基于人工免疫系统和ZigBee的智能家居灯光控制系统的设计*

熊 伟 王 芳 李 岩谷学静

(1.河北联合大学，电气工程学院，河北唐山063009;2.河北联合大学，建筑工程学院，河北唐山063009;3.天津市塘沽城市建设投资公司，天津300451)

1 引言

智能家居灯光控制的作用，不仅是要营造良好的光环境，而且还要节约能源。因此，好的灯光控制系统应可以充分利用外界自然光，动态控制灯具，以达到用最小的能耗实现最好效果的目的。现有的智能家居灯光控制系统大多只是通过预设多种模式，利用用户在不同模式之间的切换，满足用户不同的需求。一旦当周围环境的照度发生改变，这类系统并不能自适应地进行调整，仍将保持预设照度，事实上这些灯控系统并不能称之为真正意义上的智能家居灯光控制系统。

生物体无时无刻不在遭受着各种抗原的攻击，生物免疫系统能够识别自身与异己抗原，并通过免疫应答排除抗原性异物，维持机体的生理平衡［1］。人工免疫系统是借鉴、利用生物免疫系统的信息处理机制而发展的用于解决各种工程问题的手段和方法［2］。如果将不断变化的自然光和用户需求比成抗原，将满足用户需求的相关灯具的实时照度比成抗体，智能家居灯光控制系统的组成结构和功能同生物免疫系统具有极强的相似性。

本文设计的系统是一种新型的智能家居灯光控制系统。模拟生物免疫系统，利用人工免疫系统的相关知识，通过抗体和抗原不断匹配，动态控制灯具，达到在不断变化的自然光环境中也可以自适应满足用户需求的目的。本文采用了ZigBee无线通信技术组建网络，实现了各灯具、遥控器与控制器之间的通信，可依据使用者对照明的不同需求，智能控制灯具，充分利用自然光，用最小的能耗实现最好的效果。

2 系统总体设计

在智能家居灯光控制系统中，选用了成本低、功耗低和网络容量大［3］的ZigBee无线组网方式。控制系统由免疫控制器、灯具控制终端和遥控器组成，遵循统一的网络协议，借助各种不同的“预设置”和“在线设置”控制方式，用户可对不同时间不同场景的灯光亮度进行精确设置和合理管理，充分利用外界自然光，延长灯具的寿命、节省能源消耗。采用智能家居灯光控制系统，不仅实现了操作简单、方便维护，还可以满足工作和生活的多样性要求，系统总体结构如图1所示。

图1 监控系统总体结构

免疫控制器既是整个网络中的网络协调器，又是人工免疫系统的中央处理单元。它负责维护系统网络、处理事件以及存储数据等任务，该节点包含有ZigBee射频收发模块、照度传感器和嵌入式控制系统。各个灯具控制终端与相应灯具相连，其主要功能在于接收免疫控制器发出的指令，控制灯具工作，调整灯光亮度等。该节点主要由控制电路与ZigBee射频收发模块组成。遥控器可实现移动控制，主要由ZigBee射频收发模块和嵌入式控制系统组成。ZigBee无线网络以星型拓扑结构构成，免疫控制器作为网络协调器，各灯具控制终端及遥控器作为终端设备。用户通过控制遥控器可发出对各灯具的开关、调光等指令，可根据自身需要及当时自然光照度编辑场景，并可随时选用自己预设好的场景。免疫控制器接收遥控器发出的指令，并利用人工免疫系统根据当前自然光照度，选取最符合用户要求的场景。各灯具控制终端通过ZigBee网络接收免疫控制器发送过来的控制信息，经过控制电路控制灯具进行相应操作。

3 免疫控制器的结构和功能

免疫控制器的结构如图2所示。其主要包括三个部分:中央处理单元、免疫反应区和骨髓。中央处理单元作为同系统其它部分交换信息的接口，主要负责接收遥控器及照度传感器传来的信息并利用信息产生抗原，同时也将免疫反应区的输出抗体翻译成指令发送给各灯具控制终端。骨髓负责产生B细胞并使其符合免疫反应区的要求，即骨髓只向免疫反应区输送成熟B细胞。免疫反应区是抗原和抗体匹配的场所，通过基于亲合度的选择等操作，确定出最优抗体传递给中央处理单元。

图2 免疫控制器的结构

3.1 抗原

住宅是私人空间，主要包括起居室、餐厅、厨房、卫生间和卧室等。为了满足每个空间不同的使用功能，应采用不同的照明设计。以起居室为例，它是一个多功能的活动空间，所配置的照明应能很好地配合家庭中各种各样的活动，诸如:看电视、阅读、聚会等［4］。同时，不同时刻外界自然光的照度不同，不同用户对于不同场景模式的要求也不尽相同，因此抗原包括四个属性:房屋类型、用户名、场景模式和自然光照度。抗原来自两方面，一方面由于用户切换照明模式，抗原来自遥控器的用户命令，另一方面来自自然光照度有较大变化时，系统自动产生包含当前自然光照度的抗原，以便重新调整各灯具照度，自然光照度变化阈值由用户在免疫控制器上设置。

