之间组成一个无线网络，各EA和RA之间通过无线进行通信。

个人Agent是人员身份识别的射频卡。当携带它的人进入建筑物内，它就会不停的向周围发送广播，以便于房间内的EA能够识别。当房间的主人离开房间的时候，EA会把此消息上传给这个房间的RA，然后RA会向其他房间的EA和RA询问主人的去处，当其他房间的Agent没有做出应答时，RA就会通过以太网向管理Agent询问主人的去处。当知道主人已经离开了大楼，房间Agent就会控制执行器把房间内的空调以及其他的用电设备关掉；如果主人只是在附近的房间内通过判断，房间Agent知道主人一会就会回到房间，这时房间的设备不动作维持现状。这样就避免了频繁开关空调等用电设备的情况，以达到节能的效果。

本发明的有益效果是：在建筑物内应用基于多Agent的智能节能技术，特别是在大型的建筑物、超高层建筑，应用多Agent的智能节电技术对进一步实现建筑节能具有重要意义：

(1)基于多Agent的智能节电技术，通过无线网络实现多Agent之间的信息交互这样就避免了现场布线的繁琐。

(2)利用开放式的以太网，管理Agent可以很方便的获取各个房间的环境信息，并可以与其他房间Agent实现数据共享。

(3)通过多Agent之间的交互，可以很方便的确定建筑物内人员的位置，并据此进一步的实现建筑节能，避免现有“人走灯灭”的情况。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为环境Agent结构图；

图3为房间Agent结构图；

图4为射频收发器电路；

图5为以太网接口电路；

图6为本发明节能算法流程图。

其中，1.个人Agent，2.环境Agent，3.房间Agent，4.管理Agent，5.温度传感器，6.湿度传感器，7.热释电红外传感器，8.光照度传感器，9.烟雾传感器，10.环境微控制器，11.射频收发器，12.输入调理电路，13.房间微处理器，14.模拟量输出端，15.数字量输出端，16.开关量输出端，17.以太网接口。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本发明包括个人Agent1、环境Agent2、房间Agent3、和管理Agent4；其中，

个人Agent1是人员身份识别的射频卡；大楼内的每个办公人员都携带有一个个人Agent1。

环境Agent2用来收集房间里的环境信息，其中包括有房间里的温湿度、光照度、设备的开关状态等等；

房间Agent3根据环境Agent2发来的有关的房间的环境参数信息和管理Agent4发来的有关主人的更具体的位置信息进行综合判断来控制房间的用电设备；

管理Agent4对整个大楼的信息进行汇集和优化，可以对任意与房间Agent3连接的设备进行远程控制。大楼内的所有房间Agent3都通过以太网向管理Agent4发送自己所在房间的温度、光照度、存在人员情况和房间内的设备开关状态等等，同时管理Agent4也可以通过以太网给各个房间Agent3下传控制命令实现对房间内的设备的远程控制。

在同一个无线网络中的各个环境Agent2之间以及环境Agent2与房间Agent3之间通过无线网络进行通信。各个房间Agent3通过以太网向管理Agent4上传它们所在房间的信息。正是由于各个Agent之间的交互，所以房间Agent3可以很好的理解房间以及周围环境信息，依此来实现对房间设备的节电控制。

个人Agent1是一个射频卡，里面写有携带它的人员身份。个人Agent同样采用2455芯片设计，但是它不作为这个无线网络中的一个节点。PA仅仅发送一个有ID广播帧，这个广播帧，可以被无线网络中的任何节点收到(EA或者RA)，最终RA根据获得该广播帧的节点的ID号，来确定人员的位置。

图2中，环境Agent2集成了温度传感器5、湿度传感器6、热释电红外传感器7、光照度传感器8和烟雾传感器9，以上传感器将检测到的环境信息转化为电信号输入到环境微控制器10中，其中温度传感器5用来检测房间的温度情况，湿度传感器6用来检测房间的湿度，热释电红外传感器7用来检测人员进出房间的情况，光照度传感器8用来检测室内和室外的光照强度，烟雾传感器9通过检测烟雾的浓度来实现火灾防范；

