公路隧道照明智能控制系統(tǒng)的研究與設計

秦 慧 芳

(蘭州交通大學 機電技術研究所，甘肅 蘭州 730070)

公路隧道照明智能控制系統(tǒng)的研究與設計

秦 慧 芳

(蘭州交通大學 機電技術研究所，甘肅 蘭州 730070)

針對目前隧道存在的能源浪費問題，提出了一種節(jié)能型實時隧道照明控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)是以STM32微控制器為平臺搭建的嵌入式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠自動采集洞外亮度、車速及車流量等信息，并經(jīng)過分析計算后下達調(diào)光指令，最終由LED驅(qū)動模塊通過PWM方式對LED燈具進行實時按需調(diào)光，可進一步地降低系統(tǒng)能耗，提高隧道的運營管理效益，在實際中具有一定的推廣價值。

隧道照明；STM32；自適應控制；節(jié)能

伴隨著建設規(guī)模的不斷擴大，公路隧道的運營成本不斷增高，如何降低運營成本，并提高隧道的安全性能，已經(jīng)成為交通部門越來越關注的問題了[1-2]。隧道照明是隧道建設中不可缺少的設施，同時也是隧道內(nèi)耗能最多的系統(tǒng)。

在現(xiàn)有的隧道照明控制系統(tǒng)中，多數(shù)采用時序控制，主要通過投退不同的照明回路，以增減工作燈具數(shù)量的方式來達到目的。這種方法簡單可靠，但是未考慮環(huán)境因素對照明的影響，并不能完全滿足隧道照明的需求，而且能耗相對比較高。本文以完善控制策略為目的，提出了一種LED隧道照明控制系統(tǒng)的實現(xiàn)及其應用方案[2]。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)的照明控制策略[3-5]：在隧道狀態(tài)正常的情況下，通過車輛檢測裝置判斷是否有車輛進入隧道接近段，若沒有車輛進入，則隧道照明處于關閉狀態(tài)；若有車輛進入接近段，則開啟隧道照明。當車輛駛出隧道后判斷隧道內(nèi)是否還存在其他車輛，若有，則持續(xù)照明狀態(tài)，若無，則關閉照明燈具。

整個隧道照明智能控制系統(tǒng)由上位機監(jiān)控中心和下位機控制中心組成。其中控制中心由傳感器采集單元、一級主控制器、二級調(diào)光控制器、三級LED驅(qū)動控制器及照明裝置組成。根據(jù)隧道的特點，將整個隧道按照照明亮度的不同分為多個照明段，每個照明段的全部照明裝置又分為多個照明燈具組，每一個照明段對應一個調(diào)光控制器，每一個照明燈具組對應一個LED驅(qū)動控制器。隧道照明主控制器通過設置在現(xiàn)場的傳感器對洞外亮度、洞內(nèi)亮度、過往車量及車速進行實時采集，并上傳至監(jiān)控中心，主控計算機通過設定好的調(diào)光控制邏輯計算出隧道各照明段的調(diào)光參數(shù)，再通過通信網(wǎng)絡下發(fā)給系統(tǒng)主控制器，并由其轉(zhuǎn)發(fā)給各調(diào)光控制器，繼而傳遞給各LED驅(qū)動控制器，完成隧道的照明調(diào)光。這里主控計算機通過設置在隧道內(nèi)的亮度檢測單元判斷當前隧道的照明狀態(tài)是否滿足隧道照明要求，如若不滿足，則下發(fā)新的調(diào)光命令，從而改變隧道內(nèi)的照明亮度；LED驅(qū)動控制器根據(jù)接收到的調(diào)光命令，通過調(diào)整LED燈具的輸出電壓，進而改變LED燈具的光通量，調(diào)整隧道照明裝置的工作狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LED隧道照明控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

圖1中，隧道照明控制系統(tǒng)通過交通信息檢測裝置和亮度檢測裝置對洞內(nèi)外亮度、車速和車流量等信號進行采集，并通過RS485實時上傳至主控制器，根據(jù)設定好的照明控制策略，對隧道進行整體的亮度控制。本系統(tǒng)選用總線的通信方式，考慮到大長隧道的控制范圍比較大，這里選擇CAN總線進行一二級控制器之間的通信，DALI總線進行二三級控制器之間的通信。CAN總線具有比較完善的通信協(xié)議，且速度優(yōu)于RS485，具有容錯機制，在節(jié)點出現(xiàn)錯誤的情況下能夠自動關閉輸出功能，從而使其他節(jié)點的操作不受影響。DALI[6]是一種照明控制設備之間進行數(shù)據(jù)通信的接口標準，其最大的特點就是能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)的燈具進行獨立尋址并進行精準的控制，其靈活性高，所需功能模塊少，安裝調(diào)試方便，結(jié)構(gòu)也簡單，同時DALI總線采用雙向通信，不僅能發(fā)生調(diào)光控制信號，還能反饋LED驅(qū)動控制器和照明燈具的工作狀態(tài)和故障信息。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對照明燈具的單一或成組控制，具體的控制策略也能夠根據(jù)實際情況進行調(diào)整，達到降低系統(tǒng)能耗和減少運營成本的效果[6-7]。

2 隧道照明控制單元

2.1 主控制器

2.1.1 檢測裝置選擇

系統(tǒng)主控制器的輸入?yún)?shù)包括隧道洞內(nèi)外亮度、經(jīng)過隧道的車流量及車速。本文選擇亮度檢測器USREGAL LUX CS 201進行洞內(nèi)外亮度的檢測，線圈檢測型車檢器VDI-4P進行過往車輛的車流量及車速信號的檢測。二者均具有RS485傳輸接口，且適應于野外環(huán)境，技術成熟，成本低，容易掌握，滿足設計要求。

