基于DeviceNet的隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計

毛建東，李 蒙，黃文斌

（1.西安航天神舟建筑設(shè)計院 陜西 西安 710075；2.洛陽理工學(xué)院 河南 洛陽 471023；3.華度智通（廊坊）工程咨詢有限公司 河北 廊坊 065000）

隨著我國高速公路的快速發(fā)展，公路隧道的公里數(shù)逐年遞增，且公路隧道的趨勢是越來越長，為了減少車輛在進出隧道時因光線變化對駕駛員造成視覺沖擊，保證行車的安全性和提高舒適性，隧道照明設(shè)施的規(guī)模及數(shù)量越來越大。但隨之而來的問題是：數(shù)量巨大的照明燈具的使用耗費了巨大的電能，造成隧道運營成本過高。因此有必要對公路隧道內(nèi)的照明控制系統(tǒng)進行深入的研究[1]。本系統(tǒng)采用DeviceNet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)了隧道照明控制系統(tǒng)，在保證隧道照明質(zhì)量的同時，采用動態(tài)調(diào)光的設(shè)計理念，設(shè)計具有實時調(diào)節(jié)控制功能的調(diào)光鎮(zhèn)流器，有效提高LED的光電轉(zhuǎn)換效率，提高隧道照明控制水平，可通過節(jié)約能耗顯著降低隧道的運營成本[2-3]。

1 基于DeviceNet的隧道照明控制系統(tǒng)

1.1 DeviceNet現(xiàn)場總線概述

DeviceNet是90年代中期發(fā)展起來的一種基于CAN總線技術(shù)的符合全球工業(yè)標準的開放型通信網(wǎng)絡(luò)。它既可連接底端工業(yè)設(shè)備，又可將可編程控制器、操作員終端、傳感器、光電開關(guān)、電動機起動器、驅(qū)動器等現(xiàn)場智能設(shè)備連接起來，減少了I/O接口和布線數(shù)量，實現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和遠程管理。由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，與其他現(xiàn)場總線相比，它具有突出的高可靠性、實時性和靈活性[4]。

DeviceNet通信協(xié)議是一個簡單且高效的協(xié)議，適用于最低層的現(xiàn)場總線。DeviceNet本身也是一種串行通信鏈接，提供的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，可以減少昂貴的硬接線，而且提供了相當重要的設(shè)備級診斷功能。DeviceNet這些特性非常適合隧道照明控制系統(tǒng)對通信控制鏈路的要求，因此采用DeviceNet實現(xiàn)隧道照明控制系統(tǒng)。

1.2 隧道照明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)隧道照明控制系統(tǒng)多采用將燈具分成若干回路，根據(jù)洞外亮度來確定開啟回路的多少，不對單個燈具進行調(diào)光，一般采用光控和時控相結(jié)合的方式對隧道照明進行控制，這種控制方式雖有配線簡單，故障率低的優(yōu)點，但在換擋過程中會使駕駛員有不適感，且照度均勻度不好。本系統(tǒng)采用基于DeviceNet協(xié)議的可連續(xù)調(diào)光的隧道智能照明控制策略則很好的解決了以上問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隧道智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of tunnel intelligent lighting system

該系統(tǒng)為兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，底層為由現(xiàn)場設(shè)備（可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器、亮度檢測器、車輛檢測器）組成的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)控制層，頂層為由照明控制計算機組成的信息處理層。

信息處理層是直接面向用戶的部分，其可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能：可實現(xiàn)遠程燈具開關(guān)控制、接收由控制層傳來的數(shù)據(jù)，在進行處理決策后，下發(fā)命令給控制層，實現(xiàn)燈調(diào)光控制，當檢測器出現(xiàn)故障時，能夠自動或手動轉(zhuǎn)為時序控制、當隧道內(nèi)出現(xiàn)特殊情況時，可由人工轉(zhuǎn)為手動控制，將燈具開到最亮。該層網(wǎng)絡(luò)照明控制計算機通過以太網(wǎng)交換機和數(shù)字光端機實現(xiàn)與控制層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)控制層可直接實現(xiàn)對LED燈具的控制，并將現(xiàn)場檢測器采集到的數(shù)據(jù)實時傳給信息處理層網(wǎng)絡(luò)作為控制決策的依據(jù)，并接受由信息處理層下發(fā)的控制命令，通過可連續(xù)調(diào)光電子鎮(zhèn)流器實現(xiàn)調(diào)光控制。

2 可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器設(shè)計

2.1 可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器工作原理

隧道照明中傳統(tǒng)的照明光源是白熾燈、熒光燈、高壓汞燈、低壓鈉燈和高壓鈉燈。隨著科技的發(fā)展，LED燈以及電磁感應(yīng)燈這些新型電光源也逐步用于道路和隧道照明中。LED燈具有顯色指數(shù)高、功耗低、光源利用率高等優(yōu)點，因此LED燈具必將逐步取代傳統(tǒng)的照明燈具，成為市場的主流[5]。

