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FPGA智慧型感光桌燈



Semi-Finals


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Project Paper - view as Preliminary(2010/07/21), Final(2010/11/01), Draft, Latest

1. 設計介紹 (Preliminary Paper)

  視覺是人類接受外界資訊最主要的管道,然而,現代人由於工作上的一頭熱,造成對於燈光的明暗度有所忽略,倘若因工作需求導致眼睛視力欠佳,實為得不償失。因此,我們對燈光的明暗度去感測,進而給使用者合適的亮度,保護使用者的眼睛健康。

  有鑑於台灣對綠化科技的重視,以及燈光在高科技國家使用的普遍性,我們相信如果能在燈光的控制上著手,在適當的時機給予適合的亮度(例如:沒人、閱讀、全自動模式),並達到更省電、智慧的方式,總合起來所節省的電量肯定相當可觀。

  台灣高學歷的人才一年比一年多,經常熬夜加班的社會人更是不勝枚舉,我們周遭的同學,個個都戴著一副沉重的眼鏡,沒近視的學生在這年頭幾乎是沒有了。也因此,我們所做的產品目標主要鎖定於台灣為數極多的學生,以及上班人口,我們藉由這次的創意理念來激發大家對眼睛的重視,也希望我們的產品對保護台灣人的健康盡一份心力。

(Revision: 3 / 2010-09-17 01:57:23)

2. 功能描述 (Final Project Paper)

  本作品是先由紅外線感測器偵測人體,若感測到人體再開起攝影機以擷取外界的亮度,用以控制LED的亮度。作品主要功能可分為四大部分1. 選擇模式、2. 智慧型開關、3. 智慧型亮度控制、4.人性化判斷功能。

1. 選擇模式:

利用DE2-70上現成的LCD面板來顯示各種模式,並使用DE2-70上的switch加以控制,我們設計的有電源關閉、好眠模式、閱讀模式、全自動模式。

模式說明如下:

(1)    好眠:此模式提供使用者在睡覺或者是休息的時候使用,其亮度控制在十元商店所買的到的小夜燈那樣。

(2)    閱讀:此模式提供使用者在工作或者是念書or看報紙的時候使用,其可將亮度控制在適合閱讀又不刺眼的環境(功能4.便是在此mode下執行)

(3)    全自動模式:在紅外線偵測到五分鐘沒有人體時,將其關閉。而當有人體時,依當時環境的明暗去提供合適的燈光強度。

(4)    電源關閉:切斷電源。

2. 智慧型開關:

外接紅外線偵測器(Infrared Ray Sensor )它會感測外界是否有人體,如果感測到的話他會送出訊號給板子,以開啟LED燈。如果太久沒偵測到人體的話,關閉LED(給常忘記關燈的使用者的貼心設計)

3. 智慧型亮度控制:

 外接攝影機(camera),用以偵測現存環境的亮度,並用此數據加以控制LED燈的亮度。而LED亮度的控制方式,是採用PWM的方式,固定頻率並改變其Duty Cycle的值,使之達到亮度的變化,更能節省20~80%的用電量(視亮度而定)

4. 人性化判斷功能:

利用camera所擷取出來的影像,在DE2-70中做處理,並做出適當的回應。預計demo過程如下:假設在桌上放一本書,當我們把書翻開的時候,判斷並切割圖片使DE2-70知道使用者把書翻開了,由此控制亮度使其適合閱讀。相反的,如果書闔上了便會調回原先的亮度(預設相對較暗)

 

         有了智慧型開關與亮度控制這樣的設計,可以幫助工作者滿足對於光線的需求,藉由偵測人體的出現,即會自動開啟燈光,接著控制燈光的明暗。閱讀模式更人性化的知道我們現在要休息還是要看書,藉此調節燈光。有了這些功能,我們將不會因為光線的不足,而無意間產生視力的減退。

 

 

(Revision: 5 / 2010-09-17 02:17:41)

3. 效能參數 (Final Project Paper)

  本作品是由紅外線偵測是否有人體,再開啟攝影機以擷取外界光源的亮度,用以決定LED燈的亮度。在此作品當中,為了不必要的能源耗費,在紅外線偵測到人體之前,攝影機是處於關閉的狀態,一直到紅外線偵測到人體後,才將其開啟。為使作品能夠有更快的反應速度,大多數的功能皆用硬體去完成,扣除面板顯示的話,本作品不需使用Nios就能完成偵測人體以及控制亮度的功能,亦能達到更加省電的效果。

