Система адаптивного освітлення на базі визначення циркадних ритмів людини
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Желязков Є.О. Система адаптивного освітлення на базі визначення циркадних ритмів людини. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 – Електроніка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2024.
Дисертація присвячена розробці системи адаптивного освітлення, яка на основі даних про фізіологічні параметри людини та параметри світла у приміщенні, виконує функцію регулювання та підтримки комфортних умов перебування людини у приміщенні, шляхом адаптації під її циркадні ритми, що запобігає погіршенню стану здоров’я. Системи адаптивного освітлення широко застосовують в багатьох галузях. Зокрема, можна відзначити наступні застосування: в приладах противідблискового дальнього світла, широкодіапазонного ближнього світла та режиму освітлення під час руху транспортних засобів; в електронній промисловості в якості освітлення, яке є енергетично ефективним; у освітленні офісних та технологічних приміщень; у медицині при застосуванні поляризованого поліхроматичного світла та світлотерапії. Адаптація світла під циркадні ритми людини передбачає урахування фізіологічних даних та мікрокліматичних параметрів приміщення, в якому перебуває людина. Такий процес є досить складним, оскільки реєстрація фізіологічних сигналів містить як переваги, так і недоліки. Великою перевагою є наявність додаткової інформації та можливість підлаштувати режим освітлення під конкретного користувача. Недоліком є конструктивна складність реєстрації сигналів. При реалізації адаптивного освітлення необхідно враховувати також геометричні та світлові характеристики приміщенні. В більшості випадків основними вимогами, що висуваються до систем адаптивного освітлення, є: 1) колірна температура, що має відповідати часу доби та фізіологічним параметрам людини; 2) відсутність пульсацій світлового потоку; 3) енергетичні параметри – залежності енергії випромінювання від довжини хвилі випромінювання – мають бути узгодженими з колірною температурою у конкретні моменти часу доби. Додатково в застосуваннях, де випромінюється світло, що чинить додатковий вплив на людину (наприклад, зварювання, хірургія, використання електронних гаджетів), при тривалому використанні протягом багатьох років наявний негативний вплив як на здоров’я, так і на циркадні ритми людини. Це також треба враховувати при проєктуванні освітлювальних приладів та систем. Основним завданням роботи є дослідження впливу різних за параметрами типів світла на циркадні ритми людини та розробка системи, здатної адаптуватися під особисті фізіологічні характеристики людини та мікрокліматичні параметри в конкретний момент часу з урахуванням географічного розташування. На практиці використовують системи, що знімають та аналізують дані про циркадні ритми людини за допомогою натільних біологічних сенсорів. Разом з тим наявні системи, які за допомогою фотосенсорів реєструють, аналізують та відповідним чином змінюють світлові параметри – освітленість і корельовану колірну температуру. Існуючі системи адаптивного освітлення забезпечують регулювання світлових параметрів відповідно до часу доби та заданих алгоритмом керування значень, не враховуючи фізіологічні параметри людини. Додаткове врахування фізіологічних сигналів дозволяє забезпечити підлаштування під індивідуальні особливості, керування освітленням за індивідуально підібраними сценаріями, та зменшити шкідливий вплив додаткових світловипромінюючих пристроїв. Таким чином, в роботі запропоновано систему адаптивного освітлення, яка враховує внутрішні та зовнішні світлові показники приміщення та автоматично адаптується до фізіологічних даних людини. Така система належить до класу персоналізованих адаптивних систем розумного керування мікрокліматом, що широко використовуються у складі динамічних систем Інтернету речей (Internet of Things, IoT). У дисертаційній роботі на основі теоретичних і експериментальних досліджень забезпечується підвищення точності вимірювання світлових характеристик завдяки створенню нових і вдосконаленню існуючих методів вимірювання фотометричних характеристик. