隧道照明控制系統(tǒng)中傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

竇 亮

（中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 100070）

1 隧道照明控制系統(tǒng)傳感器種類

在隧道照明控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)方面，傳感器作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)源，是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。目前常用的傳感器主要包括亮度傳感器、光源色溫傳感器、溫濕度傳感器、線圈車檢器和微波車輛檢測(cè)傳感器等。傳感器一般具有RS485通信接口。

1.1 亮度傳感器

直接采集路面亮度，通常需要采用四點(diǎn)法或中心布點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量[1]，由于存在一定實(shí)施難度，因此在隧道照明控制系統(tǒng)中，一般采用間接測(cè)量方式獲得亮度，即使用照度計(jì)或照度傳感器獲得路面的照度，然后通過換算公式將照度轉(zhuǎn)換為亮度。亮度與照度的換算公式為：

式中，L為亮度；E為照度；ρ為路面在該方向上的反射率。

1.2 色溫傳感器

色溫的高低會(huì)影響駕駛員的反應(yīng)時(shí)間和人眼瞳孔，通過分析光源色溫與反應(yīng)時(shí)間和人眼瞳孔大小變化的關(guān)系，可以得到光源色溫對(duì)隧道照明效果的實(shí)際影響[2]。目前在隧道中也逐步采用可變色溫的燈具，因此隧道照明控制系統(tǒng)中也需要使用色溫傳感器進(jìn)行色溫?cái)?shù)據(jù)采集。

1.3 溫濕度傳感器

在某些以高山為主或湖泊較多的地區(qū)，由于地貌原因，存在較多的大霧和團(tuán)霧，嚴(yán)重影響駕駛員的駕駛安全。在隧道照明控制系統(tǒng)中，可以通過溫濕度傳感器采集溫濕度值，從而判斷隧道口是否存在霧氣。

1.4 車輛檢測(cè)傳感器

車輛進(jìn)出隧道數(shù)據(jù)也是隧道照明控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，車輛檢測(cè)的方式大致可分為3種：磁頻車輛檢測(cè)、波段車輛檢測(cè)以及視頻車輛檢測(cè)。

使用磁感應(yīng)線圈的磁頻車輛檢測(cè)傳感器是目前應(yīng)該最廣的傳感器。該車輛檢測(cè)器不僅可以檢測(cè)車輛經(jīng)過，還可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到通過線圈的車輛的車速和車型等信息。

2 傳感器硬件設(shè)計(jì)

2.1 亮度傳感器硬件設(shè)計(jì)

亮度傳感器采用BH1750FVI光強(qiáng)度傳感器集成電路，該集成電路具有16位ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，擁有接近視覺靈敏度的感光元件，具有0～65 535 lx的光強(qiáng)度感應(yīng)范圍，并將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并通過IIC接口與微處理器連接和通信。BH1750FVI的工作電路如圖1所示。

圖1中，BH1750_SCL和 BH1750_SDA為 IIC接口的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，連接微處理器的IIC接口；ADR為芯片IIC地址線，連接GND時(shí)BH1750FVI的地址為0100011，連接3V3時(shí)地址為1011100，因此一個(gè)IIC接口最多可以連接2個(gè)BH1750FVI傳感器。

2.2 色溫傳感器硬件設(shè)計(jì)

色溫傳感器采用可編程TCS34725全彩RGB顏色識(shí)別傳感器集成電路，該集成電路采用光學(xué)感應(yīng)識(shí)別色彩，可以感應(yīng)明光，輸出具體顏色數(shù)據(jù)。TCS34725包含4個(gè)ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，同時(shí)添加了紅外遮光片，最大程度上減少了入射光的紅外頻譜干擾。TCS34725通過IIC接口與微處理器連接和通信。TCS34725的工作電路如圖2所示。

圖2中tcs34725_SCL和tcs34725_SDA為IIC接口的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，連接微處理器的IIC接口，TCS34275沒有外接地址線ADR，因此只能使用固定地址0x29。所以電路中一個(gè)IIC接口只能連接1個(gè)TCS34275集成電路。

2.3 溫濕度傳感器硬件設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器采用SHT20數(shù)字型傳感器集成電路。該集成電路將改進(jìn)型電容式傳感器、標(biāo)準(zhǔn)型溫度傳感器和ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元集成在一個(gè)CMOSens?芯片上，其相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0%RH～100%RH，典型誤差為±3.0%RH，溫度測(cè)量范圍測(cè)量范圍為-40 ～125 ℃，典型誤差為±0.3 ℃。

