Система адаптивного освітлення на базі визначення циркадних ритмів людини
| dc.contributor.author | Желязков, Єгор Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2024-06-17T12:08:57Z | |
| dc.date.available | 2024-06-17T12:08:57Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Y.O. Zheliazkov. System of adaptive lighting based on determination of human circadian rhythms. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Thesis for graduation scientific degree of Philosophy Doctor by specialty 171 – Electronics. – Faculty of Еlectronics, National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2024. Dissertation is dedicated to the development of an adaptive lighting system, which, based on data on human physiological parameters and lighting indoor parameters, performs the function of regulating and maintaining comfortable conditions for a person's stay in the room by adapting to their circadian rhythms, which avoids deterioration of health. Adaptive lighting systems are widely used in many industries. In particular, the following applications can be noted: in anti-glare high beams, wide-range low beams and vehicle lighting; in the electronics industry as energy-efficient lighting; in office and process lighting; in medicine when using polarised polychromatic light and light therapy. Adaptation of light to human circadian rhythms involves taking into account physiological data and microclimatic parameters of the room in which a person is staying. This process is quite complex, as the registration of physiological signals has both advantages and disadvantages. The advantage is the availability of additional information and the ability to adjust the lighting mode to a specific user. The disadvantage is the constructive complexity of signal registration. When implementing adaptive lighting, it is also necessary to take into account the geometric and light characteristics of the room. For most situations the main requirements for adaptive lighting systems are: 1) a colour temperature that matches the time of day and human physiological parameters; 2) no luminous flux fluctuations; 3) energy parameters - the dependence of radiation energy on the radiation wavelength - must be consistent with the colour temperature at specific times of the day. Additionally, in applications where light is emitted that has an additional impact on humans (e.g. welding, surgery, use of electronic gadgets), prolonged use over many years can have a negative impact on both human health and circadian rhythms. This should also be taken into account when designing lighting fixtures and systems. The main task of work is to study the effect of different types of light on human circadian rhythms and to develop a system that can adapt to personal physiological characteristics and microclimatic parameters at a particular time, taking into account geographic location. In practice, systems are using in order to collect and analyse dates of human circadian rhythms using wearable biological sensors. At the same time, there are systems that use photosensors to record, analyze, and change light parameters, such as illumination and correlated color temperature, accordingly. Existing adaptive lighting systems provide regulation of light parameters according to the time of day and the values set by the control algorithm, without taking into account human physiological parameters. The additional consideration of physiological signals allows for individualized adjustment, lighting control according to individually selected scenarios, and reduces the harmful effects of additional light-emitting devices. Thus, the paper proposes an adaptive lighting system that takes into account the indoor and outdoor light indicators of a room and automatically adapts to human physiological data. Such a system belongs to the class of personalised adaptive systems for smart microclimate control, which are widely used as part of dynamic Internet of Things (IoT) systems. The thesis, based on theoretical and experimental studies, provides an increase in the accuracy of measuring light characteristics by creating new and improving existing methods for measuring photometric characteristics. The thesis consists of an introduction, four chapters, conclusions, a list of references and twenty-two appendices. The PhD-thesis, based on theoretical and experimental studies, solves the actual scientific and practical problems of improving the accuracy of the light characteristics of radiation and the light environment by creating new and improving existing methods for measuring photometric characteristics. The introduction substantiates the relevance of the chosen research topic, formulates the aim and objectives of the research, provides data on the relationship of the work with scientific programs, outlines the scientific novelty, practical significance, and provides data on the approbation of the results of the dissertation and publications. The first chapter provides information about human circadian rhythms and the principle of building an adaptive lighting system, and reveals the principle of electronic modeling of circadian rhythms. A review of existing scientific and technical solutions for adaptive lighting systems used to regulate human circadian rhythms is conducted. The features of existing adaptive lighting systems are also considered, and methods for analyzing and generating signals to determine human circadian rhythms are presented. The second chapter describes the relationship between human physiological parameters, electronic processes of the adaptive lighting system, and light characteristics, in particular, the resulting relationship is presented in the form of a regression equation. An assessment of a person's stay in a room is carried out, taking into account the conditions of light comfort. The section presents formulas that describe the processes occurring in the adaptive lighting system of a room, as well as illustrates diagrams of the main characteristics of human biosignals at rest and in an active state. The choice of a physiological signal as a basic signal for analyzing the circadian rhythms of an individual in a room is substantiated. The third chapter represents experimental studies of electronic signals that allow us to measure the relationship between human physiological data and light parameters in a room at a certain time of day. It is shown that the system model is universal and can be used not only for light parameters but also for other microclimate data. The results of laboratory experiments are presented to determine the level of light comfort in which a person with certain personal parameters (age, gender, weight, height, health status, etc.) is located. Additionally, the results of numerical modeling are presented, which determine the value of the human circadian rhythm depending on the level of illumination for stable and moderately transient situations. Recommendations on the best possible light parameters