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)（二）

上接：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）

4 人工免疫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4. 1 抗原和抗體的編碼

抗原和抗體具有相似的結(jié)構(gòu)，抗原由用戶或中央處理單元產(chǎn)生，抗體在骨髓中形成。為了便于計(jì)算和匹配，本文選用了二進(jìn)制的編碼方式對抗原和抗體進(jìn)行編碼。抗原的編碼如表1 所示。其中，自然光照度的編碼采用如下方法: 二進(jìn)制的數(shù)據(jù)共12位，由低位到高位，每四位分別代表十進(jìn)制中的個(gè)位、十位和百位; 如表1 所示，二進(jìn)制中的低4 位0101 代表十進(jìn)制中的個(gè)位5。

抗體的抗體決定基同抗原具有相同的結(jié)構(gòu)，高度匹配的一對抗原和抗體，它們的抗體決定基和抗原的編碼形式是互補(bǔ)的，但抗體決定基中的自然光照度編碼方法同抗原中自然光照度的方法一致。照度編碼區(qū)中相關(guān)燈具照度的編碼的前4 位代表了相關(guān)燈具的編號，后12 位的編碼方法同抗原中自然光照度的方法一致?？贵w的獨(dú)特型編碼形式與其抗體決定基的編碼形式一致，表2 列出了同表1 抗原高度匹配的抗體的編碼，因獨(dú)特型同抗體決定基編碼一致，表中并未列出獨(dú)特型的編碼。

4. 2 親合度的計(jì)算方法

4. 2. 1 骨髓中的匹配方法

在骨髓中，B 細(xì)胞將經(jīng)歷耐受期，采用海明距離法計(jì)算記憶B 細(xì)胞前三個(gè)屬性與抗原前三個(gè)屬性的匹配程度。匹配度采用下式計(jì)算

L 是抗原前三個(gè)屬性的二進(jìn)制編碼的總位數(shù)，即L =12。只有當(dāng)D = 12 時(shí)，即記憶B 細(xì)胞前三個(gè)屬性與抗原前三個(gè)屬性完全匹配時(shí)，當(dāng)前記憶B 細(xì)胞才可以作為成熟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。

為保證骨髓內(nèi)保存的都是用戶的最新設(shè)置，當(dāng)用戶改變某一情況下的設(shè)置時(shí)，最新設(shè)置將作為新的記憶B 細(xì)胞儲存在骨髓中，同時(shí)消滅與其相似的原有記憶B 細(xì)胞。相似度仍采用如式1 所示的海明距離法確定，此時(shí)匹配對象是新的B 細(xì)胞的抗體決定基和原有B 細(xì)胞的獨(dú)特型，L 為獨(dú)特型的二進(jìn)制編碼的總位數(shù)，即L = 24。只有當(dāng)D = 0 時(shí)，即新的B 細(xì)胞的抗體決定基同原有B 細(xì)胞的獨(dú)特型完全相同時(shí)，骨髓才認(rèn)定二者相似，消滅原有記憶B 細(xì)胞，儲存新的記憶B 細(xì)胞。

4. 2. 2 免疫反應(yīng)區(qū)中親合度的計(jì)算方法

由于在骨髓中已經(jīng)完成了用戶名、房屋類型及場景模式的匹配，因此只將成熟B 細(xì)胞的部分抗體送入免疫反應(yīng)區(qū)進(jìn)行匹配，部分抗體包括抗體決定基中的第四個(gè)屬性自然光照度和照度編碼區(qū)。用于在免疫反應(yīng)區(qū)中計(jì)算親合度的兩部分分別是抗體和抗原中的自然光照度部分，親合度由公式2 計(jì)算得出。

( 1) 確定當(dāng)前抗原類型，判斷抗原是由用戶切換照明模式還是由自然光較大變化引起的。如果是由用戶引起的，繼續(xù)向下執(zhí)行，若是由自然光變化引起的，則轉(zhuǎn)至( 3) 。

( 2) 將抗原輸入至骨髓，記憶B 細(xì)胞經(jīng)歷耐受期，耐受成功后，將所有成熟B 細(xì)胞輸入至免疫反應(yīng)區(qū)。若不成功，則說明此時(shí)系統(tǒng)處于初始階段，記憶B 細(xì)胞庫中并未存有用戶針對此種照明模式的抗體，此時(shí)轉(zhuǎn)至( 4)

( 3) 計(jì)算免疫反應(yīng)區(qū)中的所有抗體與抗原的親合度，選擇親合度最大的抗體作為最優(yōu)抗體輸出至中央處理單元，然后轉(zhuǎn)至( 5) 。