3.2 抗体

抗体的结构类似于法默和他的同事在文献［5］中所提出的。如图3所示，它主要包括三个部分:抗体决定基、照度编码区和独特型。抗体决定基和独特型的结构同抗原类似，同样包括相同的四个属性。照度编码区包括当前情况下相关灯具的优化照度，这些照度交由中央处理单元识别，直接发送给灯具控制终端，用于控制相关灯具。抗体通过其抗体决定基不仅可以识别抗原决定基，也可以识别其他抗体的独特型，这样可以保证抗体的多样性。

图3 抗体的结构

3.3 B细胞和骨髓

B细胞是抗体分子的载体，本文对二者不作区分，结构完全相同。骨髓中设有一个记忆B细胞库，不同用户在不同自然光照度下设置的各种照明模式都作为记忆B细胞存在该库中。每次有抗原输入，中央处理单元将抗原的前三个属性传递给骨髓，骨髓完成B细胞前三个属性与抗原前三个属性的匹配，只有完全匹配的记忆B细胞才能作为成熟的B细胞被排出骨髓，进入免疫反应区，成为免疫反应区中的抗体，上述过程即是B细胞的耐受过程。若用户修改某一照明模式，记忆B细胞库中将产生一个新的B细胞，同时消灭与其特别相近的B细胞，这样可与确保骨髓总能记忆用户的最新需求，同时维护了库中记忆B细胞的多样性。

3.4 中央处理单元和免疫反应区

中央处理单元是同灯具控制终端、遥控器和照度传感器相连的接口。它储存来自照度传感器的测量数据和遥控器的用户命令，同时又向各灯具控制终端发送指令。中央处理单元同时还控制着免疫控制器的另外两个部分，免疫反应区和骨髓，向它们实时提供抗原。

免疫反应区是免疫控制器的核心。抗体和抗原在此进行匹配，并最终产生符合用户需求的最优抗体。免疫反应区包括大量的交互函数，这些函数计算抗原同抗体的亲合度，并最终确定最优抗体，传递给中央处理单元。

4 人工免疫系统的实现

4.1 抗原和抗体的编码

抗原和抗体具有相似的结构，抗原由用户或中央处理单元产生，抗体在骨髓中形成。为了便于计算和匹配，本文选用了二进制的编码方式对抗原和抗体进行编码。抗原的编码如表1所示。其中，自然光照度的编码采用如下方法:二进制的数据共12位，由低位到高位，每四位分别代表十进制中的个位、十位和百位;如表1所示，二进制中的低4位0101代表十进制中的个位5。

表1 抗原的编码

抗体的抗体决定基同抗原具有相同的结构，高度匹配的一对抗原和抗体，它们的抗体决定基和抗原的编码形式是互补的，但抗体决定基中的自然光照度编码方法同抗原中自然光照度的方法一致。照度编码区中相关灯具照度的编码的前4位代表了相关灯具的编号，后12位的编码方法同抗原中自然光照度的方法一致。抗体的独特型编码形式与其抗体决定基的编码形式一致，表2列出了同表1抗原高度匹配的抗体的编码，因独特型同抗体决定基编码一致，表中并未列出独特型的编码。

表2 同表1抗原高度匹配的抗体的编码

4.2 亲合度的计算方法

4.2.1 骨髓中的匹配方法

在骨髓中，B细胞将经历耐受期，采用海明距离法计算记忆B细胞前三个属性与抗原前三个属性的匹配程度。匹配度采用下式计算

L是抗原前三个属性的二进制编码的总位数，即L=12。只有当D=12时，即记忆B细胞前三个属性与抗原前三个属性完全匹配时，当前记忆B细胞才可以作为成熟B细胞被排出骨髓，进入免疫反应区，成为免疫反应区中的抗体。

为保证骨髓内保存的都是用户的最新设置，当用户改变某一情况下的设置时，最新设置将作为新的记忆B细胞储存在骨髓中，同时消灭与其相似的原有记忆B细胞。相似度仍采用如式1所示的海明距离法确定，此时匹配对象是新的B细胞的抗体决定基和原有B细胞的独特型，L为独特型的二进制编码的总位数，即L=24。只有当D=0时，即新的B细胞的抗体决定基同原有B细胞的独特型完全相同时，骨髓才认定二者相似，消灭原有记忆B细胞，储存新的记忆B细胞。

4.2.2 免疫反应区中亲合度的计算方法

由于在骨髓中已经完成了用户名、房屋类型及场景模式的匹配，因此只将成熟B细胞的部分抗体送入免疫反应区进行匹配，部分抗体包括抗体决定基中的第四个属性自然光照度和照度编码区。用于在免疫反应区中计算亲合度的两部分分别是抗体和抗原中的自然光照度部分，亲合度由公式2计算得出。

