Araştırma Genel Bakışı
"Real-Time Closed-Loop Color Control of a Multi-Channel Luminaire Using Sensors Onboard a Mobile Device", 27 Eylül 2018'de IEEE Access'te yayınlanan bir araştırma makalesidir. Makale, akıllı telefon kameralarını geri bildirim sensörü olarak kullanarak akıllı ev ortamlarındaki çok kanallı LED aydınlatma sistemleri için renk kontrolüne yönelik yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır.
Temel Yenilik: Bu araştırma, modern akıllı telefonlarda bulunan kameralar kullanılarak LED bazlı armatürler için pahalı harici sensörlere ihtiyaç duyulmadan hassas renk kontrolü sağlayan ekonomik ve kullanışlı bir yöntem tanıtmaktadır. Algoritma, yüksek renksel geriverim indeksine sahip istenen ilişkili renk sıcaklıklarında herhangi bir renk ve beyaz ışık için çok kanallı karışım gerçekleştirebilmektedir.
Temel Performans Metrikleri
Temel Araştırma Bulguları
Etkili Renk Sensörleri Olarak Akıllı Telefon Kameraları
Araştırma, modern akıllı telefon kameralarının LED aydınlatma sistemlerinin kapalı döngü kontrolü için etkili renk sensörleri olarak kullanılabildiğini ve pahalı özel sensörlere olan ihtiyacı ortadan kaldırdığını göstermektedir.
Çok Kanallı Renk Karıştırma Algoritması
Yeni gradyan iniş algoritması, CIELUV renk uzayında en kısa yolu belirleyerek herhangi bir sayıda LED kanalına sahip ışıklar kullanarak hedef renklere yakınsayabilir.
Ekonomik Akıllı Ev Aydınlatma Çözümü
Bu yöntem, harici sensör gerektirmediğinden ve uyumlu LED bazlı armatürlerde herhangi bir Android akıllı telefonla gerçekleştirilebildiğinden oldukça ekonomik ve kullanışlıdır.
Yüksek Renk Doğruluğu Elde Edildi
Sistem, çok kanallı karışım için 0.003'e kadar düşük renk farkları (Δu'v') elde eder ve 10 kanallı karışım için 94'e varan yüksek renk geriverim indeksi değerlerine sahiptir.
Harici Işık Kaynaklarına Karşı Dayanıklı
Kapalı döngü geri besleme kontrol sistemi, pencerelerden giren güneş ışığı gibi diğer ışık kaynaklarından gelen harici bozulmalara karşı dayanıklılığın korunmasına yardımcı olur.
Pratik Uygulama
Algoritma, kablosuz kontrollü altı adet 10 kanallı araştırma prototipi armatürle donatılmış gerçek bir mock oturma odası ortamında (5.8m × 3.4m) test edildi.
İçerik Özeti
Belge İçeriği
Özet
Akıllı evler ve Nesnelerin İnterneti modern toplumda yükselen kavramlardır ve akıllı aydınlatma bunun önemli bir parçasıdır. Işığın renksel geriverim özellikleriyle görsel tatmin sağlamasının yanı sıra, insan refahı üzerinde başka etkileri de vardır. Akıllı bir şekilde aydınlatılmış bir evin potansiyelini tam olarak kullanmak için, aydınlatma sistemlerinin geleneksel açma-kapama ve karartma kontrolüne ek olarak ışığın spektrumunu ve renk özelliklerini kontrol edebilen hassas kontrol cihazlarıyla donatılması gerekir.
Bununla birlikte, bu tür yeteneklere sahip mevcut ticari akıllı aydınlatma ürünlerinin, Işık Yayan Diyot (LED) tabanlı armatürlerin hassas renk kontrolü için zorunlu olan kapalı döngü geri bildirim konusunda halen eksik olan pahalı sensörler kullanması gerekmektedir. Bu makale, modern akıllı telefonlarda bulunan kamerayı, akıllı evlerdeki aydınlatma sistemleri için kapalı döngü renk kontrolü gerçekleştirmek üzere kullanan yeni bir yaklaşım sunmaktadır.
