一種運用光場函數化技術的智慧照明系統之設計與驗證

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謝孟廷(Hsieh, Meng-Ting) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

一種運用光場函數化技術的智慧照明系統之設計與驗證
(Design and verification of an intelligent lighting system with the illuminance distribution algorithm method.)

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摘要(中)

本研究提供一種運用光場函數化技術之智慧照明系統，透過光場函數化技術將燈具的光場分布以數學方程式重建，搭配脈衝寬度調變技術（Pulse Width Modulation，PWM），了解燈具在不同的佔空比下對應的光通量表現，將燈具之光場分布函數以及佔空比對應光通量之權重函數匯入自行開發之照度分布演算模型，即可透過數學模型快速的計算空間內任一點的照度分布。
　　透過光學軟體的驗證，照度分布演算模型計算之單顆燈具在垂直與傾角的條件下相對誤差皆小於1%，在多顆燈具疊加的情形下相對誤差則小於2%，顯示自行開發之照度分布演算模型具有一定的可信度，並可精確的計算照明空間在燈具調控前後的照度分布。本研究利用照度分布演算模型可以快速、精確計算照明空間內任一點照度分布的優點，結合一影像擷取裝置擷取空間內部的使用者分布情形，透過影像分析的技術得到使用者資訊，並給予適當的照明方案。本研究進一步實際建立一模擬空間驗證本研究設計之智慧照明系統，驗證智慧照明系統經過偵測系統與調控系統的調控情形，計算結果顯示在不同照明模式下照度相對誤差皆小於5%，證明本研究所提出之設計概念對於智慧照明系統的設計與發展為可行且具有競爭力的。

摘要(英)

This study provides an intelligent lighting system with the illuminance distribution algorithm method, fitting light illuminance distribution into a numerical formula. Using the pulse width modulation (PWM) method to control LED lights and measure the relation between luminous flux and PWM duty cycle. With the weighting equation between luminous flux and PWM duty cycle and the light illuminance distribution formula, this study designs a numerical model to calculate the light illuminance in two dimensions area. This article uses optical software to verify the accuracy of the numerical model by comparing the illuminance value calculated by two different software. When simulating single LED light in different angle, the error are all less than 1%; and the simulation for more than one LED light, the error are all less than 2%. The result shows that the numerical model have high reliability in light illuminance calculating. 　
To build up an intelligent lighting system, this study uses image grabber to capture the image of target area and uses image processing technique to analyze the position of users, then adjusts LED duty cycle output to a suitable lighting condition. To verify the idea and design of the intelligent lighting system, this article build up a small size room, setting up LED lights and an image grabber. Switch to different lighting type and lighting condition, and compare the light illuminance with numerical model, the error are all less than 5% in different lighting type. The result shows that the concept and idea this article provide are correct and reliable.

關鍵字(中)

★ 智慧照明系統
★ 光場函數化
★ 影像分析

關鍵字(英)

★ Intelligent lighting system
★ illuminance distribution algorithm method
★ image processing

論文目次

摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖目錄 vii
表目錄 x
一、緒論 1
　　1-1 前言 1
　　1-2 研究目的與動機 2
　　1-3 文獻與技術回顧 4
二、照明基礎理論 10
　　2-1 光照度學 10
　　　　2-1-1 簡介 10
　　　　2-1-2 光通量 11
　　　　2-1-3 立體角 11
　　　　2-1-4 光強度 12
　　　　2-1-5 輝度 12
　　　　2-1-6 照度 12
　　2-2 輻射度學的餘弦定理 13
　　2-3 配光曲線儀 14
　　2-4 照明常用標準規範 15
　　　　2-4-1照度測定點 15
　　　　2-4-2平均照度 16
　　　　2-4-3 照度均勻度 17
三、LED燈具光場分布函數化技術 18
　　3-1 光學透鏡元件特性 19
　　3-2 配光曲線量測 19
　　　　3-2-1光強度分布量測 19
　　　　3-2-2 光強度轉光照度 21
　　3-3 光場分布函數化技術 22
　　　　3-3-1 非線性最小平方法 22
　　　　3-3-2 點光源的照度計算 25
1. 距離平方反比定律 25
2. 餘弦定律 25
　　3-4 照度分布的計算與驗證 26
　　　　3-4-1 單個LED燈具的照度分布計算與驗證 26
　　　　3-4-2 多顆LED燈具的照度分布模擬與驗證 32
　　　　3-4-3 實際驗證與誤差分析 34
　　3-5 小結 38
四、應用光場函數化技術之智慧照明系統 39
　　4-1 室內照明燈具配置 39
　　　　4-1-1 燈具設置條件 39
　　　　4-1-2 主照明區域設定 40
　　　　4-1-3 燈具配置計算與優化流程 42
　　4-2 燈具配置計算與優化結果 43
　　　　4-2-1 一般教室燈具配置 43
　　　　4-2-2 會議室燈具配置 46
　　4-3 調光系統 48
　　　　4-3-1 調光電路 48
　　　　4-3-2 調控訊號 49
　　　　4-3-3 站空比對應光通量變化 54
　　4-4 偵測系統 55
　　　　4-4-1 影像辨識 55
　　　　4-4-2 建立影像資料庫 57
　　4-5 小結 57
五、應用光場函數化技術之智慧照明系統驗證 59
　　5-1 架構模擬空間 59
　　　　5-1-1 光源挑選 59
　　　　5-1-2 模擬空間設計 60
　　5-2 調光系統架構 62
　　　　5-2-1 程式碼編輯 62
　　　　5-2-2 電路實作 63
　　5-3 偵測系統架設 65
　　　　5-3-1 影像擷取裝置 65
　　　　5-3-2 影像處理系統 65
　　5-4 影像校正計算 67
　　5-5 智慧照明系統驗證 68
　　　　5-5-1 會議室閱讀模式驗證 69
　　　　5-5-2 簡報會議模式驗證 70
　　　　5-5-3 散熱機制改良 73

六、結論與未來展望 75
　　6-1 結論 75
　　6-2 未來展望 75
參考文獻 77

參考文獻

參考文獻
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［49］五鈴光學－積分球
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［50］ LIGHT TEC Mini-Diff
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指導教授

陳奇夆(Chen, Chi-Feng)

審核日期

2015-8-4

推文