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）

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。

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。

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。

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。