بخشی از مقاله
سیستم روشنایی هوشمند با بهره گیری از الگوریتم های پردازش تصویر و رویکرد بهینه سازی در مصرف انرژی و کاهش آلودگی نوری
چکیده
در دنیایی که به سمت اتمام منابع انرژی طبیعی پیش میرود استفاده بهینه از انرژیهای موجود، از مسائل مهم روز محسوب میشود. یکی از اساسیترین و به روزترین زیر مجموعههای مدیریت انرژی، مدیریت انرژی روشنایی میباشد. علی رغم وجود برخی مزایا در منابع روشنایی کنونی، معایبی نظیر تولید اشعه-های مخرب ماوراء بنفش و مادون قرمز، بزرگ بودن حباب، عدم امکان برنامهپذیری آنها، سمی بودن جیوه موجود در تیوپ، راندمان کاری متوسط، باعث روی کار آمدن تکنولوژی جدیدی به بازار صنعت روشنایی جهان گردیده است. لامپهای LED دراری پتانسیل قابل توجهی در زمینه بهینهسازی مصرف انرژی بوده و معایب فوق را ندارند. هدف این پژوهش ارائه یک سیستم روشنایی هوشمند مبتنی بر لامپهای LED با بهره گیری از الگوریتمهای پردازش تصویر و کاهش هزینههای اضافی در بخش انرژی روشنایی و افزایش بهره وری حاملهای انرژی میباشد.
مقدمه
امروزه استفاده از منابع نوری مناسب در سیستمهای روشنایی از اهمیت خاصی برخوردار است، منابع نوری هر چقدر کوچکتر، کاراتر و با طول عمر بالاتر باشند بهترند. لامپهای LED تنها منابع نوری هستند که این ویژگی را دارند. از مزایای این لامپها برنامهپذیری، طول عمر بسیار بالا، قابلیت تعمیر، پرتاب نور زیاد، نور طبیعی و فاقد اشعههای مخرب، پایین بودن توان مصرفی و بهره نوری مناسب آنها میباشد که در واتها، رنگها، شکلها و سایزهای مختلفی تولید میشوند. با استفاده از لنزهای به خصوص میتوان جهات تابش را در این سیستمهای روشنایی کنترل کرد که از نقطه نظر کارایی و زیبایی اهمیت خاصی دارد. به همین دلیل در سالهای اخیر توجه ویژه ای نسبت به استفاده از لامپهای LED شده است و تحقیقات بسیاری در این زمینه صورت گرفته است (احمدیان تازه محله، .(1390
با گسترش فن آوری ساخت منابع نوری نیمه هادی و LEDهای توان بالا، طراحی و ساخت مدارهای کنترل کننده ماژول LED با جریان ثابت، بازدهی بالا، ضریب توان بالا و هارمونیکهای جریان پایین یکی از نیازهای اصلی جهت به کارگیری LEDهای توان بالا به منظور کاربرد در مصارف روشنایی و نورپردازی محسوب میشود. لازم به ذکر است که مشخصات نورسنجی و شار نوری LEDها بر حسب جریان اعمالی به آنها تعیین میگردند، به عبارت دیگر، با اعمال ولتاژ ثابت به LEDها نمیتوان پیش بینی درستی از کیفیت نور تولید شده و شار نوری آنها داشت. در حالی که در مدار کنترل کننده جریان ثابت، با تنظیم و تثبیت جریان خروجی، میتوان برای LEDهای سازندههای مختلف، شار نوری و مشخصات نورسنجی مطلوب بدست آورد .(Maxim Integrated, 2004) همچنین طول عمر LEDها توسط درایور با جریان ثابت بیشتر میگردد .(Huang et al., 2011) لازم به ذکر است که در مدارهای کنترل کننده جریان ثابت، مشخصات نورسنجی در حین کارکرد علی رغم تغییر دمای محیط و نیز افزایش دمای LED در حین کارکرد ثابت است، زیرا جریان عبوری از LEDها ثابت میماند. در حالی که در درایورهای ولتاژ ثابت در حین کارکرد، با توجه به منحنی جریان بر حسب ولتاژ LED ، جریان عبوری از LED به میزان قابل ملاحظهای تغییر میکند که این امر باعث تغییر شار نوری و مشخصات نورسنجی در حین کارکرد مدار میگردد .