CN1219251A - 家庭和大楼自动化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种家庭和大楼自动化系统(30)的程序控制方法,利用标准的程序和传感器(40)来监测各个房间里的人(12)。为了节省能源和提高舒适性,自动化系统根据需要来触发设备(24)或是编组设备的操作机构(52)。利用软件中的一种自适应的自我学习算法,连续地存储单个房间以及所有几个房间内的一或多个人(12)的有规律的以及偶然的行为。这种算法可以自动地自我适应,并且和可调的确定性算法相结合地触发操作机构(52)。用按房间排列的优化算法和外部的参数编制成一个算法,使自动化系统得到全面优化。相应地反回去修改单个房间的算法。自我学习程序是由来自现场监测和活动监测传感器(40)的信号来控制的。在每个房间中至少装有一个传感器(40),用于对现场和人(12)的活动进行监测。这些传感器被连接到现场和活动控制的闭环控制电路(32)。在这些由计算机(34)构成的神经型网络中包括用软件控制来实现的决定性以及自适应的自我学习算法。

Description

家庭和大楼自动化系统
本发明涉及到一种借助于软件和用来监测人的传感器优化控制家庭和大楼自动化系统的方法，在自动化系统中为实现节能和改善舒适性，根据需要来触发设备或是编组设备的操作机构。本发明还涉及到一种用来执行这种程序及其应用的自动化系统。
为了改善居住的舒适性，目前已经有人提出和实现了多种形式的家庭和大楼自动化系统。政府的政策和不断提高的环境保护意识都要求通过减少能源消耗来保护地球资源。
早在80年代初期，空气调节系统的冷却和加热功率会受到单个房间内舒适性要求的影响，并且用现场的传感器来控制能量控制系统中的能量，例如美国专利US4407447中所述。按照该专利的说明书所述，如果有关的现场传感器检测到房间中有一个人并且提供了报告，就通过提供相应的暖气或是冷气把温度从没有控制的室温调节到预定的额定温度。如果人离开了房间，就停止供气，这样就能从整体上减少能量的消耗。这种系统是直接响应现场至少有一个人的要求而工作的，但是它的缺点在于系统的舒适性具有固有的惯性。例如，不能充分地甚至完全不能适应被加热或是冷却的房间的热惯性。
US4567557提出了另一种改进的所谓智能化的大楼自动化系统。它是一个具有许多输入侧传感器的核心结构系统，用传感器向中央处理器发送自身的信息或是控制指令，并且用输出侧的操作机构从处理器接收控制指令。该系统中的决定因素首先是核心方案，所有信息都必须到达中央处理器，其次是决定方案，要把所有可能的情况及其组合用一种“行为模式”进行编程和存储，以供后续取用。
在后来的几年中，系统已经发展到了所谓的“全家式系统”。这其中包括通过安装的电源网络来控制灯和控制对象，该系统可以使用现有的内部结构，不需要明显改变结构。该系统包括一个中央单元和诸如开关，调光器和闸门控制器等等各种接收单元。如上所述，用现有的带插座的230V网络线当作信号线。这样就能在大楼中储存和重复使用满足不同程序要求的复杂控制顺序。
一种决定方案被认为是全能的系统，它的程序顺序是在时间控制的基础上按照传感器的要求或是人工干预来触发的。这些被称为模式程序的系统仅仅适用于特定的场所，并且具有时间上的限制。
应用户的要求作出改变需要重新编制系统的程序，这样做超出了用户的能力，或者是有可能惊吓通常是非专业人员的用户。例如，如果要把儿童卧室的用途改变成储藏室，从道理上来说就要产生不同的条件。已知的系统要做到这一点是有困难的，或者是不能令人满意，或者是完全不能响应环境的自发变化和/或用户的习惯。例如，由具备专业知识的家庭成员来进行家庭管理的家庭自动化系统被编程为在白天降低温度。如果有一个家庭成员因为生病而留在家里，系统就会作出错误的响应。此时需要有人工干预。恢复到正常模式，但是又常常会忘记。
CH,A683473公开了一种用电子电路延迟关灯的方法，采用被动式红外线传感器作为活动传感器。在其中可以输入时间延迟的规定输出值，或者是存储学习的值。这种值可以自动地修改，并且能连续响应被动式红外线传感器范围内的活动强度，活动强度的任何变化都会连续地设定新的时间延迟。因此，一个具体的问题就是不能唯一地确定关灯的最佳延迟时间，使智能化的延迟关灯动作符合用户的习惯。
EP,A0631219提出了一种方法，用于很少使用但是有一定规律的单个起居室和工作室的温度控制和调节。在其中认为生活习惯是不变的，可以提供最佳的舒适感和最大程度的节能。用于以后几天的设定值是按照一种模糊算法根据房间内需要设定的规律来修改的，它是由现场传感器检测到的当前时间的函数。这种方法不能检测出偶然出现的停留规律。