2.1.2 主控制器的設計

主控制器接收檢測單元實時采集的信號，并將洞內(nèi)外亮度、車速及車流量上傳至監(jiān)控中心，并接收其經(jīng)過智能算法處理后輸出的調(diào)光信號，進而對隧道現(xiàn)場的照明單元進行總體的調(diào)光控制[8]。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主控芯片選擇STM 32 F103 RCT 6。RS485用于連接檢測裝置，實現(xiàn)系統(tǒng)輸入信息的采集；CAN總線用于連接各調(diào)光控制器，實現(xiàn)調(diào)光命令的傳輸；RS232通信用于連接無線通信模塊，通過GPRS完成主控制器與上位機的通信；USB接口用于系統(tǒng)程序的下載和調(diào)試；Flash閃存和SRAM用于數(shù)據(jù)存儲和程序運行；TFT_LCD用于顯示系統(tǒng)的照明狀態(tài)；預留接口用于其他電路的預留接入。部分電路設計如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)主控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 調(diào)光控制器

DALI調(diào)光控制器主要接收上級主控制器發(fā)送的調(diào)光命令，并制定相應的調(diào)光策略，通過DALI協(xié)議通信完成對下級單元的控制，從而實現(xiàn)對每個照明單元的調(diào)光。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主控芯片選擇STM 32 F103 C8 T6，具有外設少，功能模塊精簡，適合此控制器應用；DALI電平轉(zhuǎn)換用于本控制器與下級各LED控制器之間進行DALI協(xié)議通信。部分電路設計如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)主控制器部分電路原理圖

圖4 系統(tǒng)調(diào)光控制器部分電路原理圖

2.3 LED控制器

LED控制器主要接收上級調(diào)光控制器發(fā)來的調(diào)光指令，進而輸出PWM波控制照明裝置完成照明調(diào)光任務。由于控制單元輸出的PWM調(diào)光信號波無法直接控制照明單元進行亮度調(diào)節(jié)，這里需要選擇合適的LED驅(qū)動模塊用于實現(xiàn)LED的PWM驅(qū)動調(diào)光。這里LED驅(qū)動模塊選擇DRIVE-SW12，該模塊的信號輸入范圍為DC 5～35 V，能驅(qū)動1～10個3 W的LED，工作電壓輸入范圍為6～75 V，能夠通過其SW12口接入PWM調(diào)光信號，從而控制LED電壓的大小，實現(xiàn)調(diào)光目的。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3 系統(tǒng)軟件設計

隧道照明控制系統(tǒng)主要流程如圖5所示。系統(tǒng)啟動后，首先初始化各模塊，在隧道狀態(tài)判斷正常的情況下，讀取洞外亮度等參數(shù)；之后判斷CAN總線和DALI網(wǎng)絡通信是否正常，如果二者均正常，則進一步判斷是否有手動操作，如果二者均不正?；蛘咂湟徊徽?，則返回初始化模塊重新開始。有手動操作時，主控制器調(diào)用手動程序，完成照明控制，無手動操作時，當有車輛接近隧道時，調(diào)用智能調(diào)光控制程序，輸出調(diào)光命令，通過CAN總線向各調(diào)光控制器發(fā)出調(diào)光命令，繼而通過DALI網(wǎng)絡數(shù)字可尋址向其連接的LED控制器發(fā)送各自的調(diào)光命令，最終完成按需調(diào)光，繼續(xù)上述循環(huán)，實現(xiàn)隧道照明實時連續(xù)調(diào)光控制。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于STM32的隧道照明智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)分三級控制，以主控制器、調(diào)光控制器、LED驅(qū)動控制器、亮度檢測器、線圈檢測型車檢器以及LED隧道燈為硬件實現(xiàn)平臺，結(jié)合智能算法，實現(xiàn)隧道照明的“實時按需調(diào)光”。系統(tǒng)通過實時采集的洞外亮度、車速及車流量作為輸入?yún)?shù)，經(jīng)過RS485總線傳輸給主控制器，調(diào)用相應調(diào)光程序，輸出調(diào)光命令，并經(jīng)過CAN總線傳輸給各調(diào)光控制器，完成一級控制；各調(diào)光控制器接收調(diào)光命令后，經(jīng)過DALI電平轉(zhuǎn)換，再通過DALI網(wǎng)絡數(shù)字可尋址向與其連接的各LED驅(qū)動控制器發(fā)送調(diào)光命令，完成二級控制；最后，LED驅(qū)動控制器接收調(diào)光命令后輸出PWM方波來控制LED驅(qū)動模塊驅(qū)動隧道LED燈實現(xiàn)動態(tài)調(diào)光，完成三級控制。該系統(tǒng)可靠性高，自適應強，能夠有效地降低人工成本和維護費用，具有較高的實用性和推廣價值。

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[5] 田軍.公路隧道照明智能節(jié)能系統(tǒng)設計與研究[D].西安：長安大學,2015:12-18.

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Research and Design of Highway Tunnel Intelligent Lighting Control System

QIN Huifang

(Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Aiming at the existing energy waste problems of the tunnel, this paper proposes a real-time tunnel lighting energy-saving control system. The control system is an embedded control system based on STM32, which can automatically collect information such as hole brightness, Vehicles speed and vehicle volume. Then, the dimmer instruction is given after information analysis. Finally, LED lamps dimming is completed real-time through PWM by LED driver module. The system can further reduce the energy consumption and improve the efficiency of the tunnel operation management and it is worthwhile to be popularized.

tunnel lighting; STM32; self-adaptation control; energy saving

2017-02-28

秦慧芳(1991-)，女，山西忻州人，在讀碩士研究生，主要從事微機控制方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.017

TP273

A

1674-5403(2017)02-0061-04