Chamäleonlampe mit Helligkeitsregelung

Autoren: Christabelle Feunang & Christian Schwinne
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel

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Einleitung

Bei dem vorliegenden Artikel handelt es sich um ein Projekt aus dem Praktikum Angewandte Elektrotechnik des Studiengangs Business and Systems Engineering (BSE). Ziel des Projektes ist es, eine Lampe zu erstellen, die mittels eines Farbsensors die Farbe eines Objekts misst und die Helligkeit und Farbe der Lampe regelt, um der gemessenen Farbe zu entsprechen. Als Erweiterung ist eine Messung des Tageslichts denkbar, um in Kombination mit hellen kalt- und warmweißen LEDs ein "simuliertes Fenster" zu ermöglichen, um realistisch wirkendes Tageslicht in fensterlosen Räumen zu erhalten.

Anforderungen

Tabelle 1: Testbare, atomare Anforderungen
ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1.0	Die Lampe muss verschiedene Farben im RGB-Farbraum darstellen können.	Christian Schwinne	04.10.2022	Christabelle Feunang	04.10.2022
1.1	Die Farbe muss mittels Mikrocontroller änderbar sein.	Christabelle Feunang	04.10.2022	Christian Schwinne	04.10.2022
2.0	Die Farbe einer Oberfläche muss ermittelt werden.	Christabelle Feunang	04.10.2022	Christian Schwinne	04.10.2022
2.1	Eine neutral weiße Lichtquelle muss vorhanden sein, um eine Farbmessung von nicht emittierenden Gegenständen durchzuführen.	Christabelle Feunang	04.10.2022	Christian Schwinne	04.10.2022
3.0	Eine Regelung muss vorhanden sein, sodass der Einfluss von kurzen Störungen und Messunsicherheiten minimiert wird (langsamer Farbwechsel)	Christabelle Feunang	04.10.2022	Christian Schwinne	04.10.2022
3.1	Die Regelung muss mittels eines Mikrocontroller mit der Arduino-Entwicklungsumgebung implementiert werden.	Christian Schwinne	04.10.2022	Christabelle Feunang	04.10.2022
3.2	Die Regelung muss mittels eines Mikrocontroller modellbasiert mit Simulink implementiert werden (ersetzt Anforderung 3.1).	Christian Schwinne	06.12.2022	Christabelle Feunang	06.12.2022
O.1.0	Optionale Erweiterung: Zusätzlich zur Messung der Farbe von Oberflächen kann die Helligkeit einer Lichtquelle (Lampe/Sonne) gemessen werden (u. U. mithilfe eines zweiten Sensors).	Christian Schwinne	04.10.2022	Christabelle Feunang	04.10.2022
O.2.0	Optionale Erweiterung: Die Lampe soll optisch ansprechend gestaltet sein.	Christian Schwinne	04.10.2022	Christabelle Feunang	04.10.2022
O.3.0	Optionale Erweiterung: Die Lampe ist zusätzlich zum Sensor mittels Smartphone steuerbar (ESP32 statt Arduino Uno, WLED-Software)	Christian Schwinne	05.10.2022	-	-

Tabelle 2: Verwendete Hardware (BOM)
Anzahl	Komponente	Preis	Link
1	Arduino UNO-kompatibles Entwicklungsboard	9,49 €	Link
2	TCS34725 RGB Farbsensor	7,49 €	Link
2	LED Ring WS2812B mit 7 LEDs	0,76 €	Link
1	Jumper-Kabel-Set	6,99 €	Link
1	(optional) Lampe als Gehäuse	19,99 €	Link
1	(optional) Wemos D1 mini V3.0.0	1,91 €	Link

Theoretische Grundlagen

Funktionsweise des Farbsensors

Der TCS34725 ist ein Sensor, mit dem RGB-Farbwerte gemessen werden. Auf dem Modul ist auch ein LED verbaut, damit die Farben von nicht selbst leuchtenden Gegenständen ermittelt werden können. Mit dem Sensor lassen sich Gegenstände nach Farbe sortieren. Das Modul verfügt über einen IR-Sperrfilter, der die IR-Spektralkomponente des einfallenden Lichts minimimiert und somit eine genaue Farbmessung ermöglicht. Der Sensor kann zwischen 3.3V bis 5V betrieben werden und ist dementsprechend auch für Raspberry Pi und ESP8266 oder ESP32 geeignet. Die Kommunikation erfolgt über den I2C-Bus und erspart mühsames Verdrahten. Technisch besteht der Sensor im Wesentlichen aus vier Fotodioden. Davon besitzen drei einen Farbfilter, sodass die Diode jeweils nur auf rote, grüne, oder blaue Wellenlängen empfindlich ist. Die vierte Diode hat keinen Filter ("clear"), reagiert somit auf alle Wellenlängen und lässt sich etwa zur Messung der Helligkeit verwenden. ^[1]

