مرور پژوهش
"Real-Time Closed-Loop Color Control of a Multi-Channel Luminaire Using Sensors Onboard a Mobile Device" مقاله پژوهشی است که در 27 سپتامبر 2018 در IEEE Access منتشر شد. این مقاله رویکردی نوین برای کنترل رنگ سیستمهای روشنایی LED چندکاناله در محیطهای خانه هوشمند با استفاده از دوربینهای تلفن همراه به عنوان سنسورهای فیدبک ارائه میدهد.
نوآوری کلیدی: این پژوهش روشی مقرونبهصرفه و کاربرپسند برای کنترل دقیق رنگ چراغهای مبتنی بر LED با بهرهگیری از دوربین موجود در تلفنهای هوشمند مدرن معرفی میکند که نیاز به سنسورهای خارجی پرهزینه را مرتفع میسازد. الگوریتم قادر به انجام میکس چندکاناله برای هر رنگ و نور سفید در دمای رنگ همبسته مطلوب با شاخص نمود رنگ بالا است.
معیارهای کلیدی عملکرد
بینشهای کلیدی پژوهشی
دوربینهای تلفن همراه به عنوان سنسورهای رنگی مؤثر
این پژوهش نشان میدهد که دوربینهای مدرن تلفنهای همراه میتوانند به طور مؤثر به عنوان سنسور رنگی برای کنترل حلقه بسته سیستمهای روشنایی LED عمل کنند و نیاز به سنسورهای اختصاصی پرهزینه را مرتفع سازند.
الگوریتم ترکیب رنگ چند کاناله
الگوریتم نزول گرادیان جدید با تعیین کوتاهترین مسیر در فضای رنگی CIELUV میتواند با استفاده از نورهای دارای هر تعداد کانال LED به رنگهای هدف همگرا شود.
راهحل مقرونبهصرفه روشنایی خانه هوشمند
این رویکرد بسیار مقرون به صرفه و کاربردی است زیرا به هیچ حسگر خارجی نیاز نداشته و با استفاده از هر گوشی اندرویدی روی چراغهای سازگار مبتنی بر LED قابل اجراست.
دقت رنگ بالا حاصل شد
این سیستم برای ترکیب چند کاناله به تفاوت رنگ (Δu'v') پایین تا 0.003 دست مییابد، با مقادیر شاخص بازآفرینی رنگ بالا تا 94 برای ترکیب 10 کاناله.
مقاوم در برابر منابع نور خارجی
سیستم کنترل فیدبک حلقهبسته به حفظ مقاومت در برابر اختلالات خارجی از منابع نوری دیگر مانند نور خورشید که از پنجرهها وارد میشود کمک میکند.
پیادهسازی عملی
الگوریتم در یک محیط واقعی شبیهسازی شده اتاق نشیمن (۵.۸×۳.۴ متر) با شش چراغ پژوهشی نمونه اولیه ۱۰ کاناله با کنترل بیسیم آزمایش شد.
مرور محتوا
محتوای سند
چکیده
خانههای هوشمند و اینترنت اشیا از مفاهیم نوظهور در جامعه مدرن هستند که روشنایی هوشمند بخش مهمی از آن محسوب میشود. روشنایی علاوه بر تأمین رضایت بصری از طریق ویژگیهای بازتاب رنگ، اثرات دیگری نیز بر رفاه انسان دارد. برای بهرهبرداری از تمام پتانسیل یک خانه با روشنایی هوشمند، سیستمهای روشنایی باید به کنترلکنندههای دقیقی مجهز شوند که علاوه بر کنترل سنتی روشن/خاموش و تنظیم شدت نور، بتوانند طیف و ویژگیهای رنگی نور را نیز کنترل کنند.
با این حال، محصولات تجاری فعلی روشنایی هوشمند با چنین قابلیتهایی نیاز به استفاده از سنسورهای پرهزینهای دارند که هنوز از نظر فیدبک حلقه بسته - که برای کنترل رنگ دقیق چراغهای مبتنی بر دیود نورافشان (LED) ضروری است - فاقد کارایی لازم هستند. این مقاله رویکرد نوینی ارائه میدهد که از دوربین موجود در تلفنهای هوشمند مدرن برای انجام کنترل رنگ حلقه بسته در سیستمهای روشنایی خانههای هوشمند استفاده میکند.
