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【摘要】本文设计了基于多Agent的无线网络火灾探测CPS系统，本系统可以有效解决智能建筑火灾探测系统中数据处理速度慢、网络负载过大、火灾误报漏报率高、早期火灾探测存在空白等问题，并将云计算理论运用到系统设计中，更加提高了数据处理的速度和系统可靠性。本系统具有良好的智能性、数据处理高速性、实时性以及可靠性，并且便于系统扩展，可以减小扩建投资，为智能建筑中超大规模无线网络火灾探测系统的发展提供了有力的技术支持。
【关键词】智能建筑；Agent；无线网络火灾探测；CPS；云计算
1.引言
随着智能建筑的不断发展和科技的不断进步，人们越来越致力于对智能建筑环境安全的研究。特别是近年来，智能建筑中火灾探测技术的研究备受关注，因为火不容情，一旦火灾发生，将给人们的生命财产安全造成严重威胁，因此，对智能建筑中火灾探测技术的研究意义重大。
笔者在无线网络技术的基础上，利用Agent思想和CPS技术设计了基于多Agent的无线火灾探测CPS系统。本系统具有自主性、智能性、社会性、实时性、高速性、可靠性及便于扩展等特点，是一个集成了计算、网络和控制的实际应用系统。
笔者还将先进的云计算理论应用到系统设计中，不仅使系统中数据的处理速度更快、系统可靠性更好，而且进一步提高了系统的性能，更加有利于降低火灾的误报漏报率。
2.系统设计理论概述
2.1 Agent及多Agent理论
Agent是指独立的、具有一定自主性和判断能力、相互之间以及与环境之间能进行通信协作从而完成一定任务的硬件环境或软件系统，具有自治性、自主性、智能性、社会性、反应性、适应性、移动性等特点[1]。
多Agent系统（Multi-Agent System，MAS）是若干Agent相互通信彼此协作达到共同目标的一种系统。独立Agent处理问题存在的局限性（比如知识局限、信息处理不准确等），MAS通过将任务分解和任务协调来提高整体解决问题的能力，弥补了独立Agent存在的缺点，并且能与其他系统和软件实现互操作，能求解具有分布特性的问题，有效提高系统的效率和鲁棒性，MAS是分布式人工智能的拓展。
2.2 CPS概述
信息物理融合系统（CPS）是一个集成了计算、网络和控制的多维复杂系统，通过3C技术——计算、通信和控制技术的深度协作和有机融合，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务[2]。CPS系统的本质是人、机、物的深度融合计算，我国又将CPS称为人机物融合系统。CPS的意义在于将某研究范围内的物理设备联网，特别是连接到互联网上，通过联网使得物理设备具有自治、计算、通信、远程协调和精确控制五大功能[3]。
2.3 ZigBee技术
ZigBee技术是一种适合于短距离传输的双向无线网络技术。它具有低成本、低功耗、近距离、大容量、延时短、低速率、低复杂度和安全性能好的特点，ZigBee技术建立在IEEE802.15.4标准之上，满足了ISO开放系统互连（OSI）参考模式[4]。本系统中各个Agent的通信模块均采用NRF905无线收发模块。
3.系统设计
3.1 系统体系结构设计
笔者在对智能建筑中火灾探测的特点进行了充分分析的前提下设计了基于多Agent的无线火灾探测CPS，在系统设计中加入了先进的Agent思想和CPS技术。本系统中，用户火灾探测Agent组成的传感器网络实时地对智能建筑环境中的火灾参数进行感知，将采集到的数据发送给所属中继Agent，通过其深度融合计算判断是否有火灾发生。同时将计算结果发送给执行器网络的控制节点，控制节点根据接收到的结果控制相应的执行器执行相应的联动操作。
本系统中各Agent间的通信均采用NRF905无线收发模块进行设计。系统中所有信息的传输都是通过ZigBee无线传感器网络和CPS下一代实时通信网络来实现，它们为数据采集和传输的实时性、准确性和可靠性提供了保证，有利于有效的降低系统的误报漏报率。
3.2 用户火灾探测Agent的电路设计
本系统设计中，所有Agent硬件的控制核心均采用STC12C5A60S2型号单片机来实现。对用户火灾探测Agent的设计，笔者选用了DS18B20温度传感器、MQ-135烟雾传感器和MQ-7CO气体传感器对建筑环境中火灾参数进行采集，采集到的数据在实时的在LCD液晶显示器上进行显示，并将数据存储在AT24C512外部数据存储器中。当系统中探测到采集的数据为异常数据时，系统自动进行声光报警。在本硬件设计中，各个Agent之间的数据传输用NRF905无线收发模块来实现。用户火灾探测Agent并采集的数据每隔2s发送给中继Agent一次。