Algoritma, herhangi bir renk ve ayrıca yüksek renk geriverim indeksine sahip istenen bağıl renk sıcaklığında beyaz ışık için çok kanallı karışım gerçekleştirebilmektedir. Harici sensör gerektirmediğinden ve uyumlu bir LED tabanlı armatürde herhangi bir Android akıllı telefon kullanılarak gerçekleştirilebildiğinden, bu yaklaşım oldukça ekonomik ve kullanışlıdır.
Giriş
Işık yayan diyotlar (LED'ler) dünya genelinde aydınlatma uygulamalarında istikrarlı şekilde yer ediniyor. Yalnızca Amerika Birleşik Devletleri'nde, 2014'ten 2016'ya kadar tüm aydınlatma uygulamalarında LED ürün kurulumlarının dört kattan fazla arttığı bildirildi. ABD Enerji Bakanlığı ayrıca, 2035 yılına kadar genel aydınlatma uygulamalarında LED bazlı armatürlerin penetrasyonunun %86 seviyelerine kadar önemli ölçüde artacağını öngörüyor.
Birçok tüketici, halojen ve floresan gibi geleneksel ışık kaynaklarına kıyasla daha düşük güç tüketimi nedeniyle LED'lere yöneliyor. Ayrıca LED bazlı armatürler, enerji tasarrufundan çok daha fazla avantaj sunuyor; çeşitli spektral kompozisyonlarda geliyor ve kolayca kontrol edilebiliyorlar, bu da ayarlanabilir aydınlatma sistemleri sağlıyor.
Spektral olarak ayarlanabilir ışıkların aydınlatmanın geleceği olması beklenmektedir, çünkü çalışmalar ışığın insan biyolojik saati üzerinde etkili önemli bir uyaran olduğunu, ışığın spektral bileşiminin insan fizyolojisi ve psikolojisi üzerinde güçlü bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Ayarlanabilir bir aydınlatma sisteminin cazibesi, yapay ışıklar ile doğal ışık arasındaki boşluğu kapatabilmesi ve insan refahına büyük faydalar sunabilmesidir.
Işık Spektrumu Kontrol Metodolojisi
Önerilen kontrol algoritmasını test etmek için kullanılan armatür prototipi 10 kanaldan oluşmaktadır; bunların 7'si farklı tepe dalga boylarına sahip birincil renkler iken, kalan 3 kanal fosfor dönüştürmeli beyaz LED'lerdir. Her LED kanalının şiddeti, bir Arduino mikrodenetleyici tarafından ZigBee kullanılarak kablosuz olarak LED sürücüye sağlanan darbe genişlik modülasyonu (PWM) ile kontrol edilmektedir.
Aydınlatma kontrol algoritmasını çalıştırmak için bir Android uygulaması geliştirilmiştir. Kullanıcı öncelikle bir renk seçici aracılığıyla hedef aydınlatma rengini seçer; algoritma bu rengi, hedef set noktası olarak adlandırılan bir dizi u'v' koordinatına dönüştürür. Oda aydınlatma koşulunun bilgisi, akıllı telefon kamerası tarafından yakalanır ve bu bilgi odadaki ışığın u'v' renk koordinatlarına dönüştürülür.
Hata üretmek için hedef ve ölçülen renk koordinatları arasındaki Öklid mesafesi hesaplanır. PI kontrolcüsü bu hatayı alır, LED'lerin renk koordinatlarını dikkate alır ve ZigBee kullanılarak kablosuz olarak armatürdeki her LED kanalı için PWM kontrol sinyali üretir.