Gamma-Korrektur

Die Helligkeitswahrnehmung des menschlichen Auges ist nichtlinear, sondern logarithmisch, eine doppelt so helle Lichtquelle wird also nicht als doppelt so hell wahrgenommen. Bei Farb-LEDs ist dies ein Problem, da das wahrgenommene Verhältnis der drei Farbkanäle (rot, grün, und blau) dann nicht dem gewünschten entspricht und etwa beim RGB-Farbwert für Orange 100% R, 50% G, 0% B die LEDs stattdessen gelb aussehen. Die Lösung hierfür ist die Gamma-Korrektur:

$Ausgabe = (Eingabe/255)^{\gamma} \cdot 255$

Der Faktor 255 skaliert für die Gamma-Korrektur das Eingangssignal im Bereich von 0-255 auf den Bereich von 0-1 und daraufhin wieder zurück. Für LED-Lampen und -Displays wird üblicherweise ein Gamma-Wert von 2 bis 3 verwendet. ^[2]

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Die folgende Abbildung stellt den technischen Systementwurf der Lampe nach dem EVA-Modell (Eingabe, Verarbeitung, und Ausgabe) dar. Das System besteht aus einem Farbsensor TCS34725, einem Arduino-Mikrocontroller, und Neopixel (WS2812B) LEDs.

Komponentenspezifikation

Verdrahtungsplan

Der TCS34725-Sensor wird wie in Tabelle 3 aufgelistet mit dem Arduino UNO verbunden. Für die Ansteuerung der LED wird der PWM-fähige Pin 3 des Arduino verwendet, sodass diese dimmbar ist. Die Interrupt-Funktionalität des Sensors wird für dieses Projekt nicht benötigt.

Tabelle 3: Verdrahtung Sensor mit Arduino
Pin Farbsensor	Pin Arduino
3V3	3.3V
GND	GND
LED	3
SCL	SCL (A5)
SDA	SDA (A4)

In Tabelle 4 ist die Verdrahtung des Arduino UNO mit den WS2812B-LEDs aufgeführt.

Tabelle 4: Verdrahtung Arduino mit WS2812B Farb-LEDs
Pin Arduino	Pin Farb-LEDs
5V	5V
GND	GND
4	DIN

Die vollständige Verkabelung ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Stromversorgung erfolgt über den USB-Port des Arduino.

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Zunächst werden die Komponenten wie im Verdrahtungsplan dargestellt verbunden. Dies ist der erste Testaufbau.

Um die optionalen Anforderungen zu erfüllen, wurden die Komponenten fest miteinander verlötet. Zur Ermöglichung einer kabellosen Steuerung via WLAN (auch unabhängig vom Farbsensor), wurde außerdem der Arduino Uno durch einen ESP8266 ersetzt. Als Gehäuse dient eine käuflich zu erwerbende Lampe bestehend aus lasergravierter Glaskugel und Holzbasis. Die ursprüngliche Lichtquelle wurde aus der Lampe entfernt und durch den Farbsensor, ESP8266 und Neopixel-LED-Ring ersetzt. Für die Unterseite der Lampe wurde mithilfe von SolidWorks ein Deckel entworfen und mittels FDM-3D-Druck hergestellt. Dieser bettet den TCS34725-Farbsensor ein. Es wurde schwarzes PLA-Filament verwendet, um Messabweichungen durch Streulicht zu reduzieren.