2.4 車輛檢測(cè)傳感器硬件設(shè)計(jì)

車輛檢測(cè)傳感器是利用埋在路面下方的環(huán)形線圈，通過振蕩電路和整形電路將線圈產(chǎn)生的正弦波振蕩信號(hào)整形成方波信號(hào)，微處理器通過輸入捕捉引腳獲得該方波信號(hào)，用來(lái)判斷是否有車輛經(jīng)過。

2.5 傳感器的通信接口設(shè)計(jì)

傳感器一般通過RS-485總線與其他設(shè)備和主機(jī)相連，所以需要傳感器微處理器的串行通信TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-485總線信號(hào)。由于總線電纜上可能存在干擾，因此一般使用隔離信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。

3 傳感器軟件設(shè)計(jì)

傳感器設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)采集芯片與微控制器MCU之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)中主要采用IIC通信接口，并在IIC通信基礎(chǔ)上，解析不同的數(shù)據(jù)包并獲得傳感數(shù)據(jù)，因此以色溫傳感器TCS34725的軟件設(shè)計(jì)為例，介紹IIC通信及數(shù)據(jù)傳輸流程。

3.1 IIC通信總線

IIC通信總線是一種全雙工的同步總線，提供多主機(jī)功能，控制所有IIC總線特定的時(shí)序、協(xié)議、仲裁和定時(shí)，支持標(biāo)準(zhǔn)和快速兩種模式。IIC總線只有兩根雙向信號(hào)線SDA和SCL，使用IIC接口可以很輕易地實(shí)現(xiàn)總線多個(gè)器件的數(shù)據(jù)通信。

3.2 色溫傳感器軟件設(shè)計(jì)

色溫傳感器TCS34725使用IIC通信協(xié)議進(jìn)行配置和讀寫操作，支持7位IIC總線設(shè)備地址，其地址為十六進(jìn)制0x29。TCS34725主要支持IIC通信的讀寫操作，具體傳輸格式如圖3所示，其中S為起始碼，P為停止碼，A為應(yīng)答碼，W為0表示寫操作，R為1表示讀操作，設(shè)備地址為0x29。圖3中數(shù)字1、7、8表示數(shù)據(jù)位數(shù)。

在軟件編程中需要編寫IIC通信的底層驅(qū)動(dòng)程序，具體函數(shù)包括IIC初始化函數(shù)IIC_Init()、IIC讀數(shù)據(jù)函數(shù)IIC_Read()、IIC寫數(shù)據(jù)函數(shù)IIC_Write()、IIC發(fā)送起始碼函數(shù)IIC_Start()、IIC發(fā)送停止碼函數(shù)IIC_Stop()和IIC發(fā)送應(yīng)答碼函數(shù)IIC_ACK()等。

在發(fā)送讀寫命令和進(jìn)行配置的時(shí)候，還需要給出TCS34725內(nèi)部的寄存器地址，具體寄存器地址可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)。配置完成并進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，顏色數(shù)據(jù)可以讀出，地址分別為0x16～0x1B共6 Bytes，分別對(duì)應(yīng)顏色R值（2 Bytes）、顏色G值（2 Bytes）和顏色B值（2 Bytes）。讀取上述數(shù)值后，利用式（2）和公式（3）計(jì)算出最終的色溫值vCT（單位K）。

式（2）是將RGB顏色坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)化成CIE顏色坐標(biāo)軸。RGB顏色坐標(biāo)軸采用的是物理三基色，不同的設(shè)備之間不能進(jìn)行互通，而CIE顏色坐標(biāo)軸更適用于進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的顏色計(jì)算。計(jì)算出CIEx、CIEy后，利用式（3）計(jì)算出色溫值vCT。其中，n為等溫線斜率的倒數(shù)，由式（4）計(jì)算而來(lái)。

4 結(jié) 論

綜上所述，傳感器是隧道照明控制系統(tǒng)的重要組成部分，是獲取亮度、色溫、溫濕度及車流量等數(shù)據(jù)的感應(yīng)單元。通過傳感器集成電路選型，選擇合適的傳感器器件，結(jié)合硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，可以快速的設(shè)計(jì)適合隧道照明控制系統(tǒng)的傳感器。