Gambaran Keseluruhan Penyelidikan
"Real-Time Closed-Loop Color Control of a Multi-Channel Luminaire Using Sensors Onboard a Mobile Device" merupakan kertas penyelidikan yang diterbitkan dalam IEEE Access pada 27 September 2018. Kertas ini memperkenalkan pendekatan novel untuk kawalan warna sistem pencahayaan LED berbilang saluran dalam persekitaran rumah pintar dengan menggunakan kamera telefon pintar sebagai sensor maklum balas.
Inovasi Utama: Penyelidikan ini memperkenalkan kaedah ekonomi dan mudah untuk kawalan warna tepat pelita berasaskan LED dengan menggunakan kamera yang terdapat pada telefon pintar moden, menghapuskan keperluan penderia luaran yang mahal. Algoritma mampu melaksanakan percampuran berbilang saluran untuk sebarang warna dan cahaya putih pada suhu warna berkorelasi yang dikehendaki dengan indeks pembiakan warna yang tinggi.
Metrik Prestasi Utama
Pandangan Penyelidikan Utama
Kamera Telefon Pintar sebagai Penderia Warna yang Berkesan
Kajian menunjukkan kamera telefon pintar moden boleh berfungsi sebagai penderia warna yang efektif untuk kawalan gelung tertutup sistem pencahayaan LED, menggantikan keperluan penderia khusus yang mahal.
Algoritma Pencampuran Warna Berbilang Saluran
Algoritma penurunan kecerunan novel boleh menumpu kepada warna sasaran menggunakan cahaya dengan sebarang bilangan saluran LED dengan menentukan laluan terpendek dalam ruang warna CIELUV.
Penyelesaian Pencahayaan Rumah Pintar Ekonomi
Pendekatan ini terbukti sangat ekonomi dan mudah kerana tiada penderia luaran diperlukan dan boleh dilakukan menggunakan mana-mana telefon pintar Android pada luminer berasaskan LED yang serasi.
Ketepatan Warna Tinggi Dicapai
Sistem mencapai perbezaan warna (Δu'v') serendah 0.003 untuk pencampuran berbilang saluran, dengan nilai indeks pembiakan warna setinggi 94 untuk pencampuran 10-saluran.
Kukuh terhadap Sumber Cahaya Luaran
Sistem kawalan suap balik gelung tertutup membantu mengekalkan kekukuhan terhadap gangguan luaran dari sumber cahaya lain seperti cahaya matahari yang memasuki melalui tingkap.
Pelaksanaan Praktikal
Algoritma diuji dalam persekitaran ruang tamu tiruan dunia sebenar (5.8m × 3.4m) dengan enam luminar prototaip penyelidikan 10-saluran yang dikawal tanpa wayar.
Ringkasan Kandungan
Kandungan Dokumen
Abstrak
Rumah pintar dan Internet of Things adalah konsep baru dalam masyarakat moden, dengan pencahayaan pintar menjadi bahagian penting daripadanya. Selain memberikan kepuasan visual melalui sifat-sifat pembiakan warnanya, pencahayaan juga mempunyai kesan lain terhadap kesejahteraan manusia. Untuk memanfaatkan sepenuhnya potensi rumah yang diterangi secara pintar, sistem pencahayaan perlu dilengkapi dengan pengawal yang tepat yang dapat mengawal spektrum dan ciri-ciri warna cahaya selain daripada kawalan hidup-mati dan pendimaan konvensional.
Walau bagaimanapun, produk pencahayaan pintar komersial semasa dengan keupayaan sedemikian perlu menggunakan sensor mahal yang masih kekurangan dari segi maklum balas gelung tertutup yang sangat penting untuk kawalan warna tepat bagi luminer berasaskan diod pemancar cahaya (LED). Kertas kerja ini membentangkan pendekatan novel yang menggunakan kamera tersedia pada telefon pintar moden untuk melaksanakan kawalan warna gelung tertutup bagi sistem pencahayaan di rumah pintar.
Algoritma ini mampu melaksanakan percampuran pelbagai saluran untuk sebarang warna dan juga cahaya putih pada suhu warna berkorelasi yang dikehendaki dengan indeks pembiakan warna yang tinggi. Pendekatan ini terbukti sangat ekonomik dan mudah kerana tiada sensor luaran diperlukan dan boleh dilaksanakan menggunakan sebarang telefon pintar Android pada luminer berasaskan LED yang serasi.
Pengenalan
Diod pemancar cahaya (LED) secara berterusan mendapat tempat dalam aplikasi pencahayaan di seluruh dunia. Dilaporkan bahawa di Amerika Syarikat sahaja, pemasangan produk LED dalam semua aplikasi pencahayaan telah meningkat lebih daripada empat kali ganda dari tahun 2014 hingga 2016. Jabatan Tenaga A.S. juga meramalkan bahawa penembusan luminer berasaskan LED akan meningkat secara mendadak kepada kira-kira 86% dalam aplikasi pencahayaan umum menjelang tahun 2035.
