基于ZigBee的隧道照明智能控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；3.湖南沛科交通工程技術(shù)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 400116)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，公路建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，我國(guó)已成為世界上公路發(fā)展最快、隧道數(shù)量最多的國(guó)家。在隧道機(jī)電系統(tǒng)中，照明負(fù)荷約占總用電量的30%，隧道照明在交通能耗方面占了很大比例，但有很大的節(jié)能改造空間[1-3]。現(xiàn)階段的隧道照明控制系統(tǒng)一般都采用有線調(diào)光控制或分回路控制方式，有線調(diào)光建設(shè)成本高、布線復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)施工工藝煩瑣，增加了施工的危險(xiǎn)性[4-6]；采用回路通斷和分組分級(jí)調(diào)光不能實(shí)現(xiàn)隧道亮度平滑控制，難以滿足隧道安全行車(chē)的要求，且造成較大的電能浪費(fèi)[7-9]；此外，系統(tǒng)缺乏燈具故障檢測(cè)與主動(dòng)報(bào)警機(jī)制，需人工巡查才能確定燈具故障和燈具位置，隧道照明維護(hù)效率低[10-11]。

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有一些具備短距離、小數(shù)據(jù)流量和低功耗特征的無(wú)線終端控制器應(yīng)用于公路照明領(lǐng)域[12]。但現(xiàn)有的無(wú)線終端控制器功能簡(jiǎn)單，沒(méi)有燈具故障自動(dòng)檢測(cè)與定位功能，不適用于隧道照明。為了解決上述隧道照明控制的關(guān)鍵問(wèn)題，本文利用ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的隧道照明智能控制系統(tǒng)。在湖南5條隧道的實(shí)際運(yùn)行效果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線智能調(diào)光和燈具故障自動(dòng)檢測(cè)與主動(dòng)報(bào)警功能，具有施工簡(jiǎn)單、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，且極大地提高了隧道照明的維護(hù)效率，與傳統(tǒng)隧道照明相比節(jié)能率達(dá)到55%。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低速率和低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)[12]。本文采用128 KB閃存、8 KB SRAM、兼容8051內(nèi)核的CC2530芯片進(jìn)行ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件開(kāi)發(fā)，采用TI公司的ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層如圖1所示，用戶只需在應(yīng)用層定義所需要的功能，開(kāi)發(fā)方便。

圖1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層

ZigBee具有星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13]。綜合考慮隧道長(zhǎng)度、環(huán)境、隧道照明燈具布置等因素，本設(shè)計(jì)方案的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，由協(xié)調(diào)器、路由器和終端控制器3種類型節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。實(shí)際使用中，協(xié)調(diào)器安裝于隧道中間，一個(gè)樹(shù)狀支路控制一段隧道照明燈具。

1.2 隧道照明智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

基于圖2所示的ZigBee無(wú)線樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的隧道照明智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，由系統(tǒng)主控制器、協(xié)調(diào)器、路由器、終端控制器和LED燈具組成，圖中n表示無(wú)線樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)大小。系統(tǒng)主控制器采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)或者PLC控制器，通過(guò)RS485總線與多臺(tái)無(wú)線協(xié)調(diào)器連接，構(gòu)成隧道管理所級(jí)別的ZigBee無(wú)線隧道照明智能控制系統(tǒng)。

圖2 ZigBee樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的隧道照明智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)各個(gè)部分的功能如下。

① 主控制器運(yùn)行調(diào)光控制算法，產(chǎn)生隧道燈具控制與調(diào)光命令，并通過(guò)無(wú)線協(xié)調(diào)器將命令發(fā)送到各個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)；收集各燈具運(yùn)行狀態(tài)與故障信息；同時(shí)，主控制器與隧道配電系統(tǒng)通信，采集配電參數(shù)，完成相應(yīng)功能；還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接，組成高級(jí)監(jiān)管平臺(tái)與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道遠(yuǎn)程監(jiān)管。

② 協(xié)調(diào)器具備三大功能：通過(guò)RS485總線接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令或者返回?zé)艟吖收蠣顟B(tài)信息和節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)信息；創(chuàng)建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)自動(dòng)修改路由器、終端控制器ID號(hào)等組網(wǎng)參數(shù)；與所在網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，發(fā)布單燈或者群燈的調(diào)光命令、電源控制命令、燈具故障檢測(cè)命令，獲取燈具運(yùn)行狀態(tài)和故障信息。