این الگوریتم قادر است ترکیب چندکاناله را برای هر رنگ و همچنین نور سفید در دمای رنگ همبسته مطلوب با شاخص نمود رنگ بالا انجام دهد. این رویکرد بسیار مقرونبهصرفه و کاربردی ثابت شده است زیرا هیچ سنسور خارجی مورد نیاز نیست و میتوان آن را با استفاده از هر تلفن هوشمند اندرویدی روی چراغهای LED سازگار انجام داد.
مقدمه
دیودهای ساطعکننده نور (LEDs) بهطور پیوسته در حال کسب جایگاه در کاربردهای روشنایی در سراسر جهان هستند. گزارش شده است که تنها در ایالات متحده، نصب محصولات LED در تمامی کاربردهای روشنایی از سال 2014 تا 2016 بیش از چهار برابر شده است. وزارت انرژی ایالات متحده نیز پیشبینی میکند که نفوذ چراغهای مبتنی بر LED تا سال 2035 در کاربردهای روشنایی عمومی بهطور چشمگیری افزایش یافته و به حدود 86% خواهد رسید.
بسیاری از مصرفکنندگان به دلیل مصرف برق کمتر LEDs در مقایسه با منابع نور سنتی مانند هالوژنها و فلورسنتها، به سمت این فناوری گرایش پیدا کردهاند. علاوه بر این، چراغهای مبتنی بر LED مزایایی بسیار فراتر از صرفاً صرفهجویی در انرژی ارائه میدهند؛ آنها در ترکیبات طیفی متنوعی موجود بوده و همچنین به راحتی قابل کنترل هستند که منجر به ایجاد سیستمهای روشنایی قابل تنظیم میشود.
نورهای قابل تنظیم طیفی به عنوان آینده روشنایی در نظر گرفته میشوند، چرا که مطالعات نشان دادهاند نور یک محرک مهم در تأثیرگذاری بر ساعت زیستی انسان است، جایی که مشخص شده ترکیب طیفی نور به شدت بر فیزیولوژی و روانشناسی انسان تأثیر میگذارد. جذابیت یک سیستم نورپردازی قابل تنظیم در این است که میتواند شکاف بین نورهای مصنوعی و نور طبیعی را پر کند و مزایای عظیمی برای رفاه انسان به ارمغان آورد.
روششناسی کنترل طیف نور
نمونه اولیه چراغ مورد استفاده برای آزمایش الگوریتم کنترل پیشنهادی شامل 10 کانال است که از این تعداد 7 کانال رنگهای اولیه با طولموج اوج متفاوت هستند، در حالی که 3 کانال باقیمانده LEDهای سفید تبدیلشده با فسفر هستند. شدت هر کانال LED با استفاده از مدولاسیون عرض پالس (PWM) کنترل میشود که توسط یک میکروکنترلر Arduino روی برد چراغها به صورت بیسیم با استفاده از ZigBee به درایور LED تغذیه میشود.
یک برنامه اندرویدی برای اجرای الگوریتم کنترل روشنایی توسعه داده شد. کاربر ابتدا رنگ نور هدف را با استفاده از یک انتخابگر رنگ انتخاب میکند؛ الگوریتم این رنگ را به مجموعهای از مختصات u'v' تبدیل میکند که به عنوان نقطه تنظیم هدف شناخته میشود. اطلاعات شرایط روشنایی اتاق توسط دوربین گوشی هوشمند ثبت میشود که به مختصات رنگی u'v' نور در اتاق تبدیل میگردد.
فاصله اقلیدسی بین مختصات رنگی هدف و اندازهگیریشده برای تولید خطا محاسبه میشود. کنترل کننده PI این خطا را دریافت میکند و با در نظر گرفتن مختصات رنگی LEDها، سیگنال کنترل PWM را برای هر کانال LED در چراغ به صورت بیسیم با استفاده از ZigBee تولید مینماید.
