基于人眼視覺的隧道照明控制系統(tǒng)

劉默晗， 許仁杰， 陶雨棚， 劉 紅

(上海電機學院 電子信息學院， 上海 201306)

我國近69%的土地被山林、高原等覆蓋,以及擁有299 萬km2海域，天然的地理環(huán)境促進了公路隧道、海底隧道的發(fā)展。根據交通運輸部綜合規(guī)劃司發(fā)布的2018年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報可以看出，我國每年的公路總里程和隧道數量都在穩(wěn)步增加[1]。同時，傳統(tǒng)的隧道照明控制系統(tǒng)在功耗、安全性等方面已經遠遠不能滿足人們的需求，隨著物聯(lián)網技術的發(fā)展和成熟，更為智能的隧道照明系統(tǒng)應運而生。我國在隧道照明控制系統(tǒng)這一方面起步較晚，但也積累了豐富的研究以及堅實的理論實踐作為基礎，如王希良等[2]提出的高速公路隧道按需照明的節(jié)能控制，經過長期研究測試表明,該控制技術具有現實可行性。

本文旨在設計一個基于人眼視覺的隧道照明控制系統(tǒng)，當車輛進入隧道前該系統(tǒng)自動監(jiān)測識別出隧道內外的光感差,并通過后臺數據分析選擇最適合的燈具亮度來減緩“黑洞白洞”[3]效應，減少人工巡檢的成本。以隧道照明智能化為中心，提高隧道行車安全和駕駛舒適度為第一要求，具有較高的市場推廣價值。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)大致分為4個層次，分別為終端層、網絡層、物聯(lián)網云平臺、應用層，如圖1所示。每一層都在整個框架中起到關鍵的作用，每一層上下都彼此聯(lián)系，構成一個循環(huán)的整體。

圖1 系統(tǒng)總體框架

(1) 終端層。終端層是系統(tǒng)的最底層，包含著大量的傳感器，它們被布置在隧道出入口實時監(jiān)測有用的數據并上傳。除了傳感器外，還包括隧道里的LED燈，當隧道內外環(huán)境發(fā)生變化時，隧道內的光照強度已經不能滿足現狀，后臺會根據收集到的數據向LED發(fā)送控制命令，將LED燈調制到合適亮度[4]。

(2) 網絡層。網絡層主要為LoRa基站(網關)與WiFi，在隧道內通過LoRa實現各設備之間的聯(lián)通，再由主控制器通過WiFi連接云端，方便后臺的接收與控制。

(3) 物聯(lián)網云。物聯(lián)網云主要是將傳感器收集到的數據進行保存和服務管理等，并為管理者提供了更為快速的查詢、調整以及部署。

(4) 應用層。應用層主要是物聯(lián)網云平臺給智能終端開辟權限后，人們可以通過手機、電腦等實時查看數據，以及對隧道內的LED燈進行控制，做到高效管理。

2 隧道內最適人眼亮度取值設計

通過對《隧道照明細則》和國內外的研究，該系統(tǒng)確立了兩個階段的照明亮度，分別為過渡段和中間段,使其更加符合人眼的視覺特性[5-7]。本系統(tǒng)以一段全長3 km的單方向隧道為例，如圖2所示。

圖2 隧道模擬

(1) 過渡段。該階段的燈光亮度依賴于洞口外的光照強度，故在這個階段將大量光敏傳感器部署在隧道出入口。光敏傳感器將監(jiān)測到的光照強度上傳給后臺，經過以下公式得出隧道過渡段的照明亮度，然后后臺控制該路段的燈光到合適的亮度。

① 入口過渡段。根據細則，該階段應該是燈光亮度緩慢變暗的過程。所以在這個階段設置Lth1和L′th1，并結合如下計算得出該路段的最適合燈光亮度：

Lth1=kL20(s)

(1)

L′th1=0.5kL20(s)

(2)

式中：Lth1為入口過渡段隧道入口的亮度，cd/m2；L′th1為入口過渡段過渡到隧道中間段的亮度，cd/m2；k為過渡段的折減系數；L20(s)為隧道外洞口的亮度，cd/m2。表1給出了k的取值范圍。

表1 k的取值范圍

② 出口過渡段。根據細則，該階段應該是燈光亮度緩慢變亮的過程，所以在該階段設置

Lth2=3Lin

(3)

L′th2=5Lin

(4)

式中：Lth2為出口過渡段隧道出口的亮度，cd/m2；L′th2為隧道中間段過渡到出口過渡段的亮度，cd/m2；Lin為中間段的亮度，cd/m2。結合式(3)、式(4)的計算方式可以得到該路段較適合的燈光亮度。同時如果隧道總長小于300 m，則不需要設立出口過渡段。

(2) 中間段。中間段的燈光亮度取決于車速以及車流量，故在該路段放置地磁傳感器。同光敏傳感器工作原理類似，地磁傳感器時刻監(jiān)測著中間路段的車流量和各輛汽車的速度。當監(jiān)測數據低于后臺數據庫的標準時，后臺自動搜索數據庫，選擇合適的燈光亮度與之匹配。中間段所需要的亮度主要由車流量、車速來決定，如表2所示。