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та двадцяти двох додатків. У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дослідження, сформульовано мету та задачі наукового дослідження, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів дисертації та публікації. У першому розділі надано інформацію про циркадні ритми людини та принципи побудови систем адаптивного освітлення, розкрито принцип електронного моделювання циркадних ритмів. Проведено огляд існуючих наукових та технічних рішень щодо систем адаптивного освітлення, які застосовують для регулювання або з урахуванням циркадних ритмів людини. Також розглянуто особливості існуючих систем адаптивного освітлення та представлено методи аналізу та формування сигналів для визначення циркадних ритмів людини. У другому розділі проаналізовано взаємозв’язок між фізіологічними параметрами людини, електронними процесами у системі адаптивного освітлення та характеристиками світла. Результати представлено у формі регресійного рівняння. Проведено оцінку перебування людини у приміщенні з урахуванням умов світлового комфорту відповідно до зон кривої Круітгофа. У розділі наведено формалізований опис процесів, що відбуваються у системі адаптивного освітлення, а також проілюстровано діаграми основних характеристик фізіологічних параметрів людини у стані спокою та активному стані. Обґрунтовано вибір фізіологічних параметрів сигналу фотоплетизмограми – ЧСС, швидкість пульсової хвилі, значення часового інтервалу між амплітудами пульсуючої складової – як базових для аналізу циркадних ритмів людини, яка перебуває у приміщенні, з метою їхнього подальшого врахування у алгоритмах адаптивного освітлення. У третьому розділі представлено експериментальні дослідження електронних сигналів, які дозволяють виміряти взаємозв’язок між фізіологічними даними людини та світловими параметрами у приміщенні в певний час доби. Показано, що модель системи є універсальною та може бути використана не лише для параметрів світла, але й для інших даних мікроклімату. Представлено результати лабораторних експериментів для визначення рівня світлового комфорту, в якому перебуває людина з певними особистими параметрами (вік, стать, вага, зріст, стан здоров’я, тощо). Додатково представлено результати чисельного моделювання, які визначають значення циркадного ритму людини в залежності від рівня освітлення для стабільних і помірно перехідних ситуацій. Розроблено рекомендації щодо найкращих можливих світлових параметрів у певний час доби для певної особи. У четвертому розділі представлено практичну реалізацію системи інтелектуального адаптивного керування параметрами освітлення, наведено імітаційну модель системи та діаграми її роботи. Також наведено схему електричну принципову та фізичну модель системи адаптивного освітлення на базі визначення циркадних ритмів людини. Імітаційне моделювання та результати практичних досліджень підтверджують висунуті припущення про підвищення енергоефективності системи, рівня комфорту людини за рахунок адаптації значень світлових параметрів у приміщенні. Також у розділі наведено моделювання вихідного значення корельованої колірної температури протягом доби, фізіологічних параметрів особи, а також програмну реалізацію алгоритмів роботи системи. У загальних висновках автором представлені наукові та практичні результати дисертаційного дослідження та рекомендації щодо їх використання. У частині «додатки» представлено 22 додатків: «Акти про практичне впровадження розробленої ІоТ-системи адаптивного освітлення у проектах», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи Blynk IoT з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи дисплея OLED WPI438 з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи сенсора кольору BH1750 з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи Bluetooth-модуля HC-06 з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи пульсоксиметра і сенсора серцевого ритму MAX30102», «Лічильник енергії revolt серії NC5561-944», «Структура світлодіодної лампи «Lumis key light pro», «Загальний вигляд та технічні характеристики світлодіодної панелі для освітлення «Lumis key light pro» з пультом