(Gupta & Prasad, 2011) از طرف دیگر، معمولا برای LEDها میزان جریان قابل تحمل بر حسب دمای محیط در برگه اطلاعاتی آن قید میگردد. لذا تحریک ماژول LED به مدار کنترل کننده جریان ثابت این اطمینان را به همراه خواهد داشت که جریان عبوری، از حداکثر جریان قابل تحمل ماژول بیشتر نمیگردد. در حالی که در صورت تحریک ماژول LED با یک مدارکنترل کننده ولتاژ ثابت، با افزایش دما و کاهش ولتاژ هدایت مستقیم LEDها، احتمال تجاوز از حداکثر جریان قابل تحمل LEDها و در نتیجه سوختن آنها وجود دارد (شاه محمدی و رحمتی، .(1392
علاوه بر ثابت بودن جریان ماژول LED که پیشتر به آن اشاره شد، داشتن بازدهی بالا نیز از دیگر موارد مورد توجه است، زیرا یکی از مهم ترین انگیزه کاربرد LEDها در روشنایی، بازدهی نوری آنها است و این مهم زمانی منجر به تولید محصول نهایی با بازدهی بالا میگردد که مدار کنترل کننده ماژول LED نیز دارای کمترین میزان اتلاف توان باشد. از این رو استفاده از مدارهای سوئیچینگ جایگزین استفاده از مدارهای خطی شده است تا علاوه بر ابعاد کمتر، بازدهی بالاتری را در مقایسه با مدارهای کنترل کننده خطی ایجاد نماید .(Pressman et al., 2009 & Broeckl et al., 2007) نکته مهم دیگری که در طراحی مدار کنترل کننده جریان ماژول LED اهمیت فراوان دارد، داشتن مداری با ضریب توان بالا و هارمونیکهای جریان ورودی پایین است. لازم به توضیح است که نسبت توان اکتیو به توان ظاهری در یک مدار را ضریب توان مینامند. لذا هرچه ضریب توان در یک مدار کنترل کننده جریان ماژول LED به یک نزدیکتر باشد و شکل موج جریان ورودی به شکل موج سینوسی شبیهتر باشد، مدار کنترل کننده از نظر شبکه برق، بار مناسبتری خواهد داشت. به همین دلیل، معمولا از طرف شرکتهای متولی نظارت بر کیفیت برق شبکه و بر اساس استانداردهای تدوین شده توصیه میشود تا مصرف کنندگان با مدار اصلاح ضریب توان، ضریب توان را افزایش و هارمونیکهای جریان ورودی را کاهش دهند.
در این مقاله طراحی یک سیستم روشنایی هوشمند مبتنی بر لامپهای LED با داشتن ویژگی تشخیص حضور با بهره گیری از الگوریتمهای پردازش تصویر که نسبت به تعداد، مکان و حالات افراد شدت نور را در نقاط مختلف تنظیم میکند، تشریح گردیده است. با توجه به برنامه پذیر بودن لامپهای LED، با استفاده از مدار کنترل کننده جریان و مدولاسیون پهنای پالس1 میتوان میزان شدت روشنایی این لامپها را به راحتی کنترل و برنامهریزی کرد. تستهای آزمایشگاهی نشان داده که به ازای کاهش 50 درصدی نور، 40 درصد کاهش مصرف انرژی را خواهیم داشت.
مدار کنترل جریان ماژول LED
همانطور که توضیح داده شد این قسمت وظیفه روشن نمودن لامپ LED و تنظیم نمودن جریان ثابت خروجی را به عهده دارد، این عملکرد باعث شده لامپ LED با حداکثر شدت نور، کمترین حرارت ممکن و حداکثر طول عمر ممکن وظیفه خود را به درستی انجام دهد.