同时环境Agent2还有用于无线通信的收发设备即射频收发器11和接收房间内电气设备开关状态的输入调理电路12。其中，环境微控制器10为ATMEGA 64芯片。

环境Agent2的功能主要是收集房间的环境信息，包括温度、湿度、光照度和二氧化碳浓度以及人员存在情况等等；其中对温湿度、光照度等信息的收集主要是通过集成传感器来感知房间的环境，而对于人员的情况信息的收集主要是通过无线通信的收发设备——射频收发器用来接收个人Agent1发来的广播。除此之外环境Agent2还有接收房间内电气设备开关状态的输入调理电路12。调理电路把表征房间内用电设备开关状态的信号输入到环境微控制器10中，环境Agent2据此判断当前房间内的设备的开关状态。当房间内的环境参数发生变化的时候，比如房间的主人离开房间，环境Agent就会通过无线网络向此房间的room Agent报告。

在EA的设计这方面，我们采用的ATMEGA 64芯片有丰富的外扩接口，包括8路A/D输入，普通I/O接口，SPI，TWI等等，基本上覆盖了市面常见的各类传感器接口。目前的设计中，我们使用了单总线温湿度传感器(DHT21，奥松公司产品)，该传感器占用一个I/O口；红外传感器，一个I/O口；光敏电阻，占用一路A/D。除了UM2455所占用的一个SPI口之外，MEGA64空余的其他管脚全部外接，这样可以使用一个EA完成多种环境参数的测量。网络中的多个EA协同工作就可以监视比较大范围内的各种环境参数，完全满足了RA对环境信息的获取要求。

硬件平台的搭建采用达盛电子公司的UM2455无线收发芯片+AVR ATMEGA 64处理器。UM2455芯片工作于(2.4-2.48Ghz)ISM免费频段的，具有16个扩频通信信道的，传输速率为625KBPS，具有CSMA-CCA功能，采用直接序列扩频通讯，抗干扰力强。该芯片通过SPI接口与CPU连接，占用较少的CPU管脚。工作电压为2.4-3.6V可以采用电池供电，发射电流20毫安，接收电流23毫安。覆盖范围可以从几十米到几百米。当处于休眠状态时，耗电量也非常小。其休眠态耗电仅1uW。

图3中，房间Agent3包括房间微处理器13，它通过射频收发器11与无线网络连接；通过以太网接口17与以太网连接；房间微处理器13还有多个模拟量输出端14和数字量输出端15以及开关量输出端16。

房间微处理器13为MC9S12NE64和MEGA64芯片。

房间Agent3通过无线网络和房间内的环境Agent、相邻房间的环境Agent以及room Agent之间进行通信，来获取房间内以及周围的环境参数，如房间的温度和湿度，光照度以及房间内是否有人等信息。房间Agent3把从各个Agent收集来的信息进行融合，产生Agent内部能接受和理解的表现形式；然后房间Agent3根据自己的意图，对信息进行相应的处理形成具体的规划，并作用于执行器来控制房间内的用电设备。根据用电设备控制方式的不同，把房间Agent3的输出电路分为模拟量输出、数字量输出和开关量输出。环境Agent2一样，房间Agent3和周围的Agent通信的时候也是通过无线网络来实现的；不同的是房间Agent3除了有无线通信的方式外，它还可以通过以太网与管理Agent4之间进行通信。房间Agent3把所在房间设备的控制策略与房间的环境参数等信息上传给管理Agent4，如果房间Agent3需要其他房间的环境信息时，而通过无线网络又无法得到所需要的信息时，这时房间Agent3就会通过以太网向管理Agent4询问所需要的信息。