مشخصات کانال LED
| کانال | CIE 1931 xy x | CIE 1931 xy y | 1976 CIELUV u' | 1976 CIELUV v' |
|---|---|---|---|---|
| Red (637 nm) | 0.7020 | 0.2975 | 0.5436 | 0.5183 |
| Amber (625 nm) | 0.6817 | 0.3178 | 0.5003 | ۰.۵۲۴۷ |
| Yellow (596 nm) | ۰.۵۸۹۹ | 0.4093 | 0.3505 | ۰.۵۴۷۲ |
| Lime (538 nm) | ۰.۴۰۸۷ | 0.5601 | 0.1836 | ۰.۵۶۶۲ |
| Green (523 nm) | ۰.۱۸۰۴ | 0.7281 | 0.0634 | ۰.۵۷۶۰ |
طراحی الگوریتم کنترل چندکاناله رنگ
الگوریتم کنترل رنگ چندکاناله نوین ارائه شده در این مقاله، شکلی از الگوریتم کاهش گرادیان است که به کروماتیسیتی هدف همگرا میشود. محاسبات در فضای رنگی 1976 CIELUV که دارای مقیاس کروماتیسیتی یکنواخت است انجام میشود. برای عملکرد این الگوریتم، مختصات (u', v') هر کانال LED باید در اولین بار اجرای سیستم توسط کاربر به دست آید.
این الگوریتم به صورت چرخهای از طریق تمام کانالهای LED در چراغ به صورت جداگانه عبور میکند در حالی که مختصات رنگی را با استفاده از خوانش دوربین به عنوان ورودی محاسبه میکند. هدف اصلی الگوریتم، توسعه سریعترین و کوتاهترین مسیر حرکت در فضای رنگی CIELUV برای همگرایی رنگ ساطع شده از چراغ LED به رنگ هدف با استفاده از طراحی کنترل حلقه بسته است.
این واقعیت که رنگ حاصل از اضافه کردن دو رنگ همیشه روی خط اتصال دهنده رنگها در نمودار کروماتیسیتی قرار میگیرد، به عنوان مبنایی برای رسیدن تکراری به شدتهای نهایی هر کانال LED استفاده میشود.
پیادهسازی الگوریتم
اولین مرحله در الگوریتم، تغییر مقیاس اندازه تصویر دریافتی از دوربین با کاهش عرض و ارتفاع تصویر به میزان 10 برابر است که در نهایت منجر به تصویری میشود 100 برابر کوچکتر از نسخه اصلی. سپس مقادیر متوسط RGB در تصویر محاسبه میشود.
سپس مقادیر RGB برای محاسبه مختصات رنگی اندازهگیری شده (u', v') استفاده میشوند. سیگنال خطا با استفاده از فرمول فاصله اقلیدسی بین مختصات هدف و مختصات اندازهگیری شده محاسبه میگردد.
یک کنترلکننده تناسبی-انتگرالی (PI) در طراحی الگوریتم کنترل بازخورد به منظور دستیابی به خطای حالت ماندگار صفر استفاده شده است. این کنترلکننده با استفاده از روش شناختهشده زیگلر-نیکولز برای محاسبه اندازه گام در هر تکرار تنظیم گردید که قابلیت گامهای تطبیقی را به الگوریتم میبخشد.
نتایج تجربی و بحثها
سیستم آزمایشی در یک اتاق نشیمن نمونه به مساحت ۵.۸ متر در ۳.۴ متر راهاندازی شد که مجهز به شش چراغ پژوهشی نمونهاولیه ۱۰ کاناله قابل تنظیم و کنترل بیسیم بود. هفت کانال متشکل از LEDهای خالص، محدوده طول موج مرئی را پوشش داده و میتوانند برای تولید نور سفید با طیف گستردهای از ویژگیهای رنگی ترکیب شوند.
تلفن هوشمند با دوربین دوم رو به بالا برای ثبت شرایط نوری استفاده میشود، یعنی مقادیر RGB و شدت روشنایی نور تابیده شده بر سطحی که تلفن روی آن قرار گرفته است. یک طیفسنج روشنایی Konica Minolta CL-500A در مجاورت تلفن هوشمند قرار داده شده تا الگوریتم کنترل رنگ را اعتبارسنجی کند.