Abbildung 5: CAD-Modell des Deckels in SolidWorks
Abbildung 6: Die fertig gelötete Chamäleonlampe während des Zusammenbaus

Software

Das auf dem Arduino Uno laufende Programm ist aus dem im Folgendem dargestellten Simulink-Modell kompiliert:

Zum Auslesen der Messdaten des TCS34725-Farbsensors über I2C sowie der Ansteuerung der Neopixel sind die standardmäßig im Simulink Support Package for Arduino Hardware vorhandenen Blöcke nicht geeignet. Deshalb müssen benutzerdefinierte Blöcke hinzugefügt werden, die beliebigen C-Code ausführen können, so dass diese digitalen Komponenten über die für die Verwendung in der Arduino-IDE konzipierten Bibliotheken "Adafruit TCS34725" und "Adafruit NeoPixel" angesprochen werden können. Zur Erstellung des eigenen "MATLAB System"-Blocks gibt es ein MathWorks-Tutorial für den verwendeten TCS34725-Sensor. ^[3] Eine Codeänderung war dennoch notwendig, da die neueste Version der "Adafruit TCS34725"-Bibliothek zusätzlich die "Adafruit BusIO"-Bibliothek benötigt. Auf Basis des im Tutorial gezeigten Schemas wurde auch ein Ausgabeblock ("Sink") zur Ansteuerung der Neopixel-LEDs entwickelt.

Komponententest

Test LED-Ausgabe

Zum Test der Ausgabe auf die LEDs wurde mithilfe von drei "Pulse Generator"-Blöcken ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von 255, Periodendauer von 12 s, und einer Pulsweite von 1/3 (4 s) erzeugt. Die Blöcke sind zueinander um je 4 Sekunden phasenverschoben. Somit werden alle drei Farbkanäle (rot, grün, und blau) getestet. Die LEDs leuchten zyklisch 4 s rot, 4 s grün, und 4 s blau.

Die folgende Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf der drei Farbkanäle am LED-Ausgang:

Test Filterung

Um den PT1-Filter zu testen, wird das vollständige Modell genutzt, lediglich die Messwerte des Farbsensors werden durch die bereits im Test der LED-Ausgabe verwendeten "Pulse Generator"-Blöcke ersetzt. Diese leiten zyklisch einen Sprung ein. Wie erwartet resultiert auf den LEDs ein in der Dauer von der gewählten Zeitkonstante abhängiger, weicher Farbübergang.

Die folgende Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf der drei Farbkanäle am LED-Ausgang. Die Gammakorrektur und Helligkeitssteuerung wurde deaktiviert (Konstanten GC und BRI 1) und als Zeitkonstante T für das PT-1 Filter 0.5 gewählt.

Test Farbsensor

Die Komponente "Farbsensor" ist in Simulink nicht unabhängig testbar, da die "Monitor & Tune"-Funktion des Arduino Support Package die Größe des Programmcodes so erhöht, dass der Flash-Speicher des Arduino Uno nicht ausreicht. Hier würde ein leistungsstärkeres Arduino-Board, z.B. der Arduino Mega, Abhilfe schaffen. Ohne "Monitor & Tune"-Funktion sind die Messwerte nicht ohne direkt an den Arduino angeschlossenes Ausgabegerät (hier LEDs) ablesbar. Daher wurde der Farbsensor im Rahmen des Gesamtsystems getestet.

Es wurde beobachtet, dass die Genauigkeit der Farbmessung stark von dem Abstand der zu messenden Oberfläche vom Sensor abhängt. Die visuell bewertet genaueste Messung ergab sich bei einem Abstand von ca. 10 mm. Dieser Wert wurde daher für den Sensorabstand im CAD-Modell der fertigen Lampe verwendet. Weiterhin ist die Oberflächenbeschaffenheit ein Faktor mit hohem Einfluss. Bei reflektierenden Oberflächen wird ein hoher Anteil des Lichts von der LED neben dem Sensor reflektiert, sodass die Farben als zu weiß gemessen werden.

Ergebnis

Die folgende Tabelle fasst die Ergebnisse des Projekts zusammen.

