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）

1 引言

智能家居燈光控制的作用，不僅是要營(yíng)造良好的光環(huán)境，而且還要節約能源。因此，好的燈光控制系統應可以充分利用外界自然光，動(dòng)態(tài)控制燈具，以達到用最小的能耗實(shí)現最好效果的目的?，F有的智能家居燈光控制系統大多只是通過(guò)預設多種模式，利用用戶(hù)在不同模式之間的切換，滿(mǎn)足用戶(hù)不同的需求。一旦當周?chē)h(huán)境的照度發(fā)生改變，這類(lèi)系統并不能自適應地進(jìn)行調整，仍將保持預設照度，事實(shí)上這些燈控系統并不能稱(chēng)之為真正意義上的智能家居燈光控制系統。

生物體無(wú)時(shí)無(wú)刻不在遭受著(zhù)各種抗原的攻擊，生物免疫系統能夠識別自身與異己抗原，并通過(guò)免疫應答排除抗原性異物，維持機體的生理平衡[1]。人工免疫系統是借鑒、利用生物免疫系統的信息處理機制而發(fā)展的用于解決各種工程問(wèn)題的手段和方法[2]。如果將不斷變化的自然光和用戶(hù)需求比成抗原，將滿(mǎn)足用戶(hù)需求的相關(guān)燈具的實(shí)時(shí)照度比成抗體，智能家居燈光控制系統的組成結構和功能同生物免疫系統具有極強的相似性。

本文設計的系統是一種新型的智能家居燈光控制系統。模擬生物免疫系統，利用人工免疫系統的相關(guān)知識，通過(guò)抗體和抗原不斷匹配，動(dòng)態(tài)控制燈具，達到在不斷變化的自然光環(huán)境中也可以自適應滿(mǎn)足用戶(hù)需求的目的。本文采用了ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了各燈具、遙控器與控制器之間的通信，可依據使用者對照明的不同需求，智能控制燈具，充分利用自然光，用最小的能耗實(shí)現最好的效果。

2 系統總體設計

在智能家居燈光控制系統中，選用了成本低、功耗低和網(wǎng)絡(luò )容量大[3]的ZigBee 無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式?？刂葡到y由免疫控制器、燈具控制終端和遙控器組成，遵循統一的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，借助各種不同的“預設置”和“在線(xiàn)設置”控制方式，用戶(hù)可對不同時(shí)間不同場(chǎng)景的燈光亮度進(jìn)行精確設置和合理管理，充分利用外界自然光，延長(cháng)燈具的壽命、節省能源消耗。采用智能家居燈光控制系統，不僅實(shí)現了操作簡(jiǎn)單、方便維護，還可以滿(mǎn)足工作和生活的多樣性要求，系統總體結構如圖1 所示。

免疫控制器既是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，又是人工免疫系統的中央處理單元。它負責維護系統網(wǎng)絡(luò )、處理事件以及存儲數據等任務(wù)，該節點(diǎn)包含有ZigBee 射頻收發(fā)模塊、照度傳感器和嵌入式控制系統。各個(gè)燈具控制終端與相應燈具相連，其主要功能在于接收免疫控制器發(fā)出的指令，控制燈具工作，調整燈光亮度等。該節點(diǎn)主要由控制電路與ZigBee 射頻收發(fā)模塊組成。遙控器可實(shí)現移動(dòng)控制，主要由ZigBee 射頻收發(fā)模塊和嵌入式控制系統組成。ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以星型拓撲結構構成，免疫控制器作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，各燈具控制終端及遙控器作為終端設備。用戶(hù)通過(guò)控制遙控器可發(fā)出對各燈具的開(kāi)關(guān)、調光等指令，可根據自身需要及當時(shí)自然光照度編輯場(chǎng)景，并可隨時(shí)選用自己預設好的場(chǎng)景。免疫控制器接收遙控器發(fā)出的指令，并利用人工免疫系統根據當前自然光照度，選取最符合用戶(hù)要求的場(chǎng)景。各燈具控制終端通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )接收免疫控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信息，經(jīng)過(guò)控制電路控制燈具進(jìn)行相應操作。

