基于人工免疫系統和ZigBee的智能家居燈光控制系統

上接：基于人工免疫系統和ZigBee的智能家居燈光控制系統的設計（一）

4 人工免疫系統的實(shí)現

4. 1 抗原和抗體的編碼

抗原和抗體具有相似的結構，抗原由用戶(hù)或中央處理單元產(chǎn)生，抗體在骨髓中形成。為了便于計算和匹配，本文選用了二進(jìn)制的編碼方式對抗原和抗體進(jìn)行編碼?？乖木幋a如表1 所示。其中，自然光照度的編碼采用如下方法: 二進(jìn)制的數據共12位，由低位到高位，每四位分別代表十進(jìn)制中的個(gè)位、十位和百位; 如表1 所示，二進(jìn)制中的低4 位0101 代表十進(jìn)制中的個(gè)位5。

抗體的抗體決定基同抗原具有相同的結構，高度匹配的一對抗原和抗體，它們的抗體決定基和抗原的編碼形式是互補的，但抗體決定基中的自然光照度編碼方法同抗原中自然光照度的方法一致。照度編碼區中相關(guān)燈具照度的編碼的前4 位代表了相關(guān)燈具的編號，后12 位的編碼方法同抗原中自然光照度的方法一致?？贵w的獨特型編碼形式與其抗體決定基的編碼形式一致，表2 列出了同表1 抗原高度匹配的抗體的編碼，因獨特型同抗體決定基編碼一致，表中并未列出獨特型的編碼。

4. 2 親合度的計算方法

4. 2. 1 骨髓中的匹配方法

在骨髓中，B 細胞將經(jīng)歷耐受期，采用海明距離法計算記憶B 細胞前三個(gè)屬性與抗原前三個(gè)屬性的匹配程度。匹配度采用下式計算

L 是抗原前三個(gè)屬性的二進(jìn)制編碼的總位數，即L =12。只有當D = 12 時(shí)，即記憶B 細胞前三個(gè)屬性與抗原前三個(gè)屬性完全匹配時(shí)，當前記憶B 細胞才可以作為成熟B 細胞被排出骨髓，進(jìn)入免疫反應區，成為免疫反應區中的抗體。

為保證骨髓內保存的都是用戶(hù)的最新設置，當用戶(hù)改變某一情況下的設置時(shí)，最新設置將作為新的記憶B 細胞儲存在骨髓中，同時(shí)消滅與其相似的原有記憶B 細胞。相似度仍采用如式1 所示的海明距離法確定，此時(shí)匹配對象是新的B 細胞的抗體決定基和原有B 細胞的獨特型，L 為獨特型的二進(jìn)制編碼的總位數，即L = 24。只有當D = 0 時(shí)，即新的B 細胞的抗體決定基同原有B 細胞的獨特型完全相同時(shí)，骨髓才認定二者相似，消滅原有記憶B 細胞，儲存新的記憶B 細胞。

4. 2. 2 免疫反應區中親合度的計算方法

由于在骨髓中已經(jīng)完成了用戶(hù)名、房屋類(lèi)型及場(chǎng)景模式的匹配，因此只將成熟B 細胞的部分抗體送入免疫反應區進(jìn)行匹配，部分抗體包括抗體決定基中的第四個(gè)屬性自然光照度和照度編碼區。用于在免疫反應區中計算親合度的兩部分分別是抗體和抗原中的自然光照度部分，親合度由公式2 計算得出。

( 1) 確定當前抗原類(lèi)型，判斷抗原是由用戶(hù)切換照明模式還是由自然光較大變化引起的。如果是由用戶(hù)引起的，繼續向下執行，若是由自然光變化引起的，則轉至( 3) 。

( 2) 將抗原輸入至骨髓，記憶B 細胞經(jīng)歷耐受期，耐受成功后，將所有成熟B 細胞輸入至免疫反應區。若不成功，則說(shuō)明此時(shí)系統處于初始階段，記憶B 細胞庫中并未存有用戶(hù)針對此種照明模式的抗體，此時(shí)轉至( 4)

( 3) 計算免疫反應區中的所有抗體與抗原的親合度，選擇親合度最大的抗體作為最優(yōu)抗體輸出至中央處理單元，然后轉至( 5) 。

( 4) 系統針對用戶(hù)的不同需求及燈具的分布特點(diǎn)，默認存有一些抗體，這些抗體并不包含自然光照度，只包括抗體決定基的前三個(gè)屬性和照度編碼區，默認抗體存儲在骨髓內的一個(gè)特殊區域。當抗原在骨髓內耐受失敗后，則自動(dòng)與默認抗體匹配，并將默認抗體作為最優(yōu)抗體輸出至中央處理單元。

