基于人工免疫系统和ZigBee的智能家居灯光控制系统

上接：基于人工免疫系统和ZigBee的智能家居灯光控制系统的设计（一）

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。

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。

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。

( 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。

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。

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