在US,A5088645中提出了一种涉及到单个房间但是没有整体策略的最大相似性自动温度控制和调节系统。该算法未对独立的确定性和偶然的动作作区分。中断因素是由系统汇总的。
本发明的任务是要提供一种前言中所述的方法和装置，把家庭和大楼自动化系统中的程序控制智能化和决定性部件减少到最低程度，可以自动地适应大楼内人员的至少一部分偶然动作，因而即节省了能量又能改善舒适性。
本发明的方法采用了软件的自适应自我学习算法来解决上述任务，利用来自现场和活动监测传感器的信号进行控制，连续地存储有关的房间和若干房间内至少一个人的习惯和偶然的动作，结合着可修改的确定性算法来修改和触发操作机构，将涉及房间的优化算法和外部参数组合在一个算法中，用来优化整体的自动化系统，并且根据反馈来修改单个房间的算法。在从属权利要求中提出了该方法中进一步和具体设计结构。
本发明最重要的特征在于采用现场和活动控制的控制环执行现场和活动监测，采用神经网络和自己的计算机检测和计算出有规律(规则)的和随机(偶然)的动作。
布置在软件输入侧的传感器可以采用各种类型的活动传感器，这种软件通常是标准的软件，或者是可以按照专业知识来修改的软件，软件被存储在一个CPU或是处理器中。最普通的传感器例如是CH,A683473中所述的被动式红外线传感器，或者是参见High TechnologySystem AG,CH-8306 Bruttisellen在1994年12月3日发布的公司手册(96/1再版)。其他的被动式系统例如还可以检测噪声和人产生的压力波。活动传感器也可以采用主动式的结构原理，例如发射一种超声波或是微波场，或是接收一个反映人员活动的场。也可以检测静电场或是电磁场的变化，并且将信号提供给软件进行分析。
在涉及房间的优化算法中包括的外部参数或是信息源例如有天气，室外温度，安全模式，或是天气预报。
传感器并非仅限于活动传感器。例如烟雾传感器，温度调节器，光检测器，以及其他传感器都适合作为输入信号发生器用来解决本发明的任务，以及/或是对之作出补充。
由带软件的计算机，CPU，或是处理器输出的电信号通过操作机构来触发各个位置上的设备或是设备编组。这种动作是直接完成的，或是通过中间的部件，例如一个汇总点和一个用于现场和活动控制的控制环的PID调节器。操作机构可以是单级或是多级的继电器，或是其他具有常开，常闭或是开关触点的机电装置。设备或是设备编组例如有发光体，加热器，加热和冷却介质的流量阀门，排风扇的电机，以及报警系统等等。
按照本发明的监测作用不仅适用于现场，还可以用于监测出现在一个房间监测系统的检测范围内的至少一个人的活动。将活动的过程进行存储，并且通过软件来触发操作机构。
将至少一个人的用户状态初始模型存储在自动化系统的设备中，用这种模型永久性地适应用户状态的变化，并且将收集的经验用作此后最可能的行动的预测基础。利用学习和概率/预测算法可以记录偶然变化的状态图形。这种算法一般优选但不仅仅限于是在一个CPU或是中央处理器中执行的，但是还包括神经网络。这些网络计算机是通过光纤按照神经细胞的方式连接的，由一个中央软件来控制，但是各自的工作具有很大的自主性。为了输入算法和触发警报，采用了通常被称为不准确逻辑的模糊逻辑。最初用模糊逻辑来描述不完整的和/或不准确的数据记录，并且对这些数据进行处理。当今的模糊逻辑已被广泛地用于控制和调节技术，特别是用在普通的调节器不能获得满意结果的场合。
由于采用了神经网络和模糊逻辑，软件的自适应自我学习算法可以检测出至少一个人的有规律的非偶然状态，并且连续地修改存储的模型。软件使用这种有规律的用户状态计算结果作为以后最可能的行动的预测基础，并且将其存储并用于触发操作机构。还可以用偏离某种有规律的用户状态的偏差来触发一个警报。警报不是马上发出的，而是经过一个适当的延迟，例如在5到15分钟以后。
软件的自适应自我学习算法还可以接收外部的控制信号。例如是通过连接到数据库的网络，特别是通过国际互联网。这些控制信号和内部控制信号相结合，用来触发操作机构。
在本发明的进一步变形中，灵敏度可以自动地适应用户。如果有至少一个人出现在和/或进入房间，通过降低响应门限就可以提高自动化系统对运动的灵敏度。然后该温差启动第二个最灵敏级，并且用传感器检测出物体在10到20cm范围内的轻微移动。在每次检测到移动时就用提高的灵敏度对根据人的偶然状态而预定或是计算的开关时间进行更新。具体的细节可以参见1/96出版的Infel-Info第1-4页上的CH，A6844449。