از خصوصیات این مدار داشتن ضریب توان نزدیک به یک، هارمونیکهای جریان ورودی پایین و قابلیت تنظیم جریان و کـارکرد در محـدوده ولتـاژ 240-100 ولت میباشد. همچنین این مدار دارای محدود کننده جریان راه اندازی اولیه میباشد که باعث میشود به لامپهای LED در لحظه کلیـدزنی آسـیبی نرسـد. در ادامه شماتیک مدار کنترل جریان ماژول LED را در شکل 1 مشاهده میکنید (زالیپور، .(1393
شکل -1 شماتیک مدار کنترل جریان ماژول LED
سیستم پردازش حضور با استفاده از الگوریتم های پردازش تصویر
تصویر را میتوان یک تابع دو بعدی مثل f(x,y) در نظر گرفت که x و y مختصات مکانی هستند و دامنه f در هر جفت از مختصات (x,y)، شدت یا سطح خاکستری تصویر در آن نقطه است. وقتی x و y و مقادیر شدت f متناهی و کمیتهایی گسسته باشند، تصویر را تصویر دیجیتال مینامیم. توجه کنید که تصویر دیجیتال، مرکب از تعداد متناهی عناصر است، که هر کدام دارای مکان و مقدار خاصی است. این عناصر را عناصر تصویر مینامند. بینایی، از پیشرفتهترین حسهای ما است، لذا تعجبی ندارد که تصاویر، مهمترین نقش را در ادراک انسانها داشته باشند. اما بر خلاف انسانها، که محدود به باند بصری الکترومغناطیسی (EM) هستند، ماشینهای تصویر ساز تقریبا کل طیف EM را از گاما تا امواج رادیویی پوشش میدهند. آنها میتوانند بر روی تصاویر تولید شده توسط منابعی عمل کنند که انسانها عادت ندارند به تصاویر نسبت دهند. اینها شامل ماورای صوت، میکروسکوپی الکترونی و تصاویر تولید شده توسط کامپیوتر است. بنابراین پردازش تصویر دیجیتالی گستره وسیع و حوزه متنوعی از کاربردها را در بر میگیرد (گونزالس و وودز، .(1387 پردازش تصویر یکی از جدیدترین تکنولوژیهای حال حاضر دنیا میباشد. این علم به سرعت به یکی از پرکاربردترین علوم در تمامی زمینهها تبدیل شده است. سیستمهایی که در این علم ارتباط هستند ماشین بینایی نامیده میشوند(حیدری، .(1389 با بهره گیری از الگوریتم های پردازش تصویر توسط این سیستم میتوان نسبت به تعداد، مکان و حالات افراد شدت نور را در نقاط مختلف تنظیم و برنامهریزی کرد.
این سیستم توسط یک دوربین ثابت از مکان مورد نظر تصویر برداری کرده و توسط نرم افزار سیستم، تصویر را پردازش میکند و در صورتی که یک فرد یا افرادی به این محیط وارد شوند تصویر اخذ شده توسط دوربین با استفاده از روشها و الگوریتمهای پردازش تصویر مورد پردازش قرار گرفته و تعداد افراد موجود در تصویر استخراج میشود. سپس این دادهها از طریق پورت سریال به میکروکنترلر ارسال شده و در نتیجه طبق الگوریتمی که برای میکروکنترلر تعریف کردهایم روشنایی محیط نسبت به تراکم جمعیت تنظیم میگردد، جهت تنظیم شدت روشنایی از روش مدولاسیون پهنای پالس استفاده کرده ایم. مدولاسیون پهنای پالس یک روش کاملا عملی برای کنترل توان خروجی بار میباشد، به عبارت دیگر با تغییراتی در پهنای پالس، توان الکتریکی انتقالی به خروجی بار را کاهش یا افزایش میدهیم. اصل و مبنای مدولاسیون پهنای پالس، تغییر پهنای پالس و در نتیجه تغییر مقدار متوسط ولتاژ موج است، این کار به راحتی توسط میکروکنترلرها امکان پذیر است. در شکل 2 چند نمونه شکل موج که پهنای پالس آن تغییر کرده است را مشاهده میکنید. منظور از Duty Cycle مدت زمان روشن و خاموش بودن پالس و منظور از Period یک دوره تناوب در شکل موج میباشد. یک Duty Cycle کوچک باعث ایجاد ولتاژ خروجی کم میشود، زیرا پالس در بیشتر زمان ها خاموش میباشد. Duty Cycle به صورت درصدی بیان میشوند (زالیپور، .(1393