管理Agent4实际上就是一个拥有专用能源管理软件电脑，它作为整个建筑的信息管理中心，将每个房间的人员存在情况和设备的运行情况保存到实时数据库中，并可以根据优化算法对建筑内的各个子系统如照明系统、空调系统等等进行节能优化以实现最大的节约能源。

图4中，射频收发器11为UM2455无线收发芯片。

图5中，为以太网RJ45接口电路。

本发明的工作过程如图6所示：

1)此房间的EA通过红外传感器检测到人员离开房间，并将此信息上传给房间Agent；

2)RA综合EA发来的信息，以及PA广播的消失判断主人已经离开房间；

3)RA通过询问EA得到房间设备的开关状态，当房间的用电设备未关时，RA开始询问主人的去处。

4)RA通过无线网络发送信息询问主人的去处，与此RA在同一网络的Agent收到这条信息后判断有没有收到含有此RA主人ID号的PA广播；如果收到PA广播则应答此RA，没有收到PA广播则不应答。

5)判断有无应答，如无应答则转入下一步；如有应答，则转入步骤7)；

6)询问MA有关房间主人的去处；当询问EA有关主人的去处未果时，RA就转而询问MA有关主人的去处，由于整个大楼内各个房间的room Agent以及走廊和大楼出入口的Agent通过以太网向管理Agent发送自己所在的环境信息因此MA的数据库内存有整个建筑内的信息其中包括楼内的人员信息。

7)判断主人是否会很快回来，如果很快回来，则房间设备维持原状态；如果主人还在大楼内并且不会很快回来或是主人已经离开大楼，则关掉灯和空调等用电设备。当RA通过询问EA或是MA知道主人就在本楼层或是本楼层的上下两层则判定主人很快就会回来，否则认定主人不会很快回来。

Claims (1)

1.一种基于多Agent的室内节电系统的节电方法，它包括若干个个人Agent、若干个环境Agent、若干个房间Agent和至少一个管理Agent；其中，

个人Agent用来识别人员的身份；

环境Agent用来收集房间里的环境信息；

房间Agent根据环境Agent和管理Agent发来的信息进行综合判断来控制房间的用电设备；

管理Agent把各个房间Agent发来的信息进行汇集和处理，对与房间Agent连接的各房间的用电设备进行远程控制；

环境Agent之间以及环境Agent与房间Agent之间通过无线网络进行通信，各个房间Agent通过以太网和管理Agent进行通信；

其特征是，它的步骤为：

1)此房间的环境Agent通过红外传感器检测到人员离开房间，并将此信息上传给房间Agent；

2)房间Agent综合环境Agent发来的信息，以及个人Agent广播的消失判断主人已经离开房间；

3)房间Agent通过询问环境Agent得到房间的用电设备的开关状态，当房间的用电设备未关时，房间Agent开始询问主人的去处；

4)房间Agent通过无线网络发送信息询问主人的去处，与此房间Agent在同一网络的Agent收到这条信息后判断有没有收到含有此房间Agent主人ID号的个人Agent广播；如果收到个人Agent广播则应答此房间Agent，没有收到个人Agent广播则不应答；

5)判断有无应答，如无应答则转入下一步；如有应答，则转入步骤7)；

6)询问管理Agent有关房间主人的去处；当询问环境Agent有关主人的去处未果时，房间Agent就转而询问管理Agent有关主人的去处，由于整个大楼内各个房间的房间Agent以及走廊和大楼出入口的环境Agent通过以太网向管理Agent发送自己所在的环境信息因此管理Agent的数据库内存有整个建筑内的信息其中包括楼内的人员信息；

7)判断主人是否会很快回来，如果很快回来，则房间的用电设备维持原状态；如果主人还在大楼内并且不会很快回来或是主人已经离开大楼，则关掉房间的用电设备；其中，当房间Agent通过询问环境Agent或是管理Agent知道主人就在本楼层或是本楼层的上下两层则判定主人很快就会回来，否则认定主人不会很快回来。

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