LED Kanal Özellikleri
| Kanal | CIE 1931 xy x | CIE 1931 xy y | 1976 CIELUV u' | 1976 CIELUV v' |
|---|---|---|---|---|
| Kırmızı (637 nm) | 0.7020 | 0.2975 | 0.5436 | 0,5183 |
| Amber (625 nm) | 0,6817 | 0.3178 | 0.5003 | 0.5247 |
| Sarı (596 nm) | 0.5899 | 0.4093 | 0.3505 | 0,5472 |
| Lime (538 nm) | 0,4087 | 0.5601 | 0.1836 | 0.5662 |
| Yeşil (523 nm) | 0.1804 | 0.7281 | 0.0634 | 0,5760 |
Çok Kanallı Renk Kontrol Algoritması Tasarımı
Bu makalede sunulan yeni çok kanallı renk kontrol algoritması, hedef kromatikliğe yakınsayan bir tür gradyan iniş algoritmasıdır. Hesaplamalar, tekdüze bir kromatiklik ölçeğine sahip olan 1976 CIELUV renk uzayında gerçekleştirilir. Bu algoritmanın çalışması için, kullanıcı sistemi ilk çalıştırdığında her LED kanalının (u', v') koordinatlarının elde edilmesi gerekir.
Algoritma, kamera okumasını girdi olarak kullanarak renk koordinatlarını hesaplarken, armatürdeki tüm LED kanallarını teker teker döngüsel olarak tarar. Algoritmanın temel amacı, kapalı döngü kontrol tasarımını kullanarak LED armatürünün yaydığı rengin hedef renge yakınsaması için CIELUV renk uzayında en hızlı ve en kısa yol yolunu geliştirmektir.
İki rengin eklenmesiyle ortaya çıkan rengin daima kromatiklik diyagramındaki renkleri birleştiren bir çizgi üzerinde olması gerçeği, her bir LED kanalının nihai yoğunluklarına yinelemeli olarak ulaşmak için temel olarak kullanılır.
Algoritma Uygulaması
Algoritmanın ilk adımı, kameradan elde edilen görüntünün boyutunu genişlik ve yüksekliği 10 kat azaltarak ölçeklendirmektir, böylece orijinalinden 100 kat daha küçük bir nihai görüntü elde edilir. Ardından, görüntüdeki ortalama RGB değerleri hesaplanır.
RGB değerleri daha sonra ölçülen renk koordinatlarını (u', v') hesaplamak için kullanılır. Hata sinyali, hedef ve ölçülen koordinatlar arasındaki Öklid mesafe formülü kullanılarak hesaplanır.
Sıfır kararlı durum hatası elde etmek için geri beslemeli kontrol algoritmasının tasarımında oransal-integral (PI) denetleyici kullanılır. Her yineleme için adım boyutunu hesaplamak üzere, algoritmaya uyarlanabilir adım boyutları yeteneği sağlayan, iyi bilinen Ziegler-Nichols yöntemi kullanılarak ayarlanmıştır.
Deneysel Sonuçlar ve Tartışmalar
Deneysel sistem, 5,8 m x 3,4 m boyutlarında bir mock oturma odasına kurulmuş olup, kablosuz kontrollü ve ayarlanabilir altı adet 10 kanallı araştırma prototipi armatürle donatılmıştır. Saf renkli LED'lerden oluşan yedi kanal, görünür dalga boyu aralığını kapsar ve geniş bir renk özelliği yelpazesine sahip beyaz ışık elde etmek için karıştırılabilir.
İkincil kamerası yukarı bakacak şekilde konumlandırılan akıllı telefon, aydınlatma koşulunu (telefonun yerleştirildiği yüzeye düşen ışığın RGB değerleri ve aydınlık düzeyi) ölçmek için kullanılır. Renk kontrol algoritmasını doğrulamak amacıyla bir Konica Minolta CL-500A aydınlık spektrofotometresi akıllı telefonun yakınına yerleştirilmiştir.