at a certain time of day for a particular person have been developed. The fourth chapter represents the practical implementation of the system of intelligent adaptive control of lighting parameters and provides a simulation model of the system and diagrams of its operation. The electrical schematic diagram and physical model of the adaptive lighting system based on the determination of human circadian rhythms are also presented. The simulation modeling and the results of practical studies confirm the assumptions made about the significant energy efficiency of the system, changes in the level of human comfort and health by adapting the light values in the room where the person is staying. The section also presents the modeling of the output characteristics of changes in the value of the correlated color temperature during the day and the physiological parameters of the individual, as well as the software implementation of the system's algorithms. In the general conclusions, the author presents the scientific and practical results of the dissertation research and recommendations for their use. The "additional papers" section contains 22 applications: "Certificates of the practical implementation of the developed IoT system of adaptive lighting in projects", "Listing of the sketch of the application for the implementation of the Blynk IoT with the ESP32 MCU", "Listing of the sketch of the application for the implementation of the OLED WPI438 display with the ESP32 MCU", "Listing of the sketch of the application for the implementation of the BH1750 colour sensor with the ESP32 MCU", "Listing of the sketch of the application for the implementation of the HC-06 Bluetooth module with the ESP32 MCU", "Listing of the sketch of the program for the implementation of the pulse oximeter and heart rate sensor MAX30102", "Revolt energy meter NC5561-944 series", "Structure of the LED lamp "Lumis key light pro", "General view and technical characteristics of the LED panel for lighting "Lumis key light pro" with a remote control and a tripod", "Equipment for conducting experiments", "General view of the climate room of TU Dresden: Outside view (a) and inside view (b)", "Scale of fuzzy logical values of the RRI interval according to age categories", "Main characteristics of biosignals in the resting and active state at the same value of the discrete step", "Perception of lighting of different colour temperature", "Presentation of the connection of the colour sensor BH1750 with the microcontroller Nodemcu ESP-32". Listing of the sketch of the program for implementation of the BH1750 colour sensor with the ESP32 MCU", "Presentation of the connection of the connected ESP32 to the OLED display. Listing of the sketch of the program for the implementation of the OLED WPI438 display with the ESP32 MCU", " Listing of the sketch of the program for implementing the operation of the OLED WPI438 display with the ESP32 microcontroller", "Listing of the sketch of the program for implementing the operation of Blynk IoT with the ESP32 microcontroller", "Output characteristics of the change in the CST value during the day", "Presentation of the connection of the HC-06 Bluetooth module with the Nodemcu ESP-32 microcontroller". Listing of the sketch of the program for implementation of the HC-06 Bluetooth module with the MC ESP32", "Presentation of the connection of the MAX30105 sensor with the Nodemcu ESP32 microcontroller. Listing of the sketch of the program for the implementation of the pulse oximeter and heart rate sensor MAX30105", "Electrical circuit diagram for the implementation of an adaptive lighting system taking into account human circadian rhythms", "The relationship between the light environment and the circadian index of the test person".The scientific novelty of the results is as follows: 1. An approach is proposed to determine the integrated indicator of the relationship between human physiological parameters (heart rate, pulse wave velocity, the value of the time interval between the amplitudes of the pulsating component), light and electrical parameters of the adaptive lighting system, which can be used to control the light parameters of the environment in which a person is located. 2. An approach to modeling the work of the human heart in the form of a Van der Pol circuit, which is distinguished by taking into account the transmission effect between the heart and body tissues, which made it possible to simulate the work of the human heart to avoid noise and interference in the elements of an equivalent electrical circuit with further and accurate determination of the parameters of human circadian rhythms. 3. A mathematical model of the environment is proposed, which differs from the known ones by representing the dependencies of microclimate parameters and human physiological parameters in the form of fuzzy logical statements. 4. An electrical circuit diagram of sensors for measuring physiological parameters for determining human circadian rhythms and environmental parameters is proposed, which differs from the known ones by the possibility of determining and adjusting light and microclimate parameters to personal physiological parameters of a person. Practical significance of the results of the dissertation: 1. Technical solutions for an IoT system of adaptive lighting that integrates data on the individual human condition and environmental conditions for automatic lighting control are proposed. This allowed us to improve the quality of life of people and increase the energy efficiency of lighting by 10%. 2. On the basis of the proposed mathematical models and methods, software in the C++ programming language in the Arduino software environment was developed to measure biological signals and environmental parameters, in particular to support the functioning of the electrical circuit of sensors, which allows you to adjust to the fixed physiological needs of a particular person, adapt at a particular time to their changes, and maintain comfortable conditions for people in the room. 3. Practical implementation of the developed IoT system of adaptive lighting in the projects "KUEHA" and "CeTi" at the Technical University of Dresden. | |
| dc.format.extent | 218 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67199 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | циркадні ритми | |
| dc.subject | система адаптивного освітлення | |
| dc.subject | крива Круітгофа | |
| dc.subject | схема Ван дер Поля | |
| dc.subject | фотоплетизмограма | |
| dc.subject | circadian rhythms | |
| dc.subject | system of adaptive lighting | |
| dc.subject | Kruithof curve | |
| dc.subject | van der Pol oscillator | |
| dc.subject | photoplethysmogram | |
| dc.subject.udc | 621.314 | |
| dc.title | Система адаптивного освітлення на базі визначення циркадних ритмів людини | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Zheliazkov_dys.pdf
- Розмір:
- 19.51 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: