淺談基于Zigbee技術的隧道照明系統(tǒng)設計

董岳林 姚運良

摘 要 我國經濟的快速發(fā)展離不開高速公路網的組建，其中山嶺隧道的開通數(shù)量逐年增加，隧道由于其半封閉管狀結構，洞內外亮度差異巨大，需要實現(xiàn)一個亮度過渡的變化的控制系統(tǒng)，保障駕駛員行車安全，由此提出隧道照明無線控制系統(tǒng)。從照明光源、LED 調光模式、無線傳感網絡等層面確定隧道照明設計的整體框架，從而確立基于Zigbee無線隧道照明網絡的拓撲結構，以此達到隧道照明控制的效果。

關鍵詞 公路隧道;照明控制;Zigbee技術;亮度調節(jié)

引言

隧道由于其特殊的地理位置，大幅縮短行車距離、提高運輸效益、資源空間的節(jié)省和對生態(tài)環(huán)境影響較小。但由于其筒狀構造是的光線在其內亮度變化較大，容易給駕駛員帶來“黑洞”和“白洞”效應，造成行車危害，引發(fā)交通事故。隧道照明系統(tǒng)是保證駕駛員行車時心理和生理健康的關鍵措施，而合理的照明控制策略以及依此策略的照明調節(jié)控制系統(tǒng)是保證照明系統(tǒng)安全可靠、高效節(jié)能的重要素。

要想設計出一個安全、穩(wěn)定、節(jié)能的隧道照明系統(tǒng)，首先應該從大的結構層面上對隧道照明系統(tǒng)進行總體方案的設計?？傮w方案設計的過程中，在保證安全、穩(wěn)定的前提條件下，節(jié)能是被主要看重的一項技術指標。按照這一設計準則，本文采用Zigbee無線通信技術和遵守公路隧道照明細則的有機結合，達到以下亮度無級控制、燈具經濟效益好，日常管理方便，省事省工省力，進而展望公路隧道照明控制技術的發(fā)展趨勢。

1隧道照明的LED設計

1.1 隧道照明系統(tǒng)照明光源的選擇

在隧道照明控制系統(tǒng)當中，一個好的隧道照明燈源應該能夠滿足在特定的環(huán)境下安全駕駛對于光效、光衰減、光通量、光色、成本以及壽命等的一系列要求。合適的照明燈源不僅能夠為司機的安全駕駛提供良好的保障，同時也能夠做到很好的節(jié)能效果，為隧道的長時間運營減小負擔，同時還能夠保證在隧道正常運營狀況下的汽車尾氣造成的煙霧中保持良好的能見度。當前，國內隧道燈具主要有表1幾種及常見系數(shù)

從上表中可得LED燈的一系列系數(shù)均優(yōu)于其他照明燈具，白光LED燈光源參數(shù)可達到150lm/W，光效高，顯色性能優(yōu)于以上幾種燈具。LED燈源由半導體材料制成的照明燈源，隨著LED 技術的不斷進步，LED的技術難點不斷被克服，使得LED 燈作為新一代光源被越來越多的運用到新建設的隧道照明系統(tǒng)，已經建設好的隧道照明系統(tǒng)近些年也在做著各種隧道照明改造的嘗試[1]。

1.2 光源調光模式的選擇

隧道作為一種半封閉管狀結構，在駛入和駛出，人眼來不及適應明暗變化，“黑洞”和“白洞”效應會由之產生，駕駛員心理和生理會因此受到影響，危害行車安全，所以整個隧道照明的控制策略顯得尤為重要。目前，LED光源的調光模式主要有無極調光、燈管陣列控制以及燈群組控制三種方式。

其中的無級調光模式主要是通過控制輸出電流大小來實現(xiàn) LED光源256級亮度調節(jié)，調光的級數(shù)多，在視覺上達到平滑穩(wěn)定的效果，非常適合隧道照明系統(tǒng)的要求。因此在隧道照明設計當中LED光源采取無級調光模式。作為一種先進的調光模式經歷了多年的技術演變，目前市場上主要存在模擬、可控硅和PWM三種模式。