Bi-Channel Mixing Results
| Deney | Ortalama Δu'v' | CCT Aralığı | Ortalama Mutlak CCT Hatası | Ortalama CRI |
|---|---|---|---|---|
| Warm white & cool white | 0.0103 | 2700K ila 5600K | %4,45 | 77,7 |
| Cool white & yellow | 0.0089 | 2700K ila 5600K | %3,62 | 59 |
Multi-Channel Mixing Results
Renk kontrol algoritması test edilirken şu senaryolar kullanıldı:
- Beyaz ışık üretmek için yedi ana renk
- Beyaz ışık üretmek için on LED kanalı
- Renkli ışık üretmek için yedi ana renk
- Renkli ışık üretmek için on LED kanalı
Çok kanallı karışım için, geri bildirim algoritması, renk farkı Δu'v'nin 0.003'ten küçük olduğunu tespit ettiğinde durmak üzere programlanmıştır; bu, çift kanallı karışıma kıyasla daha katı bir değerdir. Bu hedef, akıllı telefon kamerası tarafından tespit edilen her seçilen renk için karşılanmıştır.
Saf renkli LED'lerle yedi kanallı karışım için ortalama CRI oldukça yüksek olarak 82.76 ve on kanallı karışım için 94'tü. Armatürdeki LED ana renklerinin seçimini optimize ederek, daha geniş bir renk gamı ve yüksek CRI ışığı üretmek için gereken LED kanal sayısı daha da azaltılabilir.
Zamanlama performansı açısından, kapalı döngü kontrolündeki her adım yaklaşık 658 ms sürer ve algoritmanın armatürlerin çıktısını rastgele bir renkten hedef renge yakınsaması yaklaşık 10 yineleme alır. Bu da yaklaşık 6-7 saniyeye eşdeğerdir. Algoritmanın bu yakınsama hızı, gerçek dünya uygulamalarında kabul edilebilir olduğu kadar makuldür.
Sonuç
Bu makale, akıllı ev ortamında çok kanallı bir LED aydınlatma sisteminin renk kontrolü için, çoğu modern Android akıllı telefondaki kamerayı ana geri bildirim sensörü olarak kullanan yeni bir yaklaşım sunmuştur. Algoritma, ayarlanabilir CCT'ye, doğru renge ve yüksek renksel geriverim indeksine sahip bir ışık üretmek için armatürlerin çıktı spektrumunu optimize edebilmektedir.
Kapalı döngü geri bildirim kontrol sistemi, pencerelerden giren güneş ışığı gibi diğer ışık kaynaklarından gelen dış bozuculara karşı sağlamlığın korunmasına yardımcı olur. Özel kamera kalibrasyon verileri kullanılırsa, algoritma makul bir doğrulukla çalışabilir ve potansiyel iyileştirme sağlanabilir.
Akıllı telefonun hem sensör hem de işlem birimi olarak kullanılması önerilen yöntem, ek sensör kurulumu gerektirmediğinden oldukça ekonomik ve kullanışlıdır. Gelecekteki çalışmalar, kullanıcı tercihine dayalı ortam aydınlatması ve kullanıcının farklı bir konumdan akıllı telefonda kaydettiği bir aydınlatma sahnesinin replikasyonu gibi özellikleri içerebilir.
References
Tam metin, LED aydınlatma, renk kontrol algoritmaları, IoT'de akıllı telefon uygulamaları ve akıllı ev teknolojileri konularını kapsayan 39 referans içermektedir. Temel referanslar arasında şu çalışmalar yer alır:
- U.S. Department of Energy tarafından LED benimseme tahminleri
- Işık Spektrumunun İnsan Sirkadiyen Ritimleri Üzerindeki Etkileri Üzerine Çalışmalar
- LED Sistemler için Renk Kontrol Yöntemleri Üzerine Önceki Araştırmalar
- Akıllı telefon uygulamalarının ev otomasyonu ve IoT'deki kullanımı
- Renk sabitliği algoritmaları ve Gri Dünya Varsayımı
- Ziegler-Nichols yöntemini içeren kontrolör ayarlama teknikleri
Not: Yukarıdaki içerik araştırma makalesinin özetidir. Tam belge kapsamlı deneysel veriler, algoritma pseudocode'u, matematiksel formülasyonlar ve sonuçların detaylı analizini içermektedir. Derinlemesine teknik okuma için tam PDF'in indirilmesi önerilir.