③ 由路由器組成網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線分支，轉(zhuǎn)發(fā)信息，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的傳播距離，同時(shí)，路由器還與LED燈具相連接，具備終端控制器的所有功能，因此，在硬件設(shè)計(jì)上路由器與終端控制器完全一樣。終端控制器通過(guò)ZigBee無(wú)線通信方式與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，解析并處理協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的控制命令，根據(jù)命令解析結(jié)果，相應(yīng)地完成對(duì)所連LED燈具的調(diào)光控制、電源開(kāi)關(guān)控制，或者返回?zé)艟吖收蠣顟B(tài)值與故障定位數(shù)據(jù)。路由器在終端控制器功能基礎(chǔ)上，還具有轉(zhuǎn)發(fā)命令信息和允許其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)它接入到網(wǎng)絡(luò)的功能。

1.3 模糊調(diào)光控制算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模糊控制算法模型如圖4所示，主控制器通過(guò)協(xié)調(diào)器收集相應(yīng)隧道環(huán)境信息，如隧道洞內(nèi)外亮度、車(chē)流量和車(chē)速等參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量作為模糊控制器的輸入信號(hào)，通過(guò)模糊控制器進(jìn)行模糊判斷分析和去模糊化，生成調(diào)光控制策略；調(diào)光策略信息經(jīng)串口通信發(fā)給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)給與LED照明燈具直接相連的無(wú)線節(jié)點(diǎn)，從而驅(qū)動(dòng) LED 驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生相應(yīng)的線性0～10 V調(diào)光信號(hào)，或者適時(shí)地關(guān)閉部分加強(qiáng)照明燈具，實(shí)現(xiàn)LED照明燈具實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的亮度變化。

圖4 系統(tǒng)模糊控制算法模型

2 協(xié)調(diào)器和無(wú)線節(jié)點(diǎn)的硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件主要有基于兼容8051內(nèi)核的CC2530芯片開(kāi)發(fā)的協(xié)調(diào)器和無(wú)線節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器硬件組成框圖如圖5所示，主要由220 V轉(zhuǎn)12 V電源模塊、12 V轉(zhuǎn)5 V電源模塊、12 V轉(zhuǎn)3.3 V電源模塊、485串口通信模塊和CC230無(wú)線模塊組成。

圖5 ZigBee無(wú)線協(xié)調(diào)器硬件組成框圖

無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊框圖如圖6所示，主要由220 V轉(zhuǎn)12 V電源模塊、12 V轉(zhuǎn)3.3 V電源模塊、繼電器模塊、電流采集模塊、模擬量調(diào)光模塊和CC230芯片組成。

無(wú)線節(jié)點(diǎn)與LED燈具及其驅(qū)動(dòng)電源直接相連，采用模擬量調(diào)光模塊將幅值為3.3 V、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～10 V的燈具線性調(diào)光控制信號(hào)；通過(guò)繼電器模塊控制燈具電源的開(kāi)關(guān)；使用電流采集模塊采集流過(guò)燈具的電流，實(shí)現(xiàn)燈具故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

圖6 ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要開(kāi)發(fā)無(wú)線協(xié)調(diào)器、路由器和終端控制器3類節(jié)點(diǎn)的程序，均使用Z-STACK協(xié)議棧提供的函數(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。每類節(jié)點(diǎn)的程序首先都進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即初始化硬件抽象層、網(wǎng)絡(luò)層、任務(wù)、變量與數(shù)組等[14]，使用函數(shù)osal init_system()實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)初始化，內(nèi)部包含初始化任務(wù)ID函數(shù)osalInitTasks()；然后執(zhí)行函數(shù)osal_start_system()啟動(dòng)操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)，不斷對(duì)任務(wù)進(jìn)行遍歷執(zhí)行。組網(wǎng)時(shí)，由協(xié)調(diào)器建立唯一的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，只有與之PAN ID一致的無(wú)線節(jié)點(diǎn)才能加入網(wǎng)絡(luò)。3種類型節(jié)點(diǎn)都是調(diào)用static void GenericApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt)函數(shù)對(duì)收到的無(wú)線信息進(jìn)行處理，調(diào)用afStatus_t AF_DataRequest()函數(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送。