PWM調光是通過對驅動器施加數(shù)字脈沖信號，反復開關驅動器來控制燈源實際功率，從而達到調光的目的。根據人眼的特性，100Hz以上的PWM信號不會使人感到閃爍感，調節(jié)脈沖寬度進而影響光源亮度。因此PWM調光至少要有256級調節(jié)，這就要求電源具有高于25.6KHZ以上的帶寬，從而使得每一級的脈沖都能夠達到100Hz的要求，然后通過具有PWM功能的芯片對LED光源的驅動器進行控制，就可以實現(xiàn)隧道照明的無級調光要求。

1.3 無線傳感器網絡選擇

無線傳感器網絡是由大量傳感器節(jié)點組成，具有簡單計算能力和通信能力的一種網絡拓撲結構。能夠對接收到的數(shù)據進行處理計算。傳感器節(jié)點對數(shù)據有感知、處理、存儲和傳輸?shù)哪芰Γ瑢Λ@得的數(shù)據反饋至系統(tǒng)中心，再由系統(tǒng)中心對數(shù)據處理，對隧道燈具進行調光控制。本設計中Zigbee技術趨于成熟，應用廣泛，具有低復雜度、低功耗、低速率、短延遲、低成本、大容量等特點，符合隧道照明系統(tǒng)搭建網絡的需求，

2隧道無線照明系統(tǒng)的控制設計

整個網絡由GPRS 網絡和 ZigBee 網絡組成。其中所含的內部設備有隧道燈具控制器（SZ10系列集中管理器）、集中管理器、系統(tǒng)中心單元組成（系統(tǒng)中心由計算機系統(tǒng)與軟件監(jiān)控平臺組成）[2]。

2.1 隧道燈具控制器

SZ10系列單燈控制器可預留接口，實現(xiàn)人體感應控制燈、光照度控制燈、雨雪量采集控制燈、溫濕度采集控制燈等等。

2.2 集中管理器

可進行實時控制，如單燈控制可對指定節(jié)點路燈進行開關調光操作、群燈控制對任意分組進行開關和調光操作自動巡檢，自動檢測已綁定的節(jié)點路燈。

2.3 系統(tǒng)中心

由計算機系統(tǒng)與軟件監(jiān)控平臺組成。通過系統(tǒng)控制軟件對不同集中管理器下的隧道燈具控制器節(jié)點進行數(shù)據的讀寫、包括參數(shù)配置、隧道環(huán)境參數(shù)、控制命令信號發(fā)送、現(xiàn)場燈具狀態(tài)收集等。

隧道燈具節(jié)點處的無線傳感器用來采集隧道內的亮度、車速和車輛數(shù)目，將參數(shù)經過信號處理后發(fā)送至集中管理器，通過 GPRS 方式與系統(tǒng)中心通信，系統(tǒng)中心對數(shù)據的計算和處理，將處理后的信息顯示在后臺，讀取路燈的開關狀態(tài)，調節(jié)燈光亮度變化和通斷，也可以進行數(shù)據的整理，監(jiān)測和報警應答等操作[3]。

3結束語

公路隧道照明的科學化能夠大大降低隧道行車事故，保證駕駛員的生命和財產安全。照明系統(tǒng)中合理的燈具選取、調光模式和信號傳輸網絡不僅可以降低能源損耗，而且極大保障駕駛員在隧道視覺效應對生理和心理的作用影響。采用基于Zigbee的隧道照明無線控制技術，由于其時效化、準確化和科學化等積極特點，在未來的公路隧道照明系統(tǒng)中將被廣泛應用。

參考文獻

[1] 胡耀祖，李麗玲，李宏俊，等.照明節(jié)能技術發(fā)展趨勢[J].照明工程學報，2008，19（2）：1-6.

[2] 王旭升.基于ZigBee的智能建筑燈光控制系統(tǒng)設計[J].機電工程技術，2011，（12）：22-25.

[3] 國兵，劉圳，李靈愛.公路隧道節(jié)能照明研究現(xiàn)狀與展望[J].照明工程學報，2017，28（1）：102-106.

[4] 孫海艷，陳偉.于ZigBee無線傳感器網絡的智能照明系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2017，40（11）：183-186.

作者簡介

董岳林（1986-），男，陜西咸陽人;學歷：碩士，現(xiàn)就職單位：陜西省交通建設集團公司。

姚運良（1995-），男，安徽淮南人;學歷：研究生，現(xiàn)就職單位：長安大學。