( 4) 系統(tǒng)針對用戶的不同需求及燈具的分布特點(diǎn)，默認(rèn)存有一些抗體，這些抗體并不包含自然光照度，只包括抗體決定基的前三個(gè)屬性和照度編碼區(qū)，默認(rèn)抗體存儲在骨髓內(nèi)的一個(gè)特殊區(qū)域。當(dāng)抗原在骨髓內(nèi)耐受失敗后，則自動(dòng)與默認(rèn)抗體匹配，并將默認(rèn)抗體作為最優(yōu)抗體輸出至中央處理單元。

( 5) 中央處理單元解碼最優(yōu)抗體，并將相關(guān)燈具的照度設(shè)置發(fā)送至各燈具控制終端。

骨髓中的記憶B 細(xì)胞庫是由用戶通過遙控器或免疫控制器設(shè)置完成的并不斷地進(jìn)行更新。如果用戶對當(dāng)前的照明設(shè)置不滿意，可通過遙控器或免疫控制器進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)自動(dòng)將調(diào)整結(jié)果放入骨髓中的記憶B 細(xì)胞庫，并消滅相似的記憶B 細(xì)胞。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，我們利用MATLAB進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M了用戶在起居室中看電視的場景，通過輸入不同抗原，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)可快速穩(wěn)定地處理各種抗原，輸出結(jié)果理想。下面結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡述實(shí)驗(yàn)過程。

人們在看電視時(shí)，視力高度集中在電視屏幕上，且持續(xù)時(shí)間也較長。由于電視屏幕放射出紫外線和微量的x 射線，人眼吸收之后，視力會(huì)下降; 電視屏幕上的亮度很高，如果室內(nèi)的照明全部關(guān)閉的話，屏幕上的亮度與周圍環(huán)境的亮度之比可達(dá)幾十至幾百倍，這樣會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的眩光，易出現(xiàn)視覺疲勞現(xiàn)象，因此室內(nèi)應(yīng)保持適當(dāng)?shù)恼彰?。此外，燈具與電視機(jī)間要有正確的位置，燈具不能在看電視的視野范圍內(nèi)，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的眩光。燈具也不能在屏幕上產(chǎn)生亮斑，這也是被人們所厭惡的。

針對上述問題，模擬了如下場景，電視置于起居室內(nèi)西墻處，電視周邊對稱放置6 個(gè)燈具，南、北兩側(cè)各3 個(gè)，由南至北燈具序號依次為1 ～ 6，燈具安裝既不在觀看視野內(nèi)，也不會(huì)在電視屏幕上產(chǎn)生亮斑，南面有飄窗，自然光可通過該窗射入。為更好檢測系統(tǒng)性能，測試了多個(gè)場景，其中4 個(gè)主要場景的測試結(jié)果如圖4 所示。

當(dāng)沒有自然光照射時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)分配給各燈具的照度分配如圖4 ( a) 所示。當(dāng)自然光照度變?yōu)?0Lux時(shí)，用戶利用遙控器對燈具進(jìn)行了調(diào)整，以便符合自己的習(xí)慣，系統(tǒng)將調(diào)整的結(jié)果存入骨髓記憶B 細(xì)胞庫中。當(dāng)自然光照度再次變?yōu)?0Lux 或相近數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生抗原，并將與其匹配的符合用戶習(xí)慣的抗體輸出，此時(shí)輸出抗體與系統(tǒng)默認(rèn)抗體的比較如圖4( b) 所示。如果用戶對當(dāng)前輸出抗體不滿意，可自主進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記住用戶調(diào)整的結(jié)果，當(dāng)下次出現(xiàn)當(dāng)前情況的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)輸出用戶改變習(xí)慣后的結(jié)果，用戶改變習(xí)慣前后的輸出結(jié)果如圖4( c) 所示。當(dāng)用戶需要切換場景模式時(shí)，系統(tǒng)可輕松完成，圖4 ( d) 展示了用戶將場景模式切換為閱讀模式時(shí)，系統(tǒng)輸出的符合用戶習(xí)慣的結(jié)果。

6 結(jié)論

經(jīng)過仿真驗(yàn)證，該系統(tǒng)穩(wěn)定可行，可以滿足用戶對于各種照明模式的需求，并且充分利用外界自然光，可以達(dá)到用最小的能耗實(shí)現(xiàn)最好效果的目的。同時(shí)，該系統(tǒng)的控制對象可自主擴(kuò)展，比如只需在抗原、抗體中加入電動(dòng)百葉窗的相關(guān)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對百葉窗的控制，系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。

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