公路隧道智慧照明節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉玉，冷俊輝

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

本文以STM32單片機(jī)為核心，配上傳感采集模塊，設(shè)計(jì)了一個(gè)隧道照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)傳感模塊采集數(shù)據(jù)，隧道外的亮度、車流量和車速三個(gè)參數(shù)，傳輸給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)軟件智能控制算法的處理，得到隧道所需的照明調(diào)光值，通過(guò)CAN等通信方式將調(diào)光值傳輸給具體的照明燈具，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道照明的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，到達(dá)按實(shí)際需求來(lái)照明的效果。該系統(tǒng)在滿足基本的行車安全的情況下，節(jié)約了大量的電能。另外也響應(yīng)了國(guó)家的號(hào)召“綠色環(huán)保節(jié)能照明”，有利于國(guó)家智能交通更好地發(fā)展。

1 系統(tǒng)整體需求分析

硬件電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，依據(jù)照明要求，需要擁有下面四大功能。

信號(hào)的收集：包含車流量信息和隧道口外的光線的采集。一是采集是否有車輛經(jīng)過(guò)，有就打開(kāi)附近的隧道照明，當(dāng)隧道內(nèi)沒(méi)有任何車輛時(shí)就斷開(kāi)隧道照明，做到有車燈亮，無(wú)車燈滅。二是動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)車輛在隧道內(nèi)車速以及車流量，隧道口外的光線，傳輸給單片機(jī)，經(jīng)STM32處理進(jìn)行智能燈光控制，實(shí)現(xiàn)“按實(shí)際需要來(lái)照明”的效果[1]。

系統(tǒng)控制方式：以亮度可調(diào)的LED燈作為隧道照明燈具，采用三級(jí)控制系統(tǒng)。首先主控制，STM控制器將采集的隧道外的亮度、車流量和車速收集到，通過(guò)軟件智能控制算法處理，得到隧道照明實(shí)際所需要的亮度，進(jìn)行系統(tǒng)全方位控制；其次光線調(diào)節(jié)控制，收到主控制器的光線調(diào)節(jié)命令，剖析后將亮度調(diào)節(jié)信號(hào)輸送給具體的隧道照明燈具；最后輸出設(shè)備LED燈接收到剖析過(guò)的光度調(diào)節(jié)信號(hào)后實(shí)現(xiàn)按照實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)光[2]。

控制模式：控制系統(tǒng)可以依據(jù)實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化控制，同時(shí)應(yīng)在系統(tǒng)無(wú)法獲取輸入?yún)?shù)時(shí)實(shí)行自動(dòng)化控制，應(yīng)對(duì)發(fā)生交通事故、停電等的突發(fā)性事件時(shí)實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)控制。

系統(tǒng)模式控制：不僅可以自動(dòng)控制，自主動(dòng)態(tài)收集信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光按需控制，還能在出現(xiàn)突發(fā)意外情況下實(shí)行手動(dòng)控制[3]。

2 系統(tǒng)整體框架

根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)為白天和夜晚兩種控制模式，夜晚不需要對(duì)亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將燈光的照度值設(shè)置為恒定的值；而當(dāng)夜晚模式定時(shí)時(shí)間到，切換到白天模式，需要光照調(diào)節(jié)。根據(jù)所采集到的信號(hào)，如是否有車輛進(jìn)入、車流量、車速和隧道口的亮度等參數(shù)，主控芯片通過(guò)智能調(diào)光算法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，得到隧道內(nèi)各段所需要的照明亮度值，實(shí)現(xiàn)隧道整體照明控制[4]。

圖1是系統(tǒng)總體框架圖，該系統(tǒng)主要包括本地控制和系統(tǒng)監(jiān)控中心兩個(gè)組成，監(jiān)控中心主要由服務(wù)器、電腦組成；本地控制包括了隧道里的燈光調(diào)節(jié)控制器，LED顯示控制器和照明燈具，隧道外的主控制器、信號(hào)采集傳感器和各級(jí)間數(shù)據(jù)傳輸所需的通信器材。本文主要對(duì)本地控制進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)控制邏輯

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路是上位機(jī)收集傳感單元?jiǎng)討B(tài)采集的反應(yīng)當(dāng)前車流量、車速和隧道口外的光線亮度值的數(shù)據(jù)，通過(guò)智能調(diào)光控制算法運(yùn)算得到燈光調(diào)節(jié)控制命令，然后經(jīng)過(guò)RS485將命令傳輸給下一級(jí)，即燈光調(diào)節(jié)控制器，收到燈光調(diào)節(jié)命令后，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)總線將命令傳輸給LED燈光控制器，從而最終實(shí)現(xiàn)了燈光調(diào)節(jié)、隧道按需照明的任務(wù)[5]。

