隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

古鑫蕤

摘 要：文章首先分析了我國隧道智能照明發(fā)展情況，提出構(gòu)建一種基于Zigbee的智能LED隧道照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其次就此智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)與驗證展開了具體分析，明確了此系統(tǒng)在滿足照明需求的同時，具有顯著的節(jié)能降耗效果，可供參考。

關(guān)鍵詞：LED燈 Zigbee通信技術(shù) 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1.我國隧道智能照明發(fā)展情況

我國隧道照明系統(tǒng)發(fā)展較晚，在20世紀(jì)90年代初僅僅是停留在在隧道中安裝簡單照明設(shè)施的階段，但在我國隧道建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展的背景下，智慧照明時代也隨之到來，早期傳統(tǒng)型隧道智能照明控制（見圖1），打破了傳統(tǒng)手控格局，但此種智能控制過程是相對復(fù)雜的、控制范圍小，在自動化和安全舒適性上需要更進(jìn)一步。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)成為可能，物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)眾多，包括Zigbee、WiFi、藍(lán)牙、Z-wave等等，其中Zigbee技術(shù)具有低復(fù)雜度、低功耗、低速率、短延遲、低成本、大容量等特點，完全符合隧道照明系統(tǒng)搭建網(wǎng)絡(luò)的需求。因此，文章提出一種基于Zigbee的智能LED隧道照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，與早期傳統(tǒng)型隧道智能照明控制系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)無需鋪設(shè)控制線、通信速率較高可達(dá)到250Kbps、區(qū)域控制器安裝位置可隨意指定，所需數(shù)量較少，由此在滿足隧道照明要求、保證安全行駛的同時，還能實現(xiàn)合理節(jié)能，切實滿足隧道安全、高效、綠色運營要求。

2.隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

2.1隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能需求

（1）無線通信：隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過無線接收下位機發(fā)送的指令、信號，并利用無線通信向調(diào)光控制器發(fā)送調(diào)光指令、向照度采集裝置發(fā)送指令。

（2）數(shù)據(jù)處理：根據(jù)洞內(nèi)亮度、車速、車流量等數(shù)據(jù)的分析處理結(jié)果，通過ZigBee通信模塊發(fā)送控制命令給照明監(jiān)控終端，實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程智能控制。

（3）人機交互：可實時顯示隧道各個路段環(huán)境參數(shù)，提供數(shù)據(jù)查詢、存儲以及圖表輸出等功能，可輔助管理者決策。

（4）運營模式選擇：隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需具備3種運營模式：自動控制、手動控制、定時控制，以應(yīng)對不同的隧道運營情況。

2.2隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

隧道隧道照明系統(tǒng)主要包括中間段照明、入口段照明、過渡段照明（進(jìn)口、出口）、出口段照明，不同區(qū)段的亮度、車速、車流量等因素均存在差異，因此為兼顧行車安全與節(jié)能，需分路段調(diào)節(jié)LED燈亮度，并對每隔路段的照明設(shè)備運行情況進(jìn)行監(jiān)視。

隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要分為了4大模塊：（1）環(huán)境參數(shù)檢測模塊，具體檢測參數(shù)包括：洞內(nèi)外亮度、洞內(nèi)外煙霧濃度以及車流量、平均車速；（2）ZigBee無線通訊模塊，上傳環(huán)境數(shù)據(jù)；（3）LED照明監(jiān)控終端：根據(jù)控制系統(tǒng)指令調(diào)節(jié)LED燈運行狀態(tài)；（4）LED隧道燈服務(wù)器控制系統(tǒng)：接收、處理各路段環(huán)境參數(shù)，發(fā)送命令至照明監(jiān)控終端，實現(xiàn)對LED燈亮度的實時調(diào)控。

由于隧道是一個線性工程，存在諸多無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，本系統(tǒng)中ZigBee組網(wǎng)采用簇樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無線模塊包括3類設(shè)備：（1）中心節(jié)點：負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)傳輸、控制；（2）路由節(jié)點：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可延長無線通信距離；（3）終端設(shè)備：負(fù)責(zé)上傳環(huán)境參數(shù)、接受命令。在無線通訊模塊中，當(dāng)終端節(jié)點通過路由節(jié)點組網(wǎng)失敗，會自動尋找其他路由節(jié)點組網(wǎng)，實現(xiàn)了大面積通訊，后期維護(hù)更為便利。