4.云计算在基于多Agent的无线火灾探测CPS中的应用研究
由于无线火灾探测CPS中的传感器网络采集的数据量是非常惊人的，而且对数据采集及处理的实时性要求高，因此，采用在数据存储及处理速度方面均具有明显优势的云计算能使火灾探测的实时性和可靠性大大提高，进一步降低火灾的误报漏报率。
云计算的基础是“整合”的思想，是并行处理、分布式计算、网格计算、网络存储和大型数据中心的进一步发展和商业实现[5]。
根据云计算的技术体系[6]设计了基于多Agent的火灾探测CPS云的结构层次模型如图1所示。
各层功能如下：
基础存储层：是火灾探测CPS云的存储基础。云中的大量存储设备对地理位置没有要求，通过CPS下一代网络连接在一起。
基础管理层：通过分布式系统实现火灾探测CPS云中所有存储设备的协同工作。
在火灾探测CPS云中，基础存储层和基础管理层由各智能建筑中火灾探测私有云和区域公共云共同建设和管理。
应用接口层：它是火灾探测CPS云最灵活的部分，各级火灾探测系统及用户都可以根据需要、权限提供不同的接口和服务。它由各智能建筑火灾探测系统的管理机构共同协商制定，并实现标准化。
高级访问层：各级火灾探测网络都可以通过火灾探测CPS云公共接口来获取计算需求。
5.结语
本文利用Agent思想和CPS技术设计的无线网络火灾探测系统具有很好的智能性、实时性、可靠性和可扩展性等特点。采用无线方式对数据进行处理和传输，有效解决了网络负载过大、数据处理速度慢等问题。将云计算运用于该系统，进一步提高了系统数据存储和处理的速度。本系统可以有效防止出现早期火灾探测空白，可以有效降低智能建筑中火灾的误报漏报率。本文的研究为建筑智能化的进一步发展起到了很好的推动作用。
参考文献
[1]徐敏杰，胡兆光.基于Agent的经济政策对电力消费影响模拟实验[J].系统管理学报，2011，20（5）：539-549.
[2]胡雅菲，李方敏，刘新华.CPS网络体系结构及关键技术[J].计算机研究与发展，2010，47（Suppl.）：304-311.
[3]齐超，何勇.基于CPS的数据采集系统设计[J].计算机系统应用，2010，9（6）：5-8.
[4]陈楠，吕九一.基于ZigBee技术的家庭无线传感器网络应用研究[J].科技广场，2009：81-82.
[5]蒋丽艳.基于云计算的图书馆信息平台的构建[J].现代情报，2011，31（8）：47-51.
[6]潘睿，刘俊勇，郭晓鸣.面向智能电网的电力系统云计算[J].四川电力技术，2009，32（增刊）：6-10，37.
【关键词】智能建筑；Agent；无线网络火灾探测；CPS；云计算
1.引言
随着智能建筑的不断发展和科技的不断进步，人们越来越致力于对智能建筑环境安全的研究。特别是近年来，智能建筑中火灾探测技术的研究备受关注，因为火不容情，一旦火灾发生，将给人们的生命财产安全造成严重威胁，因此，对智能建筑中火灾探测技术的研究意义重大。
笔者在无线网络技术的基础上，利用Agent思想和CPS技术设计了基于多Agent的无线火灾探测CPS系统。本系统具有自主性、智能性、社会性、实时性、高速性、可靠性及便于扩展等特点，是一个集成了计算、网络和控制的实际应用系统。
笔者还将先进的云计算理论应用到系统设计中，不仅使系统中数据的处理速度更快、系统可靠性更好，而且进一步提高了系统的性能，更加有利于降低火灾的误报漏报率。
2.系统设计理论概述
2.1 Agent及多Agent理论
Agent是指独立的、具有一定自主性和判断能力、相互之间以及与环境之间能进行通信协作从而完成一定任务的硬件环境或软件系统，具有自治性、自主性、智能性、社会性、反应性、适应性、移动性等特点[1]。
多Agent系统（Multi-Agent System，MAS）是若干Agent相互通信彼此协作达到共同目标的一种系统。独立Agent处理问题存在的局限性（比如知识局限、信息处理不准确等），MAS通过将任务分解和任务协调来提高整体解决问题的能力，弥补了独立Agent存在的缺点，并且能与其他系统和软件实现互操作，能求解具有分布特性的问题，有效提高系统的效率和鲁棒性，MAS是分布式人工智能的拓展。
2.2 CPS概述
信息物理融合系统（CPS）是一个集成了计算、网络和控制的多维复杂系统，通过3C技术——计算、通信和控制技术的深度协作和有机融合，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务[2]。CPS系统的本质是人、机、物的深度融合计算，我国又将CPS称为人机物融合系统。CPS的意义在于将某研究范围内的物理设备联网，特别是连接到互联网上，通过联网使得物理设备具有自治、计算、通信、远程协调和精确控制五大功能[3]。