表2 中間段亮度Lin取值

3 系統(tǒng)的硬件組成

根據系統(tǒng)的總體設計，系統(tǒng)硬件主要包括3個部分，分別為收集端模塊、控制端模塊、LoRa基站(網關)模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結構

3.1 收集端模塊

收集端模塊又分為4個主要的部件：MSP430F149系列單片機、SX1278芯片、電源、傳感器設備，如圖4所示。

圖4 收集端模塊結構

3.1.1 MSP430F149單片機 該單片機由德州公司生產制造，由于集成度高、低功耗、低成本深受廣大研發(fā)者喜歡。它可將模擬、數字電路和微處理器同時置于芯片中以實現功能，還具有運算速度快和易于操作的特點。

3.1.2 LoRa芯片 LoRa是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案[8]。本系統(tǒng)的通信硬件采用SX1278芯片，能夠滿足條件苛刻的隧道內遠距離通信的需要，同時SX1278芯片的低接收電流為13 mA，休眠電流小于200 nA，減少了設備的功耗，延長了電池的壽命。SX1278芯片使用LoRaTM擴頻調制調頻技術，靈敏度高達-148 dBm，具有較強的抗干擾性[9]。

3.1.3 地磁傳感器 地磁傳感器可以用來檢測車輛是否存在，以及型號判斷。它利用車輛通過道路時對地球磁場的影響來工作。這種傳感器十分小巧方便，靈敏度高，使用壽命長，且施工量很小，對于路面的破壞也很小。相比于紅外傳感器和超聲波傳感器，磁對一般的遮擋不敏感，比如塵土、積水、樹葉等[10-11]。

3.2 控制端模塊

控制端模塊主要是當后臺發(fā)現隧道外亮度及隧道內車流量發(fā)生改變后，通過LoRa網關發(fā)送指令，由單片機接收后傳遞到PWM模塊，PWM再將指令發(fā)給LED燈的控制端，實現LED的平穩(wěn)、快速調光，如圖5所示。

圖5 LED燈控制結構

3.2.1 PWM控制 作為通過產生PWM波形控制LED燈的芯片，一般常用的是SG公司旗下的SG3525芯片(見圖6)[12]。該芯片在功能、性能上都比較優(yōu)越，是一款實用、集成度高的芯片，在高頻電源開關上有著廣泛應用。

3.2.2 LED控制 當PWM模塊產生了PWM波后，需要在LED中設置一個驅動控制來接收PWM的調光。Ti公司的LM3407芯片主要為大功率發(fā)光二極管提供穩(wěn)定電流，并通過脈寬調制控制發(fā)光二極管亮度，實現調光輸入，是一個非常好的LED燈控制管理方案。LED控制電路如圖7所示。

圖6 SG3525芯片電路

圖7 LED控制電路

3.3 LoRa基站(網關)模塊

LoRa基站(網關)是LoRa星型網絡的核心位置，作為傳感器、LED燈與物聯(lián)網云之間的溝通橋梁，在數據的臨時存儲傳遞以及命令的轉發(fā)上有著十分重要的作用。同時在上行鏈路上有著多種選擇，如4G、WIFI等[13]。LoRa基站(網關)主要有STM32系列單片機、SX1278射頻模塊、電源模塊、網絡接口4個部件，如圖8所示。

圖8 LoRa基站(網關)組

STM32系列單片機是一個基于ARM Cortex-M3內核的微處理器，其內置高速存儲器(128 KB的FLASH閃存和20 KB SRAM)，擁有充足的I/O口[14]。同時，由于是嵌入式的形式，它具備出色的快速處理和反應能力。

4 物聯(lián)網云平臺

當傳感器模塊收集到重要的數據后，應考慮如何將這些信息進行分析和保存。作為新興的產品，物聯(lián)網云平臺的應用在逐漸擴大且具有無限的前景(見圖9)。從本質上看，它可作為傳感器存儲數據和處理數據的服務器，還具備管理、查看設備狀態(tài)的功能[15]。物聯(lián)網云平臺能夠讓百萬個設備同時連接并保證每個設備間互不干擾、持續(xù)高強度正常運行。如今，各個互聯(lián)網企業(yè)都在開發(fā)著自己的云平臺，如百度云、阿里云等。

圖9 物聯(lián)網云平臺管理系統(tǒng)

5 節(jié)能性實驗

根據實際的外界環(huán)境，對于上海某隧道外的全天部分時段光強進行了采集，并根據公式計算得出不同時段的折減系數，從而間接得出照明節(jié)能率，如表3所示。

與普通的隧道照明情況相比，通過積分每一時刻的能耗情況，可以得出基于人眼視覺的隧道照明系統(tǒng)的節(jié)能率在59%以上，具有良好的社會效益和經濟價值。

6 結 語

本文運用物聯(lián)網相關技術，將傳感器和隧道照明聯(lián)系在一起，實現了物聯(lián)網萬物互聯(lián)的理念，下一步的研究是把最新的5G技術融入系統(tǒng)中，以期提升數據傳輸的能力，更加保證數據的準確性和安全性。同時，提高隧道內最適人眼亮度取值算法，使系統(tǒng)更加完善和可靠。