基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道照明控制系統(tǒng)*

潘 峰，曾 璐，謝曉堯

（1.貴州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025;2.貴州師范大學(xué)貴州省信息與計(jì)算科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng) 550001）

0 引言

公路隧道屬于特殊路段，隧道內(nèi)外環(huán)境差別較大，車輛進(jìn)出隧道時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生隧道學(xué)上所述的“黑洞”效應(yīng)和“白洞”效應(yīng)［1］。駕駛員在適應(yīng)隧道內(nèi)外亮度環(huán)境時(shí)會(huì)有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，這個(gè)時(shí)間過(guò)程是影響駕駛員行車安全的一個(gè)非常危險(xiǎn)的因素，在這個(gè)適應(yīng)問(wèn)題上，隧道照明逐漸成為照明領(lǐng)域一個(gè)非常重要的研究方向。如今，隧道運(yùn)營(yíng)單位只是簡(jiǎn)單增加隧道燈具數(shù)量或增大隧道內(nèi)亮度去縮短駕駛員的適應(yīng)時(shí)間，隧道24 h全天候照明用電比例較大，簡(jiǎn)單的增加燈具數(shù)量或增大隧道內(nèi)亮度已不能滿足我國(guó)“節(jié)能減排”的戰(zhàn)略計(jì)劃［2］，如何解決隧道照明系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能和節(jié)能性能的此消彼長(zhǎng)的矛盾成為照明工程和交通安全的共同目標(biāo)。

針對(duì)傳統(tǒng)隧道照明控制系統(tǒng)的不足，本文提出了以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）來(lái)構(gòu)建該系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)各個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)的燈光進(jìn)行控制，使得控制變的更加自動(dòng)化與智能化。

1 隧道照明要求

根據(jù)我國(guó)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，長(zhǎng)度大于100 m的隧道要設(shè)置照明，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面也作了詳細(xì)說(shuō)明，隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括:接近段照明、入口段照明、過(guò)渡段照明、中間段照明，出口段照明以及應(yīng)急照明［3］。在目前國(guó)內(nèi)隧道設(shè)置上看，長(zhǎng)度在10 m以上的隧道基本上都設(shè)置了照明，各照明區(qū)段長(zhǎng)度與亮度關(guān)系如圖1所示。平均照度和平均亮度之間的換算關(guān)系一般可按瀝青路面（15～22）lx/cdm-2，水泥混凝土路面（10～13）lx/cdm-2取值。

圖1 隧道各段與亮度關(guān)系示意圖Fig 1 Schematic diagram of relationship between tunnel each sections and brightness

2 控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)隧道照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)、本地控制器 PLC、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)控電壓模塊、LED燈具構(gòu)成。由Zig Bee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集車流量和洞內(nèi)洞外亮度等信息［4］，經(jīng)過(guò)Zig Bee模塊CC2530處理，隨即將處理后的信息發(fā)送出去，經(jīng)通信節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)剿淼辣镜乜刂破魈幚砘蛘呱衔粰C(jī)處理，處理結(jié)果通過(guò)無(wú)線信道或者有線信道傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)。遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算處理后輸出照明控制信息，經(jīng)Zig Bee無(wú)線傳輸?shù)竭B接在與數(shù)控電壓模塊相連接的Zig Bee模塊CC2530，數(shù)控電壓模塊解調(diào)數(shù)據(jù)命令，實(shí)時(shí)輸出電壓，通過(guò)實(shí)時(shí)改變燈具兩端的電壓對(duì)LED燈具進(jìn)行調(diào)光或開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)燈具的亮度及時(shí)調(diào)整。

圖2 隧道照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Structure diagram of tunnel lighting control system

2.2 硬件系統(tǒng)

2.2.1 電源電路

電源模塊為系統(tǒng)提供直流電能。Zig Bee模塊采用供電的方式有USB、電池等多種方式［5］。CC2530電源供電取自220V交流電源，經(jīng)過(guò)整流電路和穩(wěn)壓電路后降低到工作較為低的電壓值，由于CC2530需要穩(wěn)定的電壓才能工作，因此，在本電路設(shè)計(jì)中選擇LP2985—3.3 V電壓整流器具有穩(wěn)定輸出3.3 V的穩(wěn)定電壓。電源設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電源電路原理圖Fig 3 Principle diagram of power supply circuit

2.2.2 調(diào)試器電路

SoC RF模塊調(diào)試器/Zig Bee協(xié)議分析的核心芯片采用C8051F系列控制器。USB能將C8051F與隧道本地控制器PC相連，電路板母板幾乎所有的外設(shè)都同時(shí)連接在SoC RF模塊和Silabs MCU上。當(dāng)SoC RF模塊連接在母版上時(shí)，Silabs MCU將外設(shè)設(shè)置為高阻狀態(tài)，放棄對(duì)外設(shè)的控制，僅將USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二線調(diào)試接口數(shù)據(jù)格式，作為RF模塊的調(diào)試器，兼作為Zig Bee協(xié)議分析。調(diào)試器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 調(diào)試器電路原理圖Fig 4 Principle diagram of debugger circuit

