基于人工免疫系統(tǒng)和ZigBee的智能家居燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（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(jié)約能源。因此，好的燈光控制系統(tǒng)應(yīng)可以充分利用外界自然光，動(dòng)態(tài)控制燈具，以達(dá)到用最小的能耗實(shí)現(xiàn)最好效果的目的。現(xiàn)有的智能家居燈光控制系統(tǒng)大多只是通過預(yù)設(shè)多種模式，利用用戶在不同模式之間的切換，滿足用戶不同的需求。一旦當(dāng)周圍環(huán)境的照度發(fā)生改變，這類系統(tǒng)并不能自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，仍將保持預(yù)設(shè)照度，事實(shí)上這些燈控系統(tǒng)并不能稱之為真正意義上的智能家居燈光控制系統(tǒng)。

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

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一種新型的智能家居燈光控制系統(tǒng)。模擬生物免疫系統(tǒng)，利用人工免疫系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，通過抗體和抗原不斷匹配，動(dòng)態(tài)控制燈具，達(dá)到在不斷變化的自然光環(huán)境中也可以自適應(yīng)滿足用戶需求的目的。本文采用了ZigBee 無線通信技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了各燈具、遙控器與控制器之間的通信，可依據(jù)使用者對(duì)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(xiàn)最好的效果。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在智能家居燈光控制系統(tǒng)中，選用了成本低、功耗低和網(wǎng)絡(luò)容量大[3]的ZigBee 無線組網(wǎng)方式?？刂葡到y(tǒng)由免疫控制器、燈具控制終端和遙控器組成，遵循統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，借助各種不同的“預(yù)設(shè)置”和“在線設(shè)置”控制方式，用戶可對(duì)不同時(shí)間不同場(chǎng)景的燈光亮度進(jìn)行精確設(shè)置和合理管理，充分利用外界自然光，延長(zhǎng)燈具的壽命、節(jié)省能源消耗。采用智能家居燈光控制系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了操作簡(jiǎn)單、方便維護(hù)，還可以滿足工作和生活的多樣性要求，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(diào)器，又是人工免疫系統(tǒng)的中央處理單元。它負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、處理事件以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等任務(wù)，該節(jié)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(tǒng)。各個(gè)燈具控制終端與相應(yīng)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(diào)整燈光亮度等。該節(jié)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(xiàn)移動(dòng)控制，主要由ZigBee 射頻收發(fā)模塊和嵌入式控制系統(tǒng)組成。ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成，免疫控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，各燈具控制終端及遙控器作為終端設(shè)備。用戶通過控制遙控器可發(fā)出對(duì)各燈具的開關(guān)、調(diào)光等指令，可根據(jù)自身需要及當(dāng)時(shí)自然光照度編輯場(chǎng)景，并可隨時(shí)選用自己預(yù)設(shè)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(tǒng)根據(jù)當(dāng)前自然光照度，選取最符合用戶要求的場(chǎng)景。各燈具控制終端通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)接收免疫控制器發(fā)送過來的控制信息，經(jīng)過控制電路控制燈具進(jìn)行相應(yīng)操作。

3 免疫控制器的結(jié)構(gòu)和功能

免疫控制器的結(jié)構(gòu)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(yīng)區(qū)和骨髓。中央處理單元作為同系統(tǒng)其它部分交換信息的接口，主要負(fù)責(zé)接收遙控器及照度傳感器傳來的信息并利用信息產(chǎn)生抗原，同時(shí)也將免疫反應(yīng)區(qū)的輸出抗體翻譯成指令發(fā)送給各燈具控制終端。骨髓負(fù)責(zé)產(chǎn)生B細(xì)胞并使其符合免疫反應(yīng)區(qū)的要求，即骨髓只向免疫反應(yīng)區(qū)輸送成熟B 細(xì)胞。免疫反應(yīng)區(qū)是抗原和抗體匹配的場(chǎng)所，通過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(wèi)生間和臥室等。為了滿足每個(gè)空間不同的使用功能，應(yīng)采用不同的照明設(shè)計(jì)。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(yīng)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，不同用戶對(duì)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: 房屋類型、用戶名、場(chǎng)景模式和自然光照度。抗原來自兩方面，一方面由于用戶切換照明模式，抗原來自遙控器的用戶命令，另一方面來自自然光照度有較大變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生包含當(dāng)前自然光照度的抗原，以便重新調(diào)整各燈具照度，自然光照度變化閾值由用戶在免疫控制器上設(shè)置。

3. 2 抗體

抗體的結(jié)構(gòu)類似于法默和他的同事在文獻(xiàn)[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(qū)和獨(dú)特型?？贵w決定基和獨(dú)特型的結(jié)構(gòu)同抗原類似，同樣包括相同的四個(gè)屬性。照度編碼區(qū)包括當(dāng)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(shí)別，直接發(fā)送給燈具控制終端，用于控制相關(guān)燈具?？贵w通過其抗體決定基不僅可以識(shí)別抗原決定基，也可以識(shí)別其他抗體的獨(dú)特型，這樣可以保證抗體的多樣性。

3. 3 B 細(xì)胞和骨髓

B 細(xì)胞是抗體分子的載體，本文對(duì)二者不作區(qū)分，結(jié)構(gòu)完全相同。骨髓中設(shè)有一個(gè)記憶B 細(xì)胞庫，不同用戶在不同自然光照度下設(shè)置的各種照明模式都作為記憶B 細(xì)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(xì)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(xì)胞才能作為成熟的B細(xì)胞被排出骨髓，進(jìn)入免疫反應(yīng)區(qū)，成為免疫反應(yīng)區(qū)中的抗體，上述過程即是B 細(xì)胞的耐受過程。若用戶修改某一照明模式，記憶B 細(xì)胞庫中將產(chǎn)生一個(gè)新的B 細(xì)胞，同時(shí)消滅與其特別相近的B 細(xì)胞，這樣可與確保骨髓總能記憶用戶的最新需求，同時(shí)維護(hù)了庫中記憶B 細(xì)胞的多樣性。

3. 4 中央處理單元和免疫反應(yīng)區(qū)

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(chǔ)存來自照度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)和遙控器的用戶命令，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)還控制著免疫控制器的另外兩個(gè)部分，免疫反應(yīng)區(qū)和骨髓，向它們實(shí)時(shí)提供抗原。

免疫反應(yīng)區(qū)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)生符合用戶需求的最優(yōu)抗體。免疫反應(yīng)區(qū)包括大量的交互函數(shù)，這些函數(shù)計(jì)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。