( 5) 中央處理單元解碼最優(yōu)抗體，并將相關(guān)燈具的照度設置發(fā)送至各燈具控制終端。

骨髓中的記憶B 細胞庫是由用戶(hù)通過(guò)遙控器或免疫控制器設置完成的并不斷地進(jìn)行更新。如果用戶(hù)對當前的照明設置不滿(mǎn)意，可通過(guò)遙控器或免疫控制器進(jìn)行調整，系統自動(dòng)將調整結果放入骨髓中的記憶B 細胞庫，并消滅相似的記憶B 細胞。

5 仿真實(shí)驗

為了驗證該系統的可行性，我們利用MATLAB進(jìn)行了仿真實(shí)驗。實(shí)驗模擬了用戶(hù)在起居室中看電視的場(chǎng)景，通過(guò)輸入不同抗原，驗證系統的穩定性和可行性。實(shí)驗結果顯示該系統可快速穩定地處理各種抗原，輸出結果理想。下面結合具體實(shí)驗結果闡述實(shí)驗過(guò)程。

人們在看電視時(shí)，視力高度集中在電視屏幕上，且持續時(shí)間也較長(cháng)。由于電視屏幕放射出紫外線(xiàn)和微量的x 射線(xiàn)，人眼吸收之后，視力會(huì )下降; 電視屏幕上的亮度很高，如果室內的照明全部關(guān)閉的話(huà)，屏幕上的亮度與周?chē)h(huán)境的亮度之比可達幾十至幾百倍，這樣會(huì )產(chǎn)生較嚴重的眩光，易出現視覺(jué)疲勞現象，因此室內應保持適當的照明。此外，燈具與電視機間要有正確的位置，燈具不能在看電視的視野范圍內，否則會(huì )產(chǎn)生嚴重的眩光。燈具也不能在屏幕上產(chǎn)生亮斑，這也是被人們所厭惡的。

針對上述問(wèn)題，模擬了如下場(chǎng)景，電視置于起居室內西墻處，電視周邊對稱(chēng)放置6 個(gè)燈具，南、北兩側各3 個(gè)，由南至北燈具序號依次為1 ～ 6，燈具安裝既不在觀(guān)看視野內，也不會(huì )在電視屏幕上產(chǎn)生亮斑，南面有飄窗，自然光可通過(guò)該窗射入。為更好檢測系統性能，測試了多個(gè)場(chǎng)景，其中4 個(gè)主要場(chǎng)景的測試結果如圖4 所示。

當沒(méi)有自然光照射時(shí)，系統默認分配給各燈具的照度分配如圖4 ( a) 所示。當自然光照度變?yōu)?0Lux時(shí)，用戶(hù)利用遙控器對燈具進(jìn)行了調整，以便符合自己的習慣，系統將調整的結果存入骨髓記憶B 細胞庫中。當自然光照度再次變?yōu)?0Lux 或相近數值時(shí)，系統自動(dòng)產(chǎn)生抗原，并將與其匹配的符合用戶(hù)習慣的抗體輸出，此時(shí)輸出抗體與系統默認抗體的比較如圖4( b) 所示。如果用戶(hù)對當前輸出抗體不滿(mǎn)意，可自主進(jìn)行調整，系統會(huì )自動(dòng)記住用戶(hù)調整的結果，當下次出現當前情況的時(shí)候，系統會(huì )自動(dòng)輸出用戶(hù)改變習慣后的結果，用戶(hù)改變習慣前后的輸出結果如圖4( c) 所示。當用戶(hù)需要切換場(chǎng)景模式時(shí)，系統可輕松完成，圖4 ( d) 展示了用戶(hù)將場(chǎng)景模式切換為閱讀模式時(shí)，系統輸出的符合用戶(hù)習慣的結果。

6 結論

經(jīng)過(guò)仿真驗證，該系統穩定可行，可以滿(mǎn)足用戶(hù)對于各種照明模式的需求，并且充分利用外界自然光，可以達到用最小的能耗實(shí)現最好效果的目的。同時(shí)，該系統的控制對象可自主擴展，比如只需在抗原、抗體中加入電動(dòng)百葉窗的相關(guān)參數，即可實(shí)現系統對百葉窗的控制，系統具有良好的擴展性。

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