کاربرد ویژه این سیستم جهت روشنایی معابر میباشد، لذا الگوریتم پیشنهادی برای میکروکنترلر را جهت کنترل روشنایی معابر به کار میبریم، که در ادامه به شرح آن خواهیم پرداخت. یک معیار جهت میزان روشنایی فراهم شده برای معابر، حجم عبور و مرور عابرین پیاده میباشد. مقادیر استاندارد IESNA در جدول 1 نشان داده شده است و همانطور که از جدول مشخص است برای حجم عبور و مرور بیشتر عابرین پیاده، سطح روشنایی بالاتری نیاز است. حجم عبور و مرور عابرین با تعدادشان در پیادهرو در یک طول مشخص (به عنوان مثال 200 متر) و در یک ساعت از شب (به عنوان مثال ساعت 18 تا (19 طبقه بندی میگردد. اگر توسط سیستم بیشتر از 100 نفر شمرده شود، در سطح بالا، بین 11 تا 99 نفر سطح متوسط و کمتر از 10 نفر در سطح پایین طبقه بندی می-گردند. برای کاهش مصرف انرژی در این نوع معابر بر اساس استاندارد IESNA مقدار شار نوری چراغها به سطوح متوسط و کم عابرین پیاده تقلیل مییابد که به ترتیب برابر 30 درصد و 50 درصد کاهش نور خواهد بود. تستهای آزمایشگاهی نشان داده که به ازای کاهش 50 درصدی نور، 40 درصد کاهش مصرف انرژی را خواهیم داشت. با توجه به توضیحات فوق این الگوریتم را برای میکروکنترلر تعریف میکنیم، بنابراین میکروکنترلر پس از دریافت دادههای ارسال شده از کامپیوتر حجم متغیر عبور و مرور را تحلیل کرده و مطابق معیارهای فوق شدت روشنایی را تنظیم میکند. همچنین جهت استفاده در مکان-های داخلی، این سیستم به کاربر اجازه میدهد با توجه به فضا و تعداد افراد، حالت های مطلوب و دلخواه را برای میکروکنترلر جهت کنترل شدت روشنایی برنامهریزی کند .(DMD & Associates Ltd , 2006) ضمنا برای ارگانهایی مثل پلیس، دادگاهها و شرکتهای بیمه تعداد تصادفات تحت شرایط کاهش نور حائز اهمیت میباشد بنابراین شدت روشنایی معابر باید به نحوی باشد که تشخیص عابرین در فاصله حداقل 4 متر امکان پذیر باشد، مقدار شدت روشنایی متوسط برای معابر مطابق جدول 2 میباشد. حداقل متوسط روشنایی برای معابر، در حد تشخیص موانع 5 لوکس میباشد. در مناطقی که تردد عابرین از عرض خیابان در محدوده عبور عابر پیاده زیاد میباشد، در صورت تردد عابر و آشکار سازی آن توسط سیستم، میتوان با تغییر رنگ نور به عنوان هشداری برای راننده منطقه فوق تاکید کرد (سلمانی، .(1387
شکل -2 چند نمونه شکل موج که پهنای پالس آن تغییر کرده است
در الگوریتم پیشنهادی ما جهت آشکارسازی افراد از بردارهای ویژگی انسان2 استفاده شده است. که با این روش الگوریتم پیشنهادی فقط نسبت به حضور انسان عکس العمل نشان میدهد نه نسبت به حضور حیوانات. به عبارت دیگر از الگوریتم معروف تفاضلی (اختلاف تصویر جاری و تصویر زمینه بهینه سازی شده) استفاده نشده است، چون همانطور که میدانیم این الگوریتم در صورت تغییر کمی در روشنایی محیط به هر دلیلی یا وجود هر جسم متحرکی در تصویر باعث ایجاد خطا در آشکارسازی خواهد شد. لذا جهت افزایش دقت الگوریتم پردازش تصویر، الگوریتم ارائه شده بر اساس استخراج بردارهای ویژگی تصویر و مقایسه این بردارها با بردارهای ویژگی انسان میباشد. در نهایت تعداد افراد استخراج شده و سپس این دادهها از طریق پورت سریال به میکروکنترلر ارسال شده و میکروکنترلر شدت نور را طبق الگوریتمی که تشریح گردید تنظیم میکند. ضمنا کامپیوتر مورد استفاده شده، یک PC خانگی با حافظه 2GB بوده است در صورتیکه میتوانیم کامپیوتر خانگی و میکروکنترلر AVR را حذف نموده و کلیه عملیات الگوریتمهای پردازش تصویر و ارسال فرامین جهت لامپها را روی یک پردازنده Raspberry Pi Model B+ انجام دهیم که در شکل 5 نمایش داده شده است. کلیه این عملیات را در ادامه در شکل 3، تصویر محیط قبل و بعد از حضور افراد را مشاهده میکنید.
