基于智能集成控制理论的智慧办公系统设计

龙家豪，叶曦，钱同惠

（江汉大学智能制造学院，湖北武汉 430056）

0 引言

随着移动互联网的快速发展以及智能硬件、可穿戴设备等物联网设备在日常生活中的逐渐普及，“智能化”的概念受到很多消费者的青睐，作为物联网技术在家庭和生活环境中的一个重要应用，智能家居受到了产业界、学术界的广泛关注，智能家居的应用也延伸到了办公场景中：智能家居通过物联网技术连接办公环境中的各种电子设备，提供家电控制、远程控制、环境监测、危险预警、安全监控等多种智能化服务［1-2］。

智能家居的发展为人们带来了诸多益处，但同时也面临着许多问题。智能家居系统存在很多安全漏洞，不仅给用户带来隐私泄露风险，还可能造成用户财产损失，甚至威胁用户的人身安全，僵尸网络的控制者可以利用智能摄像头、智能网关、智能家电等设备发动大规模DDOS攻击［3］。智能家居的设备控制平台冗杂，很多智能家居系统采用多平台控制，用户使用不方便［4］。目前，部分智能家居控制仅仅通过ZigBee实现，其不能直接与手机通信，并且稳定性弱，给用户的体验效果不佳［5］。同时，市面上的大部分智能家居产品在追求卓越性能时，很少有产品关注到智能家居的绿色环保性［6］。本文针对以上问题，运用集成控制理论，设计了若干子系统，并且将其整合于手机App中。同时，用户可以根据自己的需求，个性化设置系统的智能场景控制模块。该系统成功运用于江汉大学办公场景中，解决了该办公场景的安防系统性能薄弱、智能环保体系欠缺、硬件设备繁琐冗杂等问题，使得办公系统更加智能化、人性化、绿色化、安全化、一体化，该系统亦具备充足的可靠性、实用性，提升了办公效率。

1 智能集成控制理论

1.1 集成控制思路

随着传感器技术、自动化技术、嵌入式技术、大数据、云平台、移动互联等基础应用的迅速发展，智能家居的功能组成将变得更加多样化。本文将PID优化控制、WiFi技术以及ZigBee技术整合起来形成智能集成控制理论：利用ZigBee技术将智能家居中的传感器与网关相连；利用WiFi技术将智能家居产品相连，同时网关也与WiFi相连，最后通过手机App对各智能家居设备进行监控，部分家居产品通过PID算法优化，实现对其精准控制［7］。集成控制系统的基本框图如图1所示。

图1 集成控制系统的基本思路框图Fig.1 Block diagram of integrated control system

1.2 无线通信技术

本系统中的光照传感器、人体红外传感器等设备基于ZigBee物联网协议通过各无线模块于各子节点间传输数据，实现办公范围的实时监测，最后通过路由器传输到手机App上。为了保障智能家居系统的灵活性、稳定性，整个系统选取网状网络拓扑结构，对出现网络覆盖面有限的情况可通过添加相应路由设备来保障网络通信。而其他智能家居设备则是通过连接路由器与手机App相连，同时网关将不同协议设备的智能家居产品互联互通，实现联动操控。

1.3 PID控制系统的设计

1.3.1 PID控制系统的基本结构PID控制系统的基本结构框图如图2所示。

图2 PID控制系统的基本思路框图Fig.2 Block diagram of PID control system

在整个PID控制系统中，PID控制器是最核心的环节，主要由以下几部分构成。

1）PID控制接口：即PID控制量化处理模块，主要用来接收各模块给定值与被控对象最终输出间的偏差量（由模/数转换器传送）。PID控制器需要将信号接收并处理。

2）PID控制算法模块：PWM信号输入到该模块时，根据知识库（通常是控制经验，提前存储起来的专家知识），完成PID控制输出量的推理过程。

3）输出量接口：经过PID控制算法输出的是数字量，通过数/模转换器变换成模拟量，传递到执行机构［8］。

1.3.2 PID控制算法PID控制算法根据比例增益-积分增益-微分增益3个因子之和从而获得输出，图3所示为PID控制算法的原理图。

图3 PID控制算法原理图Fig.3 PID control algorithm schematic diagram

对于PID控制器来说，e(t)为输入值，u(t)为输出值。其中，y(t)是被控对象u(t)的输出，r(t)为设定的目标值。e(t)是r(t)和y(t)的偏差，如公式（1）所示，表示当前被控对象的输出距离目标设置值的差值。