本系統(tǒng)是通過電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計來控制LED燈的亮度，結(jié)構(gòu)如圖2所示。LED燈通過EMI濾波器抑制電路對電網(wǎng)的輻射干擾之后，經(jīng)過橋式整流電路將AC變換成DC，再引入功率因數(shù)校正APFC電路，提高電源的功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)造成諧波污染；燈具接受調(diào)光控制命令，通過主控制器實現(xiàn)對LED控制模塊的驅(qū)動，調(diào)節(jié)電流輸出，從而實現(xiàn)對LED燈的調(diào)光控制[6]。

圖2 可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of adjustable photoelectron ballast

2.2 主控器硬件設(shè)計

可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的核心是主控制器，根據(jù)節(jié)點的功能要求，使用模塊化的設(shè)計理念，硬件電路可分為電源模塊、通信模塊、控制模塊3大部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主控電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of main control circuit

電源模塊負責給整個主控制器進行供電，通信模塊由SJA1000和82C250構(gòu)建DeviceNet通信接口，控制模塊根據(jù)用戶下達的控制指令，通過數(shù)模變化及調(diào)光電路最終實現(xiàn)LED燈的調(diào)光功能。

2.3 軟件設(shè)計

主程序首先對微處理器89S52、CAN控制器SJA1000以及各對象類進行初始化，接著進行重復(fù)MAC ID檢測，判斷網(wǎng)絡(luò)上是否有相同地址的節(jié)點在線。如果網(wǎng)絡(luò)上沒有相同MAC ID的節(jié)點，設(shè)備將轉(zhuǎn)為上線狀態(tài)。由于在SJA1000初始化的時候，已經(jīng)開啟了接收中斷和錯誤中斷，剩下所有的事情都可以交給CAN中斷服務(wù)程序來完成。在接收到網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備發(fā)送的報文之后，CAN中斷程序?qū)⒈徽{(diào)用。根據(jù)DeviceNet規(guī)范對報文的各種定義與要求，主程序會處理該報文的指令解析，并根據(jù)指令實現(xiàn)相關(guān)照明控制服務(wù)程序的調(diào)用。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

3 結(jié) 論

為改善現(xiàn)有隧道照明控制系統(tǒng)燈光亮度控制連續(xù)性差，照度分布不均勻的缺點，設(shè)計了基于DeviceNet協(xié)議的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器，構(gòu)建了隧道智能照明控制系統(tǒng)，可以根據(jù)環(huán)境情況、隧道中車輛情況控制隧道照明燈光照度連續(xù)可調(diào)，有利于提高隧道照明質(zhì)量，節(jié)約能源，降低隧道運營成本。

[1]李茂華.隧道LED燈照明節(jié)能控制器研究[J].中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2008（5）：107-109.LI Mao-hua.Tunnel LED lamp illumination energy conservation controller research[J].China ITS Journal， 2008（5） ：107-109.

[2]楊春宇，胡英奎，陳仲林.用中間視覺理論研究道路照明節(jié)能[J].照明工程學(xué)報，2008，19（4）：44-47.YANG Chun-yu， HU Ying-kui， CHEN Zhong-lin.Study on road lighting energy saving based on mesopic theory[J].China Illuminating Engineering Journal， 2008，19（4）：44-47.

[3]宋白樺，李鴻，賀科學(xué).公路隧道照明的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].湖南交通科技，2005，31（1）：96-98.SONG Bai-hua， LI Hong，HE Ke-xue.The research present situation and development trend of highway tunnel lighting[J].Hunan Communication Science and Technology ，2005，31（1）：96-98.

[4]楊超，王志偉.公路隧道照明節(jié)能技術(shù)[J]，現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47（2）：102-108.YANG Chao，WANG Zhi-wei.Energy-saving technology for highway tunnel lighting[J].Modern Tunnelling Technology，2010，47（2）：102-108.

[5]曹德洪，李國文.高速公路隧道照明節(jié)能控制潛力淺析[J].公路，2010（1）：248-252.CAO De-hong， LI Guo-wen.Analysis of energy-saving potential of expressway tunnel illuminance[J].Highway，2010（1）：248-252.

[6]郭蘭英，梁波，張生瑞.一種新的隧道照明系統(tǒng)控制策略[J].西北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，39（4）：591-594.GUO Lan-ying， LIANG Bo， ZHANG Sheng-rui.A hovel control strategy of tunnel illumination system[J].Journal of Northwest University：Natural Science Edition， 2009，39（4）：591-594.