Bi-Channel Mixing Results
| آزمایش | میانگین Δu'v' | محدوده CCT | خطای مطلق میانگین CCT | شاخص نمود رنگ میانگین |
|---|---|---|---|---|
| Warm white & cool white | 0.0103 | 2700K تا 5600K | 4.45% | 77.7 |
| Cool white & yellow | 0.0089 | 2700K تا 5600K | 3.62% | 59 |
Multi-Channel Mixing Results
الگوریتم کنترل رنگ با استفاده از سناریوهای مختلف از جمله آزمایش شد:
- هفت رنگ اصلی برای تولید نور سفید
- ده کانال LED برای تولید نور سفید
- هفت رنگ اصلی برای تولید نور رنگی
- ده کانال LED برای تولید نور رنگی
در اختلاط چندکاناله، الگوریتم فیدبک طوری برنامهریزی شد که با تشخیص اختلاف رنگ 0.003 > Δu'v' متوقف شود - مقداری سختگیرانهتر در مقایسه با اختلاط دوکاناله. این هدف برای هر رنگ انتخابی که توسط دوربین گوشی هوشمند تشخیص داده شد محقق گردید.
میانگین CRI برای اختلاط هفتکاناله با LEDهای خالصرنگ عدد قابلتوجه 82.76 و برای اختلاط دهکاناله 94 بود. با بهینهسازی انتخاب LEDهای اولیه در چراغ، تعداد کانالهای LED مورد نیاز برای تولید گاموت رنگی بزرگتر و نور با CRI بالا بیشتر قابل کاهش است.
از نظر عملکرد زمانی، هر مرحله در کنترل حلقه بسته تقریباً 658 میلیثانیه طول میکشد و الگوریتم برای همگرایی خروجی منابع نوری از یک رنگ تصادفی به رنگ هدف حدود 10 تکرار نیاز دارد. این معادل تقریباً 6 تا 7 ثانیه است. این نرخ همگرایی توسط الگوریتم هم منطقی و هم در کاربردهای واقعی قابل قبول است.
نتیجهگیری
این مقاله یک روش نوآورانه برای کنترل رنگ سیستم روشنایی چندکاناله LED در محیط خانه هوشمند ارائه کرده است که از دوربین موجود در اکثر تلفنهای هوشمند اندرویدی مدرن به عنوان سنسور فیدبک اصلی استفاده میکند. الگوریتم قادر است طیف خروجی منابع نوری را بهینهسازی کند تا نوری با CCT قابل تنظیم، رنگ دقیق و شاخص نمود رنگ بالا تولید نماید.
یک سیستم کنترل فیدبک حلقه بسته به حفظ مقاومت در برابر اختلالات خارجی از منابع نوری دیگر مانند نور خورشید که از پنجره وارد میشود کمک میکند. این الگوریتم با دقت معقولی قادر به کار است و در صورت استفاده از دادههای کالیبراسیون دوربین سفارشی، امکان بهبود بالقوه وجود دارد.
روش پیشنهادی استفاده از تلفن هوشمند به عنوان هم حسگر و هم واحد پردازش، بسیار مقرون به صرفه و کاربردی ثابت شده است زیرا نیاز به نصب حسگرهای اضافی ندارد. کارهای آتی میتواند شامل ویژگیهایی مانند نورپردازی مبتنی بر ترجیح کاربر و بازسازی صحنه نورپردازی باشد که کاربر از مکانی دیگر روی تلفن هوشمند خود ضبط کرده است.
References
مقاله کامل شامل 39 مرجع است که موضوعات روشنایی LED، الگوریتمهای کنترل رنگ، کاربردهای تلفن همراه در اینترنت اشیا و فناوریهای خانه هوشمند را پوشش میدهد. مراجع کلیدی شامل آثاری در زمینههای زیر است:
- پیشبینیهای پذیرش LED توسط U.S. Department of Energy
- مطالعات اثرات طیف نور بر ریتمهای شبانهروزی انسان
- تحقیقات پیشین درباره روشهای کنترل رنگ برای سیستمهای LED
- برنامههای گوشی هوشمند در اتوماسیون خانگی و اینترنت اشیاء
- الگوریتمهای ثبات رنگ و فرضیه جهان خاکستری
- روشهای تنظیم کنترلکننده شامل Ziegler-Nichols
نکته: مطالب فوق خلاصهای از محتوای مقاله پژوهشی است. سند کامل شامل دادههای آزمایشی گسترده، شبهکد الگوریتمها، فرمولبندیهای ریاضی و تحلیل تفصیلی نتایج میباشد. برای مطالعه فنی عمیق توصیه میکنیم نسخه کامل PDF را دریافت نمایید.