Ramai pengguna beralih kepada LED kerana penggunaan kuasanya yang lebih rendah berbanding sumber cahaya tradisional seperti halogen dan pendarfluor. Selain itu, luminer berasaskan LED menawarkan kelebihan yang jauh lebih besar daripada sekadar penjimatan tenaga; ia hadir dalam pelbagai komposisi spektrum dan mudah dikawal, membawa kepada sistem pencahayaan yang boleh dilaras.
Lampu boleh laras spektrum dijangka menjadi masa depan pencahayaan, kerana kajian menunjukkan cahaya merupakan rangsangan penting yang mempengaruhi jam biologi manusia, di mana komposisi spektrum cahaya didapati sangat mempengaruhi fisiologi dan psikologi manusia. Daya tarikan sistem pencahayaan boleh laras ialah keupayaannya mengurangkan jurang antara cahaya buatan dan cahaya semula jadi, menawarkan manfaat besar kepada kesejahteraan manusia.
Kaedah Kawalan Spektrum Cahaya
Prototaip luminaire yang digunakan untuk menguji algoritma kawalan yang dicadangkan terdiri daripada 10 saluran, di mana 7 saluran merupakan warna primer dengan panjang gelombang puncak berbeza, manakala 3 saluran selebihnya ialah LED putih penukaran fosfor. Keamatan setiap saluran LED dikawal menggunakan modulasi lebar denyut (PWM), yang dibekalkan oleh pengawal mikro Arduino pada papan luminaire kepada pemacu LED secara wayarles menggunakan ZigBee.
Aplikasi Android dibangunkan untuk melaksanakan algoritma kawalan pencahayaan. Pengguna pertama memilih warna pencahayaan sasaran menggunakan pemilih warna; algoritma menukar warna tersebut kepada set koordinat u'v' yang dirujuk sebagai titik set sasaran. Maklumat keadaan pencahayaan bilik dirakam oleh kamera telefon pintar, yang ditukar kepada koordinat warna u'v' bagi cahaya dalam bilik.
Jarak Euclidian antara koordinat warna sasaran dan terukur dikira untuk menghasilkan ralat. Pengawal PI menerima ralat ini, dan mempertimbangkan koordinat warna LED, serta menjana isyarat kawalan PWM kepada setiap saluran LED dalam luminar secara wayarles menggunakan ZigBee.
Spesifikasi Saluran LED
| Saluran | 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 | 0.5247 |
| Yellow (596 nm) | 0.5899 | 0.4093 | 0.3505 | 0.5472 |
| Lime (538 nm) | 0.4087 | 0.5601 | 0.1836 | 0.5662 |
| Green (523 nm) | 0.1804 | 0.7281 | 0.0634 | 0.5760 |
Reka Bentuk Algoritma Kawalan Warna Berbilang Saluran
Algoritma kawalan warna berbilang saluran novel yang dibentangkan dalam kertas ini merupakan sejenis algoritma susur turun kecerunan yang menumpu ke kromatisiti sasaran. Pengiraan dilakukan dalam ruang warna CIELUV 1976 yang mempunyai skala kromatisiti seragam. Untuk algoritma ini berfungsi, koordinat (u', v') setiap saluran LED perlu diperoleh pada kali pertama pengguna menjalankan sistem.
Algoritma mengitar semua saluran LED dalam luminar secara individu sambil mengira koordinat warna menggunakan bacaan kamera sebagai input. Objektif utama algoritma adalah untuk membangunkan laluan perjalanan terpantas dan terpendek dalam ruang warna CIELUV bagi warna yang dipancarkan oleh luminar LED untuk menumpu ke warna sasaran menggunakan reka bentuk kawalan gelung tertutup.
Fakta bahawa warna hasil daripada penambahan dua warna sentiasa terletak pada garis yang menghubungkan warna-warna pada gambar rajah kromatisiti digunakan sebagai asas untuk mencapai secara berulang keamatan akhir setiap saluran LED.
Pelaksanaan Algoritma
Langkah pertama dalam algoritma adalah menskala saiz imej yang diperoleh daripada kamera dengan mengurangkan lebar dan tinggi imej sebanyak 10 kali ganda masing-masing, sekaligus menghasilkan imej akhir yang 100 kali ganda lebih kecil daripada asal. Kemudian, purata nilai RGB dalam imej dikira.
Nilai RGB kemudian digunakan untuk mengira koordinat warna terukur (u', v'). Isyarat ralat dikira menggunakan formula jarak Euclidian antara koordinat sasaran dan koordinat terukur.
Pengawal berkadar-kamiran (PI) digunakan dalam reka bentuk algoritma kawalan suap balik untuk mencapai ralat keadaan mantap sifar. Ia ditala menggunakan kaedah Ziegler-Nichols yang terkenal untuk mengira saiz langkah setiap lelaran yang memberikan algoritma keupayaan saiz langkah adaptif.