2.2.1 協(xié)調(diào)器的軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器具備ZigBee自組網(wǎng)、發(fā)布智能調(diào)光命令、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燈具故障狀態(tài)和無(wú)線單燈控制器故障狀態(tài)等功能，其軟件主程序流程如圖7所示。協(xié)調(diào)器初始上電后，首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，然后通過(guò)主動(dòng)掃描信道，向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送一個(gè)信標(biāo)請(qǐng)求命令(Beaconrequest command)，并且設(shè)置一個(gè)掃描期限(T_scan_duraTIon)，如果在掃描期限內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到信標(biāo)，即當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)沒(méi)有其他協(xié)調(diào)器存在，則建立自己的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)只允許一個(gè)協(xié)調(diào)器存在[15]。完成組網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器中斷開(kāi)啟。

無(wú)線數(shù)據(jù)接收中斷由節(jié)點(diǎn)發(fā)起，用于向協(xié)調(diào)器返回節(jié)點(diǎn)的相關(guān)狀態(tài)信息。串口數(shù)據(jù)接收中斷由主控制器發(fā)起，在該中斷服務(wù)子程序中，協(xié)調(diào)器使用串口回調(diào)函數(shù)static void GenericApp_CallBack(uint8 port,uint8 event)解析并處理數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器與主控制器之間通過(guò)RS485串行通信接口連接，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使用3種功能碼實(shí)現(xiàn)通信功能：

① 0x06功能碼實(shí)現(xiàn)燈具組調(diào)光和單燈調(diào)光控制。主控制器發(fā)送命令、協(xié)調(diào)器響應(yīng)命令的協(xié)議格式一樣，如表1所示。

圖7 協(xié)調(diào)器主程序流程圖

位碼含義作用XX協(xié)調(diào)器從設(shè)備ID從設(shè)備ID為XX的協(xié)調(diào)器接收、響應(yīng)命令06功能碼調(diào)光命令A(yù)A AA調(diào)光組號(hào)AA AA 為1002基本燈組調(diào)光,AA AA 為1003加強(qiáng)燈組調(diào)光,其他則單燈調(diào)光MM MM調(diào)光值取值范圍0～100,對(duì)應(yīng)0～10 V調(diào)光CRCL/CRCHCRC校驗(yàn)通信校驗(yàn),提高通信可靠性

② 0x03功能碼讀取燈具故障狀態(tài)和無(wú)線節(jié)點(diǎn)的故障狀態(tài)。主控制器發(fā)送讀取故障狀態(tài)命令格式如表2所示，協(xié)調(diào)器響應(yīng)命令的協(xié)議格式如表3所示。

表2 主控制器發(fā)送讀取故障狀態(tài)命令的協(xié)議格式

表3 協(xié)調(diào)器響應(yīng)讀取故障狀態(tài)命令的協(xié)議格式

③ 0x0F功能碼實(shí)現(xiàn)單個(gè)燈具電源開(kāi)關(guān)控制。主控制器發(fā)送單燈電源開(kāi)關(guān)命令格式如表4所示，協(xié)調(diào)器響應(yīng)命令的協(xié)議格式如表5所示。

表4 主控制器發(fā)送燈具電源開(kāi)關(guān)控制命令的協(xié)議格式

表5 協(xié)調(diào)器響應(yīng)燈具電源開(kāi)關(guān)控制命令的協(xié)議格式

2.2.2 無(wú)線節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

路由器和終端控制器的主程序流程基本一致，如圖8所示，設(shè)計(jì)上的不同之處在于路由器除了具備對(duì)燈具進(jìn)行智能調(diào)光和電源開(kāi)關(guān)控制、定時(shí)檢測(cè)燈具故障狀態(tài)的功能外，還具有擴(kuò)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線消息至終端節(jié)點(diǎn)的功能。路由節(jié)點(diǎn)上電后，先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，然后掃描信道內(nèi)是否有與之PAN ID一致的協(xié)調(diào)器或路由器存在，有則請(qǐng)求入網(wǎng)。入網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器給路由節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)短地址[14]。當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)收到終端發(fā)來(lái)的入網(wǎng)請(qǐng)求時(shí)，先確認(rèn)終端節(jié)點(diǎn)的合法入網(wǎng)信息，再與之建立網(wǎng)絡(luò)連接。路由器采用中斷方式接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，根據(jù)不同的功能需求做出不同的響應(yīng)，如對(duì)所連接的燈具進(jìn)行調(diào)光或者電源開(kāi)關(guān)控制、定時(shí)檢測(cè)燈具的故障狀態(tài)信息、將故障及定位信息反饋給協(xié)調(diào)器；如果是轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線數(shù)據(jù)給相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)，路由器則從網(wǎng)絡(luò)幀的轉(zhuǎn)發(fā)列表中查找下一跳節(jié)點(diǎn)的地址并將無(wú)線信息轉(zhuǎn)發(fā)出去。