如果在可调节的时间期间根本没有检测到人和/或活动，大楼自动化系统就自动切换到报警模式。
按照执行上述方法的自动化系统就可以解决本发明的任务，在每个房间内用至少一个传感器监测人的存在和活动，这些传感器与现场和活动控制的控制环连接成网络，在这些网络中包含计算机，计算机的软件具有可以修改，确定性以及自适应的自我学习算法。在从属权利要求中提出了这种自动化系统具体设计结构。
用计算机构成的网络最好是采用神经的结构。
联网的传感器主要有各种类型的运动传感器，这取决于被监测的房间的几何形状，构造以及家具的陈设。安装在天花板上的HighTechnology System AG,CH-8306 Bruttisellen制造的现场传感器ECO-IR 360可以全面覆盖360°的范围。根据需要还可以使某些房间或是一部分房间免受监测。也可以连接仅仅用来触发警报的传感器，例如烟雾或是温度的警报。
传感器可以通过电气设备网络来联网。特别是在新建的大楼中，网络中包括至少一种标准的数据总线，可以是LON(本地操作网)或是EIB(欧洲设备总线)，或者是PIC(动力线通信)。
本发明方法的用途实际上是无限的，特别是用于控制灯，加热器，空调，排风扇，暗室，提供热水，以及控制洗衣机等等电气设备和/或用于报警。
按照这种方式工作的本发明的方法和装置具有以下的优点：
-不需要对各种情况下可能组合的多样性预先编程，可以采用简单的规则，例如“早晨在每个人都去过浴室之前不要关闭加热器”。
-把被认为是有规律的用户状态当作以后最可能出现的偶然行动的预测基础，并且相应地触发操作机构。自动地连续修改用户状态。
-在经过时间延迟之后可以用偏离某种有规则的用户状态的偏差来触发警报。
-这种家庭和大楼自动化系统可以考虑到节能，改善舒适性，并且提高用户的安全感。
以下要通过附图和从属权利要求中提供的具体实例来详细地说明现有技术和本发明。在附图中：
-图1是具有普通控制环的一种公知加热控制系统；以及
-图2是本发明的一个具有现场和活动控制的控制环的家庭和大楼自动化系统。
按照图1的一种公知的加热控制器10可供用户12来选择舒适的温度，通过一个人工调节的温度调节器14来选择他喜欢的室温。调节器在一个相加点16上提供一个用“+”表示的额定值的电信号。一个普通的控制环18通过PID调节器20连接到先是加热系统24的临时温度的温度传感器22，然后返回到相加点16，输入一个用“-”表示的实际值，从中确定额定值-实际值的差。
在温度传感器22和加热系统24之间有一个用来提供加热介质的水管26。虚线的箭头28表示用户12的主观温度感知。如果他发现温度过高或是过低，就可以手工调节温度调节器14，向相加点16提供新的额定值。
图2表示一个具有现场和活动控制的控制环32的家庭和大楼自动化系统30。
一个带软件的处理器34包括自适应的家庭自动化和可修改的行为模式的数据库36。箭头38表示与Internet的连接。
用一个运动传感器40来监测用户12的存在和它的活动，本发明采用的传感器是一种公知的PIR调节器。由运动传感器产生的电信号被提供给数据总线42，它进入同样用双箭头表示的另一个数据总线44。从而将处理器34连接到一个总线接口46。
总线接口46和虚线方框48代表的现场和活动控制的控制环32构成了一个功能单元。从总线接口46上分支的电线47连接到可以自适应调节的P(比例)，I(积分)和D(微分)的PID调节器50，通过它来控制现场和活动控制的控制环32。
总线接口46还要向相加点16输出用“+”表示的电脉冲额定值。通过控制电路32提供用“-”表示的电脉冲实际值，形成额定值-实际值的控制信号差。按照要求对P,I和D进行自适应的调节。
根据用户12的连续修改的行为模式，处理器34的数据库36和/或处理器本身或是有关的算法通过数据库34，总线接口46和控制电路36去触发一个操作机构52，打开加热系统24的水管26。为了简化并没有画出完整的线路，但是其作用仅仅是在触发操作机构52中作参考。
在进入房间时，用户会发现房间已经在按照行为规律控制的时刻被加热到了他所要求的温度，并且能耗最小。
例1
在从夏到冬和从冬到夏的变换过程中，居住在家庭中的人的正常日常规律会出现一小时的变化。家庭自动化系统记录下修改的行为，并且将早晨提供热水的时间相应地移动一小时，完全不需要用户的干预。改变的方式是接收一个信号，并且分析发现夏天或是冬天已到的情况下作出改变。
例2