2.3隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1硬件設(shè)計

如圖2所示為嵌入式服務(wù)器硬件框圖。

本服務(wù)器系統(tǒng)主控芯片選用的是Samsung ARM11處理器S3C6410芯片，采用了64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，由AXI、AHB和APB總線組成，可運行至667MHz，系統(tǒng)配有以太網(wǎng)卡DM9000；系統(tǒng)人機交互接口配有7寸tft液晶屏；ZigBee無線通訊模塊采用TI Zigbee SOC CC2430芯片。

2.3.2軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用QT多線程編程，主線程、次線程分別負(fù)責(zé)制定自動控制模式控制策略與無線數(shù)據(jù)實時通訊。本系統(tǒng)控制方式包括3種：手動、自動、定時控制，手動控制主要用于設(shè)備的安裝與日常維護(hù)；自動控制用于各路段LED燈亮度調(diào)節(jié)；定時控制則按時間段單獨控制各路段照明。

服務(wù)器控制系統(tǒng)接入電源，初始化各模塊，ZigBee無線通信模塊組網(wǎng)，隧道各節(jié)點入網(wǎng)，載入相關(guān)參數(shù)、配置，間隔1min讀取環(huán)境參數(shù)，判斷隧道照明是否正常，若發(fā)現(xiàn)異常則會立即報警；若未發(fā)現(xiàn)異常，則會判斷系統(tǒng)處于何種控制模式下，手動控制模式只采集信息，不下發(fā)調(diào)節(jié)命令；定時控制模式，比較當(dāng)前時間決定是否控制；自動模式，根據(jù)信息分析處理結(jié)果，下發(fā)命令至LED照明監(jiān)控終端進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。隧道燈服務(wù)器控制系統(tǒng)程序流程如下：首先初始化系統(tǒng)各個模塊，每隔1min采集車輛以及洞內(nèi)外亮度信息，然后檢測隧道狀態(tài)是否正常，不正常則報警，正常即檢測系統(tǒng)是哪種狀態(tài)，可定時控制LED隧道燈亮度，或通過自動控制，根據(jù)當(dāng)前車輛信息、洞內(nèi)外亮度信息制定策略，以此控制LED隧道燈亮度。

3.系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證

為驗證本隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)能效果，根據(jù)上述框架搭建測試平臺，采用50W單盞LED燈充當(dāng)隧道照明燈，通過程序切換輪流進(jìn)行隧道各分段照明，每分段運行1min，一個周期為8min。

假設(shè)隧道運行狀態(tài)下，白天、夜晚洞外亮度分別為300～3000cd/m2。車流量設(shè)4個狀態(tài)隨機變化：①N=0；②01000。車輛通過速度設(shè)3個數(shù)值隨機變化：①60km/h；②80km/ h；③100km/h。

現(xiàn)設(shè)置3種隧道照明控制方案：

（1）方案一：傳統(tǒng)照明，即隧道各分段照明功率恒定，按洞外亮度3000cd/m2、車流量100

（2）方案二：白天采用隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制（自動控制模式），隧道各分段照明明功根據(jù)洞外亮度、車流量、車輛通過速度實時變化；

（3）方案三：夜晚采用隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制（定時控制模式），此時間段洞外亮度一直，因此可直接采用定時控制模式。

上述3種方案分別模擬運行8h，得到耗電量分別為0.071度、0.044度、0.019度，方案二、三分別節(jié)省電能38%、73%，節(jié)能效果顯著。

4.結(jié)束語

綜上所述，隧道智能照明已成為了現(xiàn)代隧道建設(shè)中不可或缺的一項關(guān)鍵系統(tǒng)，逐漸增多的隧道交通安全事故與巨大的隧道照明成本對隧道智能照明控制提出了更高的要求，文章基于物聯(lián)網(wǎng)時代下展開隧道智能照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究，提出了一種基于Zigbee的智能LED隧道照明遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，滿足了隧道照明的安全、穩(wěn)定、節(jié)能要求，為我國交通事業(yè)健康、穩(wěn)定發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

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[2]何鵬，董敏娥.基于智能模糊控制的隧道照明系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化，2009（09）： 107-110.