 

  智慧型桌燈在節省功耗方面:

1. LED 與傳統桌燈比較:

實際上高功率LED燈的亮度為傳統燈泡的35倍,而一般桌燈所用多為27W,並接於110V的電源,而我們的產品使用高功率LED燈單個為3W,一共用了3顆為9W,接於板子輸出的3.3V(我們實際用三用電表測出為2.6V),在燈品的選擇上直接就省了66%的用電量。燈的壽命方面:普通白熾燈壽命是一千五百小時,日光燈節能燈是六千小時,而LED燈則長達五萬小時以上。

2. 利用視覺暫留來省電:

為使人類不看出卡通是一張張的圖片所組成,卡通使用60Hz的頻率來欺騙我們的眼睛,利用這個特性,我們的產品使用約為80Hz的頻率(人眼看不出閃爍),也就是利用開開關關、一直閃爍的燈光來偽裝成一直開著的燈光,藉此達到省電的效果。省電的多少取決於關掉的時間,其值為總瓦數的2080%

((1-Duty Cycle)/DIV,關掉燈光的時間比率)

3. 自動關閉功能:

有時候忘記關燈一出門就10幾個小時,以半個月忘記一次,我們合理假設人平均一天關一小時的燈,有了這個功能我們一個月便能省下30小時的電量,日積月累所省下的電量不容小覷。

 

  上列23點,都需要alteraDE2-70平台才能辦到,它使得我們可以在FPGA以及周邊上存好我們想做的事(例如:偵測環境參數的algorithm、明暗的選擇、PWM的組成),在外界偵測環境參數丟給它做處理之後做出適當的回應,我們可以說DE2-70在我們的設計中整合了周邊硬體並處理,以人體為喻,其扮演了大腦般的重要角色。

  硬體加速:

  相較於用寫軟體的方式在現成不能改變的硬體架構上,處理影像資訊之重覆運算工作,一直丟資訊給CPU做處理的做法既耗時又不環保,本作品使用ALTERA公司的DE2-70平台,利用其FPGA的特點以硬體方式平行處理影像運算工作,針對效能上之需求,設計客製化的硬體架構,以達到即時影像處理(Real-time)此外,由於我們用FPGA做設計,都在FPGA上面做修改,省去硬體在設計資源上的浪費。

(Draft / 2010-09-17 02:20:53)

4. 設計架構 (Preliminary Paper)

硬體設計架構圖:

軟體流程:

Step1.由紅外線感測器去偵測人體,經由DE2-70控制攝影機開啟。

Step2.由攝影機接收環境參數並傳到DE2-70上,利用已寫好在FPGA上的演算法做計算。

Step3.將計算結果由GPIO控制桌燈,利用PWM法省電並給予適當的亮度。

 

整體架構圖:

(Revision: 2 / 2010-09-17 03:36:39)

5. 設計方法 (Final Project Paper)

  我們以SOPC建構出基本該有的元件,如cpuramIOJTAG…。首先,在硬體方面,我們採用HDL來實現紅外線感測器可以在偵測到東西後自動開啟camera以及燈泡,camera取得之圖片RGB參數值,此參數可由RAM取得,再經由設計出來的演算法,計算出此時環境所合適的亮度,而得以控制由SOPC所建出的pwm實現亮度的變化。

1. 環境參數之判斷:

根據camera擷取並轉換後的資訊我們在每個pixel(像素)可得RGB三原色分別的亮度值,要知道當前亮度並做處理的話,可以依據這三個值相加後的結果。

2. 硬體加速之實做:

每個pixel都會有RGB,這三個值,在需要判斷環境亮度的情況下,我們須得把每個pixelRGB值加總之後再取平均。如此做法下雖可得正確結果,但其方法不夠好,我們便思考這一點加以改進。

我們的做法是由分別取出RGB的值之前下手,在RGB輸出的module裡面便先將其相加取平均之後輸出(等同灰階影像的亮度),也就是說我們在能夠取得RGB值的同時,便已對其做先一步的處理,降低下一步資料的運算量。

3. LED燈、紅外線感測器與板子之連接:

採用板子上的GPIO做為主要I/O,用金屬導線將其與LED燈、紅外線感測器做連接,這牽涉到電路的焊接以及用QuartusIIPin接上,起初遇到瓶頸,因為板子無法提供足夠的電力給LED燈,之後採用高效能的LED解決此問題。

實現的方式如下:

 

 

 

 

 

  我們使用Quartus完成電路設計後,再將演算法寫入,驗證其正確性,完成正確的架構。

 

 

 

(Revision: 4 / 2010-09-17 03:41:19)

6. 設計特點 (Preliminary Paper)

  本作品是使用FPGA(Altera DE2-70)為核心,設計智慧型感光桌燈。設計出會依環境調整適當的亮度的機器,也可以由使用者自行控制所需要的亮度。此桌燈對於現代的上班族或是學生都很合適,擁有適當的亮度,可以減輕對眼睛的負擔,進而提昇工作品質,使工作更有效率。

  本作品有以下幾個特點:

1.   外接紅外線來控制開關:

在感測到人體前,只需將紅外線感測器開著,這樣子能省去不必要的能源耗費,等到偵測到人體再去開啟其它的功能。

2.   自動關閉:

若燈開啟後,一段時間內沒有感測到人體的話,就將燈自動關閉,只將紅外線感測器開著,這樣子一來可以省下不少電,避免不必要的浪費。

3.   模式選擇:

能依據所需要的環境亮度去改變模式(好眠、閱讀、全自動模式…),甚至可以依個人需求去定義所需要的模式。

4.   高功率LED燈使用:

高功率LED燈無論是在省電、亮度、壽命都比一般桌燈來的好(詳見3.效能參數),因此我們採用高功率LED燈。

5.   亮度控制:

外接攝影機(camera),將接收到的環境參數傳給DE2-70,並利用簡單快速的演算法計算出環境明亮度,用以控制LED燈的亮度,這樣子不但可以依據環境的需要供給必須的亮度,還能達到省電的效果。

6.   人性化亮度調整:

在閱讀模式下,如果使用者翻開書,便把燈光亮度調整成適合閱讀,否則燈光相較暗一點讓使用者休息。

7.   硬體加速:

   在取得環境的亮度參數時,利用FPGA的尚未使用的邏輯閘,早一步對資料做處理,充分利用仍未使用的FPGA邏輯閘、並使接下來的資料處理快速,以達即時反應的要求(real-time)

8.   利用視覺省電:

利用人體無法察覺的頻率(80Hz),讓LED燈閃爍,使之看起來好像是一直亮著,這種做法可以省下不少能源,省電的比例約為20%~80%,會因為上一點的亮度控制而有所改變。

  有鑑於世界對節能減碳的提倡,我們所設計的桌燈,都是以省電為出發點,適時的給予適當的亮度,以達到更智慧的省電,累積下來省的電力一定是很可觀的。

  此作品是以桌燈為例,未來更可以推廣的家裡的電燈、車內的燈,甚至是馬路上的路燈,讓我們的環境能夠更省電、更美好。

(Revision: 4 / 2010-09-17 02:48:49)

7. 總結 (Final Project Paper)

從開始對DE2-70這板子的不了解,反覆的閱讀相關書籍以及網路上他人的討論而漸漸明白系統的運作和開發,其中遇到許多關卡須由軟硬體來互相配合,經過這次比賽,發現要實作出一個系統,確實不是一件容易的事,必須要了解很多系統的小細節,例如:板子內建的硬體元件容量、特性,更要熟悉Altera公司所附的軟體工具(QuartusIINios II)的使用方法,軟硬體間的細節都要清楚了解,才知道如何下手,在做這作品的過程中經過一而再、再而三的試驗,雖然過程有點繁雜,經過大家一起互助合作、相互討論就能辦得到,很多想法往往是從討論過程中慢慢琢磨出來的。

這次Altera 所舉辦的亞洲創新設計大賽,我們使用Altera DE2-70為核心,設計出能夠感測人體、藉由環境來控制LED燈的亮度,這次我們將所學應用在這次的比賽上面的同時,也感受到以往學習過的理論跟實際運用上的差別。從題目制定到成品,一切的一切遠比想像中還要來的複雜,不但需要有高度的程式語言能力,還要有電路設計配置、創新、想像力等等,真正動手去做了以後才會發現用想的遠比實際去做來的簡單,透過這次的比賽讓我們更深刻體會到理論需要靠實作來支持它。

最後,感謝Altera公司以及友晶科技提供這個難得的機會,讓我們能夠知曉SOPC的設計架構、FPGA設計上的方便性,使我們在硬體設計、軟體撰寫以及兩者間的溝通上有所精進。

(Draft / 2010-09-17 03:10:01)