2.3 ZigBee技术
ZigBee技术是一种适合于短距离传输的双向无线网络技术。它具有低成本、低功耗、近距离、大容量、延时短、低速率、低复杂度和安全性能好的特点，ZigBee技术建立在IEEE802.15.4标准之上，满足了ISO开放系统互连（OSI）参考模式[4]。本系统中各个Agent的通信模块均采用NRF905无线收发模块。
3.系统设计
3.1 系统体系结构设计
笔者在对智能建筑中火灾探测的特点进行了充分分析的前提下设计了基于多Agent的无线火灾探测CPS，在系统设计中加入了先进的Agent思想和CPS技术。本系统中，用户火灾探测Agent组成的传感器网络实时地对智能建筑环境中的火灾参数进行感知，将采集到的数据发送给所属中继Agent，通过其深度融合计算判断是否有火灾发生。同时将计算结果发送给执行器网络的控制节点，控制节点根据接收到的结果控制相应的执行器执行相应的联动操作。
本系统中各Agent间的通信均采用NRF905无线收发模块进行设计。系统中所有信息的传输都是通过ZigBee无线传感器网络和CPS下一代实时通信网络来实现，它们为数据采集和传输的实时性、准确性和可靠性提供了保证，有利于有效的降低系统的误报漏报率。
3.2 用户火灾探测Agent的电路设计
本系统设计中，所有Agent硬件的控制核心均采用STC12C5A60S2型号单片机来实现。对用户火灾探测Agent的设计，笔者选用了DS18B20温度传感器、MQ-135烟雾传感器和MQ-7CO气体传感器对建筑环境中火灾参数进行采集，采集到的数据在实时的在LCD液晶显示器上进行显示，并将数据存储在AT24C512外部数据存储器中。当系统中探测到采集的数据为异常数据时，系统自动进行声光报警。在本硬件设计中，各个Agent之间的数据传输用NRF905无线收发模块来实现。用户火灾探测Agent并采集的数据每隔2s发送给中继Agent一次。
4.云计算在基于多Agent的无线火灾探测CPS中的应用研究
由于无线火灾探测CPS中的传感器网络采集的数据量是非常惊人的，而且对数据采集及处理的实时性要求高，因此，采用在数据存储及处理速度方面均具有明显优势的云计算能使火灾探测的实时性和可靠性大大提高，进一步降低火灾的误报漏报率。
云计算的基础是“整合”的思想，是并行处理、分布式计算、网格计算、网络存储和大型数据中心的进一步发展和商业实现[5]。
根据云计算的技术体系[6]设计了基于多Agent的火灾探测CPS云的结构层次模型如图1所示。
各层功能如下：
基础存储层：是火灾探测CPS云的存储基础。云中的大量存储设备对地理位置没有要求，通过CPS下一代网络连接在一起。
基础管理层：通过分布式系统实现火灾探测CPS云中所有存储设备的协同工作。
在火灾探测CPS云中，基础存储层和基础管理层由各智能建筑中火灾探测私有云和区域公共云共同建设和管理。
应用接口层：它是火灾探测CPS云最灵活的部分，各级火灾探测系统及用户都可以根据需要、权限提供不同的接口和服务。它由各智能建筑火灾探测系统的管理机构共同协商制定，并实现标准化。
高级访问层：各级火灾探测网络都可以通过火灾探测CPS云公共接口来获取计算需求。
5.结语
本文利用Agent思想和CPS技术设计的无线网络火灾探测系统具有很好的智能性、实时性、可靠性和可扩展性等特点。采用无线方式对数据进行处理和传输，有效解决了网络负载过大、数据处理速度慢等问题。将云计算运用于该系统，进一步提高了系统数据存储和处理的速度。本系统可以有效防止出现早期火灾探测空白，可以有效降低智能建筑中火灾的误报漏报率。本文的研究为建筑智能化的进一步发展起到了很好的推动作用。
参考文献
[1]徐敏杰，胡兆光.基于Agent的经济政策对电力消费影响模拟实验[J].系统管理学报，2011，20（5）：539-549.
[2]胡雅菲，李方敏，刘新华.CPS网络体系结构及关键技术[J].计算机研究与发展，2010，47（Suppl.）：304-311.
[3]齐超，何勇.基于CPS的数据采集系统设计[J].计算机系统应用，2010，9（6）：5-8.
[4]陈楠，吕九一.基于ZigBee技术的家庭无线传感器网络应用研究[J].科技广场，2009：81-82.
[5]蒋丽艳.基于云计算的图书馆信息平台的构建[J].现代情报，2011，31（8）：47-51.
[6]潘睿，刘俊勇，郭晓鸣.面向智能电网的电力系统云计算[J].四川电力技术，2009，32（增刊）：6-10，37.