例如，一个人在夜间短时间离开卧室去上厕所，但是总会在最多10分钟之内返回。如果人离开了房间，但是遇到了事故或是失去了知觉，系统就会提供事故的警报。按照本发明采用的模糊逻辑方法和神经网络不再需要对所有的可能情况及其组合进行提前的预测和编程，它可以直接采用一种简单的规则“在异常行为下经过时间延迟之后触发一个警报”。即使是对于特殊的情况，例如起床看书或是看电视，也可以通过运动传感器自动地停止报警，或是由人工操作一个按钮。
例3
在家庭自动化系统的设备中，用户行为的起动模型规定了家庭成员从早晨06:00起去淋浴，06:30到07:00之间在厨房吃早饭。这种模型的要求是根据所需室温的构成特征足够早地对浴室加热，例如在06:00达到22℃。在06:30停止对浴室的加热。对厨房的加热也采用类似的程序。
经过一段时间之后，可能有一个孩子的时间表会发生变化，例如是在07:30开始使用浴室，而不是在厨房里。由软件的实施算法将这种偏离原始模型的行为识别为非偶然发生，并且适当地修改模型。在08:00之前一直将浴室温度维持在22℃。厨房的加热保持不变。
如果仅仅是偶然发生偏离日常习惯的偏差，自动化系统就通过存储的概率函数(概率算法)根据使用概率来选择浴室的加热范围，在该情况发生时尽快达到适当的室温，并且额外的原则是尽量保持总的低能耗。此外，如果有关的人员没有按时在06:25以前进入浴室，由于现场和活动传感器的神经网络结构的缘故，自动化系统就会发现这种情况。
通过来自气象服务的外界预报信息也可以执行额外的选择。例如在坏天气即将到来时有可能造成很快的降温，这就需要早一点开始对浴室进行加热。根据预测，本发明的自动化系统在这种偶发事件之前就能获得这一信息，可以比采用外部的温度传感器的情况提前触发加热指令。

Claims (12)

1．利用软件和用来监测人员(12)的传感器(40)对家庭和大楼自动化系统(30)进行优化控制的方法，根据需要让用于节能和改善舒适性的自动化系统去触发设备(24)或是设备编组的操作机构(52)，其特征是：
用一种由现场和活动监测传感器(40)的信号来控制的软件的自适应自我学习算法连续地存储至少一个人(12)在有关的房间和几个房间内的习惯和偶然的行为，根据可以修改的确定性算法来适应和触发操作机构(52)，将涉及房间的优化算法和外部参数组合在一个算法中，用来优化整体的自动化系统(30)，并且根据反馈来相应地修改单个房间的算法。
2．按照权利要求1的方法，其特征是，在安装自动化系统(30)时，将至少一个人(12)的用户行为的第一模型当作起动软件输入至少一个优选的神经网络计算机(34)。
3．按照权利要求1或2的方法，其特征是用软件的自适应自我学习算法将至少一个人(12)的非偶然用户行为检定为具有规律性，并且连续地修改存储的模型。
4．按照权利要求1到3之一的方法，其特征是对至少一个人(12)的有规律的用户状态进行分析，将其作为以后最可能的活动的预测基础，存储并且用来触发操作机构(52)。
5．按照权利要求4的方法，其特征是，在发生偏离某种有规律的用户行为的情况时触发一个警报，最好是经过一个可以调整的时间间隔，特别是在5到15分钟以后。
6．按照权利要求1到5之一的方法，其特征是算法控制和警报的触发是通过模糊逻辑和神经网络来执行的。
7．按照权利要求1到6之一的方法，其特征是自动化系统(30)通过一个数据库或是外部信息源的连接网络和国际互联网(38)接收外界的控制信号，并且通过对信号的分析来触发操作机构(52)。
8．按照权利要求1到7之一的方法，其特征是具有移动传感器(40)的自动化系统(30)的灵敏度可以通过自动降低响应门限来进行修改，以便适合用户(12)的需要。
9．按照权利要求1到8之一的方法，其特征是，如果没有任何人和/或任何活动，自动化系统(30)就自动切换到报警模式。
10．用来执行权利要求1到9之一的方法的一种自动化系统(30)，其特征是在每个房间中至少使用一个传感器(40)监测现场和人(12)的活动，这些传感器(40)与现场和活动控制的控制环(32)联网，在这些网络中包含的计算机(34)具有可按软件修改的确定性和自适应自我学习算法。
11．按照权利要求10的自动化系统(30)，其特征是用计算机构成的神经网络包括至少一个标准的数据总线(42,44)，最好是LON，或是EIB，或是PLC。
12．按照权利要求10或11的自动化系统(30)，其特征是用一个总线接口(46)连接到PID调节器(50)，并且向至少一个相加点(16)传送作为正的额定值的电信号，上述相加点和一个PID调节器和一个操作机构(52)都处在一个现场和活动控制的控制环(32)内。
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