終端節(jié)點(diǎn)上電后，掃描信道內(nèi)是否有與之PAN ID一致的協(xié)調(diào)器或者路由器存在，有則請(qǐng)求入網(wǎng)，入網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)獲得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)短地址[15]。終端控制器采用中斷方式接收協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，根據(jù)不同的功能需求做出不同的響應(yīng)，對(duì)所連接的燈具進(jìn)行調(diào)光或者電源開(kāi)關(guān)控制，并定時(shí)檢測(cè)燈具的故障狀態(tài)信息，將信息實(shí)時(shí)反饋給協(xié)調(diào)器。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以湖南省益婁高速某隧道左洞為應(yīng)用背景，隧道全長(zhǎng)397 m，雙車(chē)道單向通行。隧道內(nèi)實(shí)際照明布置場(chǎng)景如圖9所示，系統(tǒng)由主控制器、協(xié)調(diào)器、若干個(gè)路由器、終端控制器和LED燈具組成；主控制器安裝在隧道電控室，每盞燈配備一個(gè)ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)。

圖8 無(wú)線節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，隧道被控?zé)艟叻譃榧訌?qiáng)燈組和基本燈組。系統(tǒng)在隧道內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行效果如圖10所示，實(shí)現(xiàn)了加強(qiáng)燈組的單燈電源開(kāi)關(guān)控制(間隔亮燈)和智能調(diào)光，從而創(chuàng)造合理的隧道視覺(jué)環(huán)境，確保車(chē)輛行駛安全，并達(dá)到節(jié)能的目的。

圖10 隧道智能調(diào)光模式運(yùn)行效果

隧道從2018年1月20日開(kāi)始進(jìn)行改造，已于2018年3月底完成改造，并實(shí)現(xiàn)了所有照明回路的能耗監(jiān)測(cè)。采用智能調(diào)光控制模式和傳統(tǒng)照明模式下的照明能耗數(shù)據(jù)如表6所示，智能調(diào)光模式下的數(shù)據(jù)采集條件為：主控制器運(yùn)行模糊調(diào)光控制算法，燈具通過(guò)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)調(diào)光、單燈電源開(kāi)關(guān)控制，采用LED照明燈具，采集2018年4月7～16日的數(shù)據(jù)；傳統(tǒng)照明模式下的數(shù)據(jù)采集條件為：主控制器僅以洞外亮度為控制參數(shù)進(jìn)行分級(jí)回路控制，燈具通過(guò)有線連接方式調(diào)光，采用LED照明燈具，采集2018年1月1～10日的數(shù)據(jù)。

表6 隧道照明能耗數(shù)據(jù)采集表 單位：度

由表6數(shù)據(jù)可得出隧道智能調(diào)光較傳統(tǒng)調(diào)光模式的照明能耗對(duì)比值為

(127.09-57.17)/127.09=55.02%

(1)

即系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隧道照明的優(yōu)化與節(jié)能，節(jié)能率可達(dá)到55.02%。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于ZigBee無(wú)線技術(shù)研究設(shè)計(jì)了隧道照明智能控制系統(tǒng)，根據(jù)隧道特點(diǎn)及其實(shí)際的功能需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了協(xié)調(diào)器、路由器和終端控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道內(nèi)照明燈具的電源開(kāi)關(guān)控制、平滑調(diào)節(jié)亮度和故障檢測(cè)，并利用單燈控制功能對(duì)不同類型的隧道燈具進(jìn)行回路分組開(kāi)關(guān)控制，從而簡(jiǎn)化了隧道照明的供配電系統(tǒng)。無(wú)線調(diào)光與有線調(diào)光相比，不需要布設(shè)調(diào)光電纜，降低了公路隧道照明系統(tǒng)的建設(shè)成本，縮短照明系統(tǒng)的施工周期。此外，基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的燈具故障檢測(cè)功能取代人工排查故障，能夠提高隧道照明及燈具的故障維護(hù)效率，降低隧道安全運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)在多條隧道中的實(shí)際運(yùn)行效果驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可靠性。該系統(tǒng)能夠顯著降低隧道照明能耗，確保隧道行車(chē)安全，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。