3种因子为3种算法的调节因子，分为3个部分进行说明。

比例增益（Pout）考虑的是当下时间点的偏差来控制调节的强度。如公式（2）所示，偏差越大，输出强度越强。比例系数Kp控制比例增益的强弱。

积分增益（Iout）考虑的是过去的偏差。将过去偏差值与一个比例系数Ki相乘，如公式（3）所示。过去的偏差积累越大，控制器的输出越会通过积分增益加速接近设定值。

微分增益（Dout）考虑的是将来的偏差。对偏差求一阶导数，与一个比例系数Kd相乘,如公式（4）所示。微分增益反映了偏差信号的变化趋势。

结合以上几个增益因子，构成了PID控制算法如公式（5）所示：

1.4 集成控制模型设计

如果一个系统由n个子系统构成，只要有一个子系统正常工作，则系统就能正常工作，而只有当n个子系统发生故障时，系统才发生故障，这种系统就称为由n个子系统构成的并联系统，如图4所示。

图4 并联系统模型图Fig.4 Parallel system model diagram

并联系统的可靠性非常好，适合本文中的智慧办公系统使用，设第i个子系统的寿命为xi，其可靠度为Ri(t)=P(xi>t),i=1,2,…,n,且各单元相互独立，则有：

式中，Rs(t)表示系统的可靠度；Ri(t)表示第i个子系统的可靠度；xi表示第i个子系统的寿命，因为只要有一个子系统存在系统就存在，所以xi中的最大值就是系统的寿命X；t为系统需求的最少工作时间；P为系统在规定时间（即系统寿命）和条件下，完成规定功能的概率，一般系统的可靠度即为该概率。由公式（6）不难得出，并联子系统越多，系统的可靠度也就越大，并且，并联系统的可靠度大于任何一个子系统的可靠度。在智慧办公系统中，为了提高某一部分的可靠度，并且在充分考虑成本的情况下，可以改变该系统的组成架构，增加其组成单元中并联单元的数量［9］。

2 基于智能集成控制的智慧办公系统框架设计

2.1 智慧办公系统需求分析

智慧办公系统是将智能家居各终端设备、用户控制、应用场景以及会议相关设备一体化的综合性管理系统。以下分别就智能家居、应用场景和手机App的功能需求进行说明［10］。

现阶段，智能家居还鲜少应用在办公场景当中。本系统充分考虑用户的日常办公需求以及会议需求，实现了远程控制以及智慧安防功能，在保证系统性能特点的基础上，解决了系统的安全问题［11］。为了对智能家居的各个设备更好地进行集成控制，需要建立一个智能云平台对各个子系统进行一体化管理与使用。

2.2 智慧办公系统框架分析

本文提出的智慧办公系统架构模型如图5所示。本文综合考虑办公系统以及会议室的需求，设计了智能灯控、会议投屏、智能遮光、智慧环保、智慧安防5个子系统，子系统由路由器连接起来，而各传感器通过ZigBee技术，再由蓝牙网关连接至路由器，从而可实时监测环境数据，并且显示至云平台用户管理界面，在该界面同时也可以看到人员进出日志。同时，智能音箱通过路由器连接至系统中，用户可以根据智能音箱语音提示对子系统进行操作。

图5 智慧办公系统架构模型Fig.5 Smart office system architecture model

3 智慧办公系统的实现与测试

本系统应用于江汉大学办公环境当中，分别对各个子系统进行功能测试，目的是为了验证该系统能否满足智慧办公系统需求。

3.1 智能灯控系统测试

本文采用增量型PID电压/电流控制模式，采集到的输出电压/电流值与用户期望的输出值产生偏差值。PID控制算法依据偏差值计算所需的PWM占空比，通过调整占空比改变输出，将其输出给灯控系统，从而在智能云平台上远程控制灯控的开关，实现色温亮度自由调节，其软件流程图如图6所示。界面如图7所示，将灯光调至明亮通透，配合日常办公使用；或者将灯光调至柔和舒适，配合会议投屏系统使用，实现场景联动。

图6 PWM软件流程图Fig.6 PWM software flow chart

图7 智能灯控系统界面Fig.7 Interface diagram of the intelligent light control system

3.2 智能遮光系统测试

智能遮光系统的总体设计思路是利用光照传感器采集环境光照强度，利用窗帘电机对窗帘进行闭合控制，将光照传感器通过ZigBee无线网络与网关进行通信，网关通过WiFi接入智能云平台，用户进行远程控制，系统的总体框架如图8所示。当智能遮光系统开启时，如果光照强度超过用户所设置的阈值，窗帘电机便自动闭合，形成闭环控制，其测试界面如图9所示。