2.2.3 RS—232 接口電路

RS—232接口電路的設(shè)計(jì)目的是用于同隧道本地控制器PC機(jī)或其他設(shè)備的通信的接口，標(biāo)準(zhǔn)的DB9接口，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換，可以直接與隧道本地控制器PLC相連。同時(shí)連接到RF模塊和Silabs USB MCU，帶有RTS/CTS硬件流控信號(hào)。RS—232接口電路如圖5所示。

2.3 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為智能控制和手動(dòng)控制狀態(tài)，系統(tǒng)分別采集接入段、入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段車輛、煙霧、光照強(qiáng)度、采集頻率等數(shù)據(jù)，顯示各段數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出隧道亮度曲線。當(dāng)系統(tǒng)智能控制模式失效時(shí)，會(huì)進(jìn)入手動(dòng)控制模式。

圖5 RS—232接口電路原理圖Fig 5 Principle diagram of RS—232 interface circuit

3 軟件仿真

Lighting Studio在燈光效果設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)燈光實(shí)像預(yù)演方面提供了簡(jiǎn)潔、可靠的解決辦法。用Lighting Studio可以在隧道目前效果圖通過(guò)改變燈具之后達(dá)到另一種效果。Lighting Studio主要著重幾點(diǎn):效果真實(shí)、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單迅速。通過(guò)Lighting Studio軟件對(duì)貴陽(yáng)苗圃1#和2#隧道進(jìn)行渲染仿真的圖片，通過(guò)改變不同燈具渲染出的不同的效果，從圖看出:LED燈照明效果比高壓鈉燈好，光線連續(xù)性好。如圖6所示。

圖6 軟件仿真圖Fig 6 Diagram of software simulation

4 節(jié)能效益分析

隧道照明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益是隧道照明的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。系統(tǒng)整體建設(shè)投入包括3個(gè)方面費(fèi)用:初期的燈具設(shè)備、運(yùn)營(yíng)電費(fèi)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)［6］。在隧道運(yùn)營(yíng)的周期內(nèi)，隧道照明的費(fèi)用可近似用函數(shù)公式來(lái)描述，其公式如下所示

其中，S為x年隧道照明的總費(fèi)用，P為照明設(shè)備前期投入的總費(fèi)用，K為年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，包括年電費(fèi)W和年運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)Q。

隧道照明設(shè)備前期總投入費(fèi)用主要包括燈具投入費(fèi)用、燈具配套設(shè)備如變壓器等設(shè)備費(fèi)用、電線配線費(fèi)用，其計(jì)算公式如下所示

其中，N為燈具數(shù)量，Pd為燈具單價(jià)，Ps為燈具的相關(guān)設(shè)備單價(jià)，Pw為電線費(fèi)用。

LED燈前期投入較大，但在一年半之后高壓鈉燈就會(huì)趕超LED的使用費(fèi)用，表明LED燈的節(jié)能效果較理想。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，LED燈的會(huì)逐步應(yīng)用到隧道中，LED燈在其他方面包括配光設(shè)計(jì)、電磁干擾和燈具效率等方面的改進(jìn)，LED照明是綠色環(huán)保節(jié)能照明的趨勢(shì)，并將逐步取代傳統(tǒng)的照明燈具。LED燈與高壓鈉燈的費(fèi)用對(duì)比曲線關(guān)系，如圖7所示。

圖7 LED燈與高壓鈉燈的費(fèi)用對(duì)比圖Fig 7 Cost comparison chart of LED lamp and high pressure sodium lamp

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前隧道內(nèi)照明控制系統(tǒng)在節(jié)能和安全穩(wěn)定性上存在的一些不足，較深入地研究了隧道照明控制系統(tǒng)，對(duì)目前隧道使用有線控制的電源電路、調(diào)試電路經(jīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)控制的電路，并完成接口電路的設(shè)計(jì)，就目前人工控制的復(fù)雜問(wèn)題，完成了人機(jī)交互的軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)隧道車流量、洞內(nèi)外亮度、煙霧濃度等信息合理調(diào)節(jié)隧道內(nèi)燈光的亮度，光線連續(xù)性好，節(jié)能效果良好，在保障駕駛員安全駕駛的同時(shí)，又達(dá)到了節(jié)能的目的。

［1］李 靖，宋燕銘，劉 雄.隧道入出口延伸照明段落節(jié)能方法研究［J］.公路工程，2012，37（2）:57-59.

［2］潘曉東，付志斌，喻澤文.山區(qū)高速公路橋隧段行車安全評(píng)價(jià)模型研究［J］.公路工程，2012，37（3）:1-5.

［3］黃憲炳，劉 洋，何延兵.淺談高速公路連拱隧道施工技術(shù)［J］.公路工程，2012，37（2）:95-98.

［4］王任杰.隧道照明調(diào)光系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)，2011（7）:13-18.

［5］楊 賡，胡大可.Zig Bee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2006.

［6］肖 華.基于 Zig Bee隧道照明無(wú)線控制系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2009.