та штативом», «Обладнання для проведення експериментів», «Загальний вигляд клімат-кімнати ТУ Дрездена: вид ззовні (а) та зсередини (б)», «Шкала нечітких логічних значень інтервалу РРІ відповідно до вікових категорій», «Основні характеристики біосигналів у стані спокою та активному стані за однакового значення дискретного кроку», «Сприйняття освітлення різної колірної температури», «Представлення з’єднання сенсора кольору ВH1750 з мікроконтролером Nodemcu ESP-32. Лістинг скетчу програми для реалізації роботи сенсора кольору BH1750 з МК ESP32», «Представлення з’єднання підключеного ESP32 до OLED-дисплея. Лістинг скетчу програми для реалізації роботи дисплея OLED WPI438 з МК ESP32», «Лістинг скетчу програми для реалізації роботи Blynk IoT з МК ESP32», «Вихідні характеристики зміни значення ССТ протягом доби», «Представлення з’єднання bluetooth-модуля HC-06 з мікроконтролером Nodemcu ESP-32. Лістинг скетчу програми для реалізації роботи Bluetooth-модуля HC-06 з МК ESP32», «Представлення з’єднання сенсора MAX30105 з мікроконтролером Nodemcu ESP-32. Лістинг скетчу програми для реалізації роботи пульсоксиметра і давача серцевого ритму MAX30105», «Електрична принципова схема для реалізації системи адаптивного освітлення з урахуванням циркадних ритмів людини», «Закономірність між світловим середовищем проживанням та циркадним індексом тестованої особи». Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: 1. Запропоновано підхід щодо визначення інтегрованого показника зв‘язку між фізіологічними параметрами людини (ЧСС, швидкість пульсової хвилі, значення часового інтервалу між амплітудами пульсуючої складової), світловими та електричними параметрами системи адаптивного освітлення, за допомогою якого можливо керувати світловими параметрами середовища, в якому перебуває людина. 2. Запропоновано підхід щодо моделювання роботи серця людини у вигляді електричної схеми Ван дер Поля, яка відрізняється врахуванням трансмісійного ефекту між серцем та тканинами організму, що дозволило імітувати роботу серця людини задля уникнення шумів та завад у елементах еквівалентного електричного кола з подальшим та точним визначенням параметрів циркадних ритмів людини. 3. Запропоновано математичну модель оточуючого середовища, яка відрізняється від відомих представленням залежностей параметрів мікроклімату та фізіологічних параметрів людини у вигляді нечітких логічних висловлювань. 4. Запропоновано електричну принципову схему сенсорів вимірювання фізіологічних параметрів для визначення циркадних ритмів людини та параметрів оточуючого середовища, яка відрізняється від відомих можливістю визначення та підлаштування параметрів світла та мікроклімату під особисті фізіологічні параметри людини. Практичне значення отриманих результатів дисертації: 1. Запропоновано технічні рішення для ІоТ-системи адаптивного освітлення, які інтегрують дані про індивідуальний стан людини та умови оточуючого середовища для автоматичного регулювання освітлення. Це дозволило покращити якість життя людей і підвищити енергоефективність освітлення на 10%. 2. На базі запропонованих математичних моделей та методів розроблено програмне забезпечення мовою програмування С++ у програмному середовищі Arduino для вимірювання біологічних сигналів та параметрів оточуючого середовища, зокрема для підтримки функціонування електричної принципової схеми сенсорів, що дозволяє підлаштовуватися під фіксовані фізіологічні потреби конкретної людини, адаптуватися у конкретний момент часу під їх зміни, а також підтримувати комфортні умови перебування людей у приміщенні. 3. Виконано практичне впровадження розробленої ІоТ-системи адаптивного освітлення у проектах "KUEHA" та "CeTi" в Технічному університеті м. Дрезден.
Опис
Ключові слова
циркадні ритми, система адаптивного освітлення, крива Круітгофа, схема Ван дер Поля, фотоплетизмограма, circadian rhythms, system of adaptive lighting, Kruithof curve, van der Pol oscillator, photoplethysmogram
Бібліографічний опис
Желязков, Є. О. Система адаптивного освітлення на базі визначення циркадних ритмів людини : дис. … д-ра філософії : 171 – Електроніка / Желязков Єгор Олександрович. – Київ, 2024. – 218 с.