Keputusan Eksperimen dan Perbincangan
Sistem eksperimen telah dipasang di sebuah ruang tamu tiruan berukuran 5.8 m × 3.4 m, dilengkapi dengan enam prototipe pencahayaan penelitian 10-saluran yang boleh ditala dan dikawal secara wayarles. Tujuh saluran LED berwarna tulen ini merangkumi seluruh julat panjang gelombang cahaya nampak dan boleh dicampur untuk menghasilkan cahaya putih dengan pelbagai sifat warna.
Smartphone dengan kamera sekunder menghala ke atas digunakan untuk merakam keadaan pencahayaan, iaitu nilai RGB dan pencahayaan cahaya yang jatuh pada permukaan tempat telefon diletakkan. Sebuah spektrofotometer pencahayaan Konica Minolta CL-500A diletakkan berhampiran smartphone untuk mengesahkan algoritma kawalan warna.
Bi-Channel Mixing Results
| Eksperimen | Purata Δu'v' | Julat CCT | Purata Ralat Mutlak CCT | Purata CRI |
|---|---|---|---|---|
| Warm white & cool white | 0.0103 | 2700K hingga 5600K | 4.45% | 77.7 |
| Cool white & yellow | 0.0089 | 2700K hingga 5600K | 3.62% | 59 |
Multi-Channel Mixing Results
Algoritma kawalan warna telah diuji menggunakan pelbagai senario termasuk:
- Tujuh warna primer untuk menghasilkan cahaya putih
- Sepuluh saluran LED untuk menghasilkan cahaya putih
- Tujuh warna primer untuk menghasilkan cahaya berwarna
- Sepuluh saluran LED untuk menghasilkan cahaya berwarna
Untuk pencampuran multi-saluran, algoritma maklum balas diprogramkan untuk berhenti apabila ia mengesan bahawa perbezaan warna Δu'v' adalah kurang daripada 0.003, nilai yang lebih ketat berbanding pencampuran dwi-saluran. Sasaran ini dicapai untuk setiap warna terpilih yang dikesan oleh kamera telefon pintar.
Purata CRI adalah agak tinggi pada 82.76 untuk pencampuran tujuh-saluran dengan LED warna tulen dan 94 untuk pencampuran sepuluh-saluran. Dengan mengoptimumkan pemilihan primer LED dalam luminaire, bilangan saluran LED yang diperlukan untuk menghasilkan gamut warna yang lebih besar dan cahaya CRI tinggi boleh dikurangkan lagi.
Dari segi prestasi masa, setiap langkah dalam kawalan gelung tertutup mengambil masa lebih kurang 658ms, dengan algoritma memerlukan kira-kira 10 lelaran untuk menumpukan output luminari daripada warna rawak kepada warna sasaran. Ini bersamaan dengan lebih kurang 6-7s. Kadar penumpuan oleh algoritma ini adalah munasabah serta boleh diterima dalam aplikasi dunia sebenar.
Kesimpulan
Kertas kerja ini telah membentangkan pendekatan novel untuk kawalan warna sistem pencahayaan LED berbilang saluran dalam persekitaran rumah pintar dengan menggunakan kamera yang terdapat pada kebanyakan telefon pintar Android moden sebagai sensor maklum balas utama. Algoritma dapat mengoptimumkan spektrum output luminari untuk menghasilkan cahaya dengan CCT boleh dilaras, warna tepat dan indeks pembiakan warna yang tinggi.
Sistem kawalan suapan gelung tertutup membantu mengekalkan keteguhan terhadap gangguan luar dari sumber cahaya lain seperti cahaya matahari yang masuk melalui tingkap. Algoritma mampu berfungsi dengan ketepatan munasabah dan mempunyai potensi penambahbaikan jika data kalibrasi kamera tersuai digunakan.
Kaedah yang dicadangkan menggunakan telefon pintar sebagai kedua-dua sensor dan unit pemprosesan terbukti sangat ekonomik dan mudah kerana tiada sensor tambahan perlu dipasang. Kerja masa depan boleh merangkumi ciri seperti pencahayaan suasana berdasarkan keutamaan pengguna dan replikasi adegan pencahayaan yang dirakam pengguna pada telefon pintar dari lokasi berbeza.
Rujukan
Kertas kerja lengkap mengandungi 39 rujukan yang meliputi topik pencahayaan LED, algoritma kawalan warna, aplikasi telefon pintar dalam IoT, dan teknologi rumah pintar. Rujukan utama termasuk karya mengenai:
- Ramalan penerimaan LED oleh U.S. Department of Energy
- Kajian mengenai kesan spektrum cahaya terhadap ritma sirkadian manusia
- Penyelidikan terdahulu mengenai kaedah kawalan warna untuk sistem LED
- Aplikasi telefon pintar dalam automasi rumah dan IoT
- Algoritma ketekalan warna dan Andaian Dunia Kelabu
- Kaedah penalaan pengawal termasuk Ziegler-Nichols
Nota: Perkara di atas merupakan ringkasan kandungan kertas penyelidikan. Dokumen lengkap mengandungi data eksperimen yang meluas, kod pseudo algoritma, formulasi matematik, dan analisis terperinci keputusan. Kami mengesyorkan memuat turun PDF penuh untuk pembacaan teknikal yang mendalam.