图8 智能遮光系统框架图Fig.8 Block diagram of the smart shading system

图9 智能遮光系统界面Fig.9 Interface diagram of the smart shading system

3.3 会议投屏系统测试

会议投屏系统由投影仪、窗帘电机、智能音响组成，本文通过一种合理的设备组网方式来连接会议投屏系统。通过WiFi管理窗帘电机，通过总线技术连接投影仪和智能音响，各个设备通用接口采用HTTP请求方式，设备服务采用集成的方式和成型的接口协议来接收发送数据，以达到设备的控制。用户可以在智能云平台上选择会议投屏场景，根据实际需求，自定义实现场景联动：幕布拉下、投影仪打开、部分灯光关闭、窗帘电机自动闭合，形成投屏环境。如图10（a）所示，会议投屏系统开启时，与智能灯控系统以及智能遮光系统形成场景联动，为会议营造良好的投影效果。

3.4 智能环保系统测试

智慧环保系统由智能加湿器以及智能环保器组成，当智慧环保系统开启时，智能加湿器实时监测环境，可以自动调节空气湿度，并且智能环保器运用激光SLAM算法和视觉SLAM算法，结合视觉传感器提取图像特征点，将采集的数据融合匹配，完成动态路径规划，快速建立房间二维图，通过智能云平台启动智慧环保器，可以自动对办公环境进行清扫，同时实现对障碍物的测距和避障，如图10（b）所示。图10（c）为智能加湿器界面，设有恒湿模式，加湿器自动监测湿度并调节加湿量，默认湿度恒定在60%RH，用户也可通过云平台设定为40%RH～70%RH之间，模拟水的自然蒸发，驱散室内干燥，为办公人员提供舒适的环境。

图10 会议投屏系统与智慧环保系统Fig.10 The conference screen projection system and smart environmental protection system

3.5 智能安防系统测试

智能安防系统由智能门锁、烟雾传感器以及人体红外传感器构成。当智能安防系统开启时，整个系统进入延时扫描状态，实时监测各传感器的信号。

用来传送传感器监测到的数据是ZigBee自组织网络，当ZigBee协调器节点检测到传感器节点后，将其加入自组织网络。当所有的传感器节点都加入网络后，通过OSAL操作系统轮询机制检测到有传感器节点发送数据的需求时，调用发送函数，将需要发送的数据发送给接收方；接收方需要调用接收函数，执行接收的步骤，从而实现传感器检测到的数据实时发送到后端系统的过程。

通过智能云平台的用户管理界面可实时监测智能门锁的开关状态，如图11所示，同时人体红外传感器可以根据用户需求设立在办公系统的窗口等一般不会有办公人员出入的位置，当智能安防系统遭遇入侵，人体红外感应传感器的红外探头检测到信号，输出高电平，由于采用的是可重复触发方式，只有当人体离开时才会从高电平变为低电平，此时报警系统工作，蜂鸣器响起。

图11 智能安防系统界面Fig.11 Interface diagram of the smart security system

综上所述，该系统成功应用于江汉大学办公场景当中，满足本文提到的需求，办公人员反响良好，智慧办公系统整体场景如图12所示。

图12 智慧办公系统场景Fig.12 Smart office system scenario

4 结论与展望

4.1 结论

本文设计了基于集成控制的智慧办公系统的总体框架及各个子系统。该系统将集成控制理论运用于智能家居当中，设立云平台，将各个子系统统筹管理，通过用户管理功能以及灯控系统的有效调节等，达到了节能环保和安全办公的效果；采用物联网技术和无线投屏应用，解决了目前大部分智能家居存在的可靠性弱、安全性差、布线繁杂等问题。该系统在江汉大学办公环境中的使用测试实现了多用户多应用场景认证与访问控制，以员工办公场景为出发点，根据用户需要，设计个性场景控制，打造了安全、节能、舒适、便捷、稳定的办公环境，同时比传统的办公系统拥有更好的用户、数据、设备管理功能以及更强的资源整合能力。

4.2 展望

（1）设备联动场景错误检测

本系统中设计了多个应用场景以及多个设备集成控制，用户根据办公需要也可以自定义数目繁多的设备联动规则，然而由于用户经验的不足，自定义的联动场景本身即有可能对用户安全与隐私造成威胁，同时，众多的联动场景之间可能存在冲突操作。如何检验联动场景安全性以及合理性，如何检测并消除联动场景之间的冲突操作是未来研究的重点。

（2）设备固件漏洞挖掘技术

智能家居产品及其漏洞数量巨大，现阶段挖掘智能家居设备固件漏洞多依赖于人工分析设备固件，此种方法效率较低，目前难以适用于固件漏洞挖掘。因此，如何构建固件模拟执行环境以利用于动态漏洞挖掘，如何支持多元化架构的固件静态分析以利于静态漏洞挖掘成为当前亟待解决的问题。