其中(Ag)k表示抗体k和抗原之间的亲合度，其值在0和1之间，数值越大亲合度越大。tk为抗体k与抗原的结合强度，其值由抗体和抗原中的自然光照度差值的绝对值决定。

4.3 免疫控制器的控制算法

免疫控制器是整个系统的核心，其控制算法的主要目的就是在记忆B细胞库中获取符合当前自然光照度及用户需求的抗体，将该抗体中包含的相关灯具的照度设置传递给各灯具控制终端，它的流程如下所述。

(1) 确定当前抗原类型，判断抗原是由用户切换照明模式还是由自然光较大变化引起的。如果是由用户引起的，继续向下执行，若是由自然光变化引起的，则转至(3)。

(2) 将抗原输入至骨髓，记忆B细胞经历耐受期，耐受成功后，将所有成熟B细胞输入至免疫反应区。若不成功，则说明此时系统处于初始阶段，记忆B细胞库中并未存有用户针对此种照明模式的抗体，此时转至(4)

(3) 计算免疫反应区中的所有抗体与抗原的亲合度，选择亲合度最大的抗体作为最优抗体输出至中央处理单元，然后转至(5)。

(4) 系统针对用户的不同需求及灯具的分布特点，默认存有一些抗体，这些抗体并不包含自然光照度，只包括抗体决定基的前三个属性和照度编码区，默认抗体存储在骨髓内的一个特殊区域。当抗原在骨髓内耐受失败后，则自动与默认抗体匹配，并将默认抗体作为最优抗体输出至中央处理单元。

(5) 中央处理单元解码最优抗体，并将相关灯具的照度设置发送至各灯具控制终端。

骨髓中的记忆B细胞库是由用户通过遥控器或免疫控制器设置完成的并不断地进行更新。如果用户对当前的照明设置不满意，可通过遥控器或免疫控制器进行调整，系统自动将调整结果放入骨髓中的记忆B细胞库，并消灭相似的记忆B细胞。

5 仿真实验

为了验证该系统的可行性，我们利用MATLAB进行了仿真实验。实验模拟了用户在起居室中看电视的场景，通过输入不同抗原，验证系统的稳定性和可行性。实验结果显示该系统可快速稳定地处理各种抗原，输出结果理想。下面结合具体实验结果阐述实验过程。

人们在看电视时，视力高度集中在电视屏幕上，且持续时间也较长。由于电视屏幕放射出紫外线和微量的x射线，人眼吸收之后，视力会下降;电视屏幕上的亮度很高，如果室内的照明全部关闭的话，屏幕上的亮度与周围环境的亮度之比可达几十至几百倍，这样会产生较严重的眩光，易出现视觉疲劳现象，因此室内应保持适当的照明。此外，灯具与电视机间要有正确的位置，灯具不能在看电视的视野范围内，否则会产生严重的眩光。灯具也不能在屏幕上产生亮斑，这也是被人们所厌恶的。

针对上述问题，模拟了如下场景，电视置于起居室内西墙处，电视周边对称放置6个灯具，南、北两侧各3个，由南至北灯具序号依次为1～6，灯具安装既不在观看视野内，也不会在电视屏幕上产生亮斑，南面有飘窗，自然光可通过该窗射入。为更好检测系统性能，测试了多个场景，其中4个主要场景的测试结果如图4所示。

图4 仿真测试结果

当没有自然光照射时，系统默认分配给各灯具的照度分配如图4(a)所示。当自然光照度变为20Lux时，用户利用遥控器对灯具进行了调整，以便符合自己的习惯，系统将调整的结果存入骨髓记忆B细胞库中。当自然光照度再次变为20Lux或相近数值时，系统自动产生抗原，并将与其匹配的符合用户习惯的抗体输出，此时输出抗体与系统默认抗体的比较如图4(b)所示。如果用户对当前输出抗体不满意，可自主进行调整，系统会自动记住用户调整的结果，当下次出现当前情况的时候，系统会自动输出用户改变习惯后的结果，用户改变习惯前后的输出结果如图4(c)所示。当用户需要切换场景模式时，系统可轻松完成，图4(d)展示了用户将场景模式切换为阅读模式时，系统输出的符合用户习惯的结果。

6 结论

经过仿真验证，该系统稳定可行，可以满足用户对于各种照明模式的需求，并且充分利用外界自然光，可以达到用最小的能耗实现最好效果的目的。同时，该系统的控制对象可自主扩展，比如只需在抗原、抗体中加入电动百叶窗的相关参数，即可实现系统对百叶窗的控制，系统具有良好的扩展性。

［1］李涛．计算机免疫学．北京:电子工业出版社，2004:19～20．

［2］肖人彬，曹鹏彬，刘勇．北京:科学出版社，2007:10．

［3］李文仲，段朝玉．ZigBee无线网络技术入门与实战．北京:北京航空航天大学出版社，2007:5．

［4］M．Karlen，J．Benya．建筑照明设计及案例分析．李铁楠，荣浩磊，译．北京:机械工业出版社，2005:90～91．

［5］J．D．Farmer，S．A．Kauffman，N．H．Packard，A．S．Perelson．Adaptive dynamic networks as models for the immune system and autocatalytic sets．Ann．of the New York Academy of Sciences，504，1987:118～131．