主控單元，是系統(tǒng)的控制核心，上與上位機(jī)聯(lián)系，下與調(diào)光控制單元聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)燈光照明的總體控制。主要是收集傳感電路動(dòng)態(tài)采集的車流量、車速和隧道口的光線亮度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)其軟件算法處理后，將具體調(diào)光指令通過(guò)總線傳輸給所有燈光調(diào)節(jié)控制器，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)燈光照明的總體控制。并且將傳感電路動(dòng)態(tài)采集的數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制中心。

傳感電路，由安裝在洞口的光線亮度檢測(cè)裝置、車輛檢測(cè)裝置組成，功能是收集洞口外的實(shí)時(shí)的光線亮度、車流量和車速，并將其傳輸給主控單元，同時(shí)根據(jù)車輛檢測(cè)裝置判斷是否有車輛進(jìn)入隧道，幫助主控單元實(shí)現(xiàn)隧道照明的關(guān)閉控制[6]。

燈光調(diào)節(jié)控制器，負(fù)責(zé)和主控單元、LED控制單元聯(lián)系，接收主控單元傳輸?shù)臒艄庹{(diào)節(jié)命令，剖析后向LED控制單元傳輸；也會(huì)將LED狀態(tài)信息回輸給主控單元。LED控制單元，負(fù)責(zé)和燈光調(diào)節(jié)控制器、隧道內(nèi)照明燈具聯(lián)系，將燈光調(diào)節(jié)控制器傳輸?shù)臒艄庹{(diào)節(jié)命令轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的PWM，去驅(qū)動(dòng)LED實(shí)現(xiàn)燈光調(diào)節(jié)、隧道照明。

本地控制思路，隧道內(nèi)沒(méi)有車輛時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到隧道口即將有車輛進(jìn)入時(shí)，立即開(kāi)啟隧道照明，同時(shí)主控單元采集動(dòng)態(tài)的隧道口的光線亮度，車速和車流量信息，經(jīng)主控單元的軟件處理后，輸出燈光調(diào)節(jié)指令，向下一級(jí)燈光調(diào)節(jié)控制器傳輸該指令，再有燈光調(diào)節(jié)器向第三級(jí)LED控制單元傳輸，最后傳輸隧道內(nèi)所有的照明燈具，實(shí)現(xiàn)隧道照明整體控制。調(diào)節(jié)照明設(shè)備的功率去調(diào)節(jié)燈光亮度。與通過(guò)開(kāi)關(guān)一組照明調(diào)節(jié)照明亮度傳統(tǒng)的隧道照明相比，本項(xiàng)目減少隧道交通事故發(fā)生的同時(shí)，具有隧道照明均勻，照明質(zhì)量高，人眼舒服的優(yōu)點(diǎn)[7]。

4 數(shù)據(jù)傳輸方式

由于隧道照明系統(tǒng)隧道內(nèi)照明燈具多，采用了三級(jí)控制方式，級(jí)與級(jí)間的數(shù)據(jù)傳輸也變得較為復(fù)雜，在這有必要闡述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。定主控單元與燈光調(diào)節(jié)控制器間的數(shù)據(jù)傳輸為一級(jí)傳輸，燈光調(diào)節(jié)控制器和LED控制單元間的數(shù)據(jù)傳輸為二級(jí)傳輸。圖2為DALI通信示意圖。

圖2 DALI 總線通信系統(tǒng)示意圖

DALI傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為主控單元向從控單元傳輸數(shù)據(jù)和從控單元向主控單元傳輸數(shù)據(jù)，兩者結(jié)構(gòu)是不一樣的，前面是正方向傳輸，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)起始位、兩個(gè)停止位、八個(gè)數(shù)據(jù)位和八個(gè)地址位；后面是反方向傳輸，與正方向數(shù)據(jù)相比，少了八個(gè)地址位，其他都一樣。該協(xié)議定義了很多通信指令，特殊地址，有短地址、組地址、廣播地址和特殊命令，具體見(jiàn)表1所示，地址位中的第一位表示單個(gè)燈的短地址還是組地址或命令，最后一位用來(lái)區(qū)分調(diào)光等級(jí)或命令[8]。

表1 DALI 地址結(jié)構(gòu)表

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)公路隧道照明整體系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。具體包含主控制器、調(diào)光控制器和LED控制器硬件與軟件的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件對(duì)給定三個(gè)參數(shù)輸入采集設(shè)備選型，不同控制器CPU單元模塊、電源單元模塊、通信處理模塊等各部分開(kāi)展設(shè)備選型和設(shè)計(jì)，根據(jù)隧道內(nèi)外光照度、車流量以及實(shí)時(shí)車速等信號(hào)參數(shù)，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)用模糊控制思想，實(shí)時(shí)精確控制公路隧道的照明亮度，從而實(shí)現(xiàn)“車流量大則提升隧道照明亮度、車流量小則降低隧道照明亮度”以及“隧道外光照度強(qiáng)則提升隧道照明亮度、隧道外光照度弱則降低隧道照明亮度”的控制效果，從而避免了過(guò)度照明，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。