Tabelle 5: Integrationtest
ID (Anforderung)	Test	Testergebnis	Anmerkungen
1.0	Die Lampe muss verschiedene Farben im RGB-Farbraum darstellen können.	Erfolgreich
1.1	Die Farbe muss mittels Mikrocontroller änderbar sein.	Erfolgreich
2.0	Die Farbe einer Oberfläche muss ermittelt werden.	Erfolgreich
2.1	Eine neutral weiße Lichtquelle muss vorhanden sein, um eine Farbmessung von nicht emittierenden Gegenständen durchzuführen.	Erfolgreich
3.0	Eine Regelung muss vorhanden sein, sodass der Einfluss von kurzen Störungen und Messunsicherheiten minimiert wird (langsamer Farbwechsel)	Erfolgreich	Es wurde ein PT1-Filter gewählt. Die Zeitkonstante wurde empirisch auf 0.1 ermittelt, was eine gute Abwägung zwischen Rauschunterdrückung und schneller Reaktion auf Änderungen gewährleistet.
3.1	Die Regelung muss mittels eines Mikrocontroller mit der Arduino-Entwicklungsumgebung implementiert werden.		Anforderung ist entfallen.
3.2	Die Regelung muss mittels eines Mikrocontroller modellbasiert mit Simulink implementiert werden.	Erfolgreich
O.1.0	Optionale Erweiterung: Zusätzlich zur Messung der Farbe von Oberflächen kann die Helligkeit einer Lichtquelle (Lampe/Sonne) gemessen werden (u. U. mithilfe eines zweiten Sensors).		Nicht bearbeitet
O.2.0	Optionale Erweiterung: Die Lampe soll optisch ansprechend gestaltet sein.	Erfolgreich
O.3.0	Optionale Erweiterung: Die Lampe ist zusätzlich zum Sensor mittels Smartphone steuerbar (ESP32 statt Arduino Uno, WLED-Software)	Erfolgreich	Das Einlesen des Sensors wurde in diesem Fall mithilfe eines sogenannten "Usermods" für WLED in C++ programmiert. Der verwendete ESP8266-Mikrocontroller ist nicht mit dem Simulink Support Package for Arduino Hardware kompatiblel.

Zusammenfassung

Das Projekt Chamäleonlampe mit Helligkeitsregelung wurde großteils erfolgreich umgesetzt. Ziel des Projekts war eine Lampe zu entwickeln, welche die Farbe einer Oberfläche erkennt und entsprechend dieser Farbe leuchtet. Aus zeitlichen Gründen konnten eine optionale Erweiterung, die Berücksichtigung der Helligkeit, nicht integriert werden.

Lessons Learned

Im Rahmen dieses Projekts konnten verschiedene Kompetenzen erworben und Studieninhalte in Praxis umgesetzt werden. Unter anderen konnte der Workflow von Simulink in Verbindung mit Arduino-Hardware erlernt werden. Dies, insbesondere die Einbindung über hardwarespezifischen C-Code, war am Anfang des Projekts eine der größten Herausforderungen, aber durch fleißige Recherche und Testproben wurde dieses Lernziel erreicht. Desweiteren konnten wir uns mit den Eigenschaften und Programmierung eines TCS34725 Farbsensor vertraut machen.

Außer dem technischen Inhalt wurden wichtige Faktoren und Prozesse der Projektentwicklung wiederholt und vertieft. Zu den wichtigsten Punkten zählen die Projektplanung, das Zeitmanagement, die Projektdokumentation und eine kollaborative Teamarbeit.

Projektunterlagen

Die vollständigen Unterlagen zu der Durchführung befinden sich im SVN.

Weiterhin sind diese als ZIP-Archiv hier hinterlegt: Medium:156_Chamaeleonlampe_mit_Helligkeitsregelung.zip

Projektplan

Das nachfolgende Gantt-Diagramm stellt die Planung des Projekts dar.

Projektdurchführung

Zunächst wurde ein Projekt sowie die Anforderungen festgelegt. Diese wurde in einem Wiki-Artikel, welcher im Laufe des Projekts stetig erweitert wurde dokumentiert. Im nächsten Schritt wurden alle Teile des Aufbaus bestellt. Anschließend wurden die Komponenten gemäß dem obigen Verdrahtungsplan zusammengebaut. Dann erfolgte die Programmierung in Simulink und die Software wurde auf die Hardare übertragen. Durch Testen wurden einige Fehler erkannt, die Software angepasst und die Fehler behoben.

YouTube Video

Video des Projekts Chamäleonlampe (englisch)

Literatur

https://www.bastelgarage.ch/rgb-farben-sensor-tcs34725-mit-ir-filter-und-led

https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/TCS34725.pdf