3 免疫控制器的結構和功能

免疫控制器的結構如圖2 所示。其主要包括三個(gè)部分: 中央處理單元、免疫反應區和骨髓。中央處理單元作為同系統其它部分交換信息的接口，主要負責接收遙控器及照度傳感器傳來(lái)的信息并利用信息產(chǎn)生抗原，同時(shí)也將免疫反應區的輸出抗體翻譯成指令發(fā)送給各燈具控制終端。骨髓負責產(chǎn)生B細胞并使其符合免疫反應區的要求，即骨髓只向免疫反應區輸送成熟B 細胞。免疫反應區是抗原和抗體匹配的場(chǎng)所，通過(guò)基于親合度的選擇等操作，確定出最優(yōu)抗體傳遞給中央處理單元。

3. 1 抗原

住宅是私人空間，主要包括起居室、餐廳、廚房、衛生間和臥室等。為了滿(mǎn)足每個(gè)空間不同的使用功能，應采用不同的照明設計。以起居室為例，它是一個(gè)多功能的活動(dòng)空間，所配置的照明應能很好地配合家庭中各種各樣的活動(dòng)，諸如: 看電視、閱讀、聚會(huì )等[4]。同時(shí)，不同時(shí)刻外界自然光的照度不同，不同用戶(hù)對于不同場(chǎng)景模式的要求也不盡相同，因此抗原包括四個(gè)屬性: 房屋類(lèi)型、用戶(hù)名、場(chǎng)景模式和自然光照度?？乖瓉?lái)自?xún)煞矫?，一方面由于用?hù)切換照明模式，抗原來(lái)自遙控器的用戶(hù)命令，另一方面來(lái)自自然光照度有較大變化時(shí)，系統自動(dòng)產(chǎn)生包含當前自然光照度的抗原，以便重新調整各燈具照度，自然光照度變化閾值由用戶(hù)在免疫控制器上設置。

3. 2 抗體

抗體的結構類(lèi)似于法默和他的同事在文獻[5] 中所提出的。如圖3 所示，它主要包括三個(gè)部分: 抗體決定基、照度編碼區和獨特型?？贵w決定基和獨特型的結構同抗原類(lèi)似，同樣包括相同的四個(gè)屬性。照度編碼區包括當前情況下相關(guān)燈具的優(yōu)化照度，這些照度交由中央處理單元識別，直接發(fā)送給燈具控制終端，用于控制相關(guān)燈具?？贵w通過(guò)其抗體決定基不僅可以識別抗原決定基，也可以識別其他抗體的獨特型，這樣可以保證抗體的多樣性。

3. 3 B 細胞和骨髓

B 細胞是抗體分子的載體，本文對二者不作區分，結構完全相同。骨髓中設有一個(gè)記憶B 細胞庫，不同用戶(hù)在不同自然光照度下設置的各種照明模式都作為記憶B 細胞存在該庫中。每次有抗原輸入，中央處理單元將抗原的前三個(gè)屬性傳遞給骨髓，骨髓完成B 細胞前三個(gè)屬性與抗原前三個(gè)屬性的匹配，只有完全匹配的記憶B 細胞才能作為成熟的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，上述過(guò)程即是B 細胞的耐受過(guò)程。若用戶(hù)修改某一照明模式，記憶B 細胞庫中將產(chǎn)生一個(gè)新的B 細胞，同時(shí)消滅與其特別相近的B 細胞，這樣可與確保骨髓總能記憶用戶(hù)的最新需求，同時(shí)維護了庫中記憶B 細胞的多樣性。

3. 4 中央處理單元和免疫反應區

中央處理單元是同燈具控制終端、遙控器和照度傳感器相連的接口。它儲存來(lái)自照度傳感器的測量數據和遙控器的用戶(hù)命令，同時(shí)又向各燈具控制終端發(fā)送指令。中央處理單元同時(shí)還控制著(zhù)免疫控制器的另外兩個(gè)部分，免疫反應區和骨髓，向它們實(shí)時(shí)提供抗原。

免疫反應區是免疫控制器的核心?？贵w和抗原在此進(jìn)行匹配，并最終產(chǎn)生符合用戶(hù)需求的最優(yōu)抗體。免疫反應區包括大量的交互函數，這些函數計算抗原同抗體的親合度，并最終確定最優(yōu)抗體，傳遞給中央處理單元。