一種新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮海霞，劉 航，趙登峰，張建鑫

（1.金昌聚源水處理有限責(zé)任公司，甘肅 金昌 737100；2.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)高速公路隧道照明系統(tǒng)多使用長(zhǎng)明燈，造成大量電能浪費(fèi)的同時(shí)，也無(wú)法做到結(jié)合使用場(chǎng)景的燈光亮度合理調(diào)控?；诖耍疚奶岢鋈碌母咚俟匪淼勒彰骺刂葡到y(tǒng)，該系統(tǒng)可以做到對(duì)高速公路隧道內(nèi)燈光亮度的合理調(diào)控，在確保行車(chē)安全的同時(shí)減少電能損耗，有效符合國(guó)家層面提出的節(jié)能減排目標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)總體思路

通過(guò)深入研究現(xiàn)代隧道照明的相關(guān)資料，嘗試進(jìn)行新型隧道照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)中包含節(jié)能控制模塊、交通信息檢測(cè)器及一定數(shù)量的照明單元等，由交通信息檢測(cè)器完成各類(lèi)數(shù)據(jù)的收集，輸出端與節(jié)能控制模塊相互連接，由其完成數(shù)據(jù)的分析和控制指令的生成，節(jié)能控制模塊通過(guò)RS485線路與照明單元連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明單元的亮度調(diào)控，達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。整個(gè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框架，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)隧道節(jié)能照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 新型節(jié)能隧道照明控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，核心單元選擇基于STC89C52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有的組成部分如運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器等都集成在對(duì)應(yīng)的單片機(jī)上。這種設(shè)計(jì)方式的特點(diǎn)是可以保持較高的運(yùn)算效率，系統(tǒng)的可靠性、靈活性也得到保障，靜態(tài)環(huán)境下電能需要少，而且穩(wěn)定性高，基本不會(huì)出現(xiàn)控制器故障等問(wèn)題。

2 工作原理

2.1 交通信息檢測(cè)模塊

綜合近5 a關(guān)于交通檢測(cè)系統(tǒng)與信息采集系統(tǒng)的研究來(lái)看，涉及的多為雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)等高新技術(shù)。從交通信息檢測(cè)系統(tǒng)的類(lèi)型上來(lái)看，電感環(huán)檢測(cè)器、超聲波檢測(cè)器和紅外檢測(cè)器等屬于較為常見(jiàn)的幾種。立足于資金投入和實(shí)際應(yīng)用效果2個(gè)考量點(diǎn)，環(huán)形線圈式車(chē)輛檢測(cè)器相較于其他檢測(cè)器展現(xiàn)出顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該模塊可以檢測(cè)到是否有車(chē)輛需要穿越隧道，如果檢測(cè)到車(chē)輛經(jīng)過(guò)，則生成1個(gè)繼電信號(hào)并發(fā)送給主要控制模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛通行信息的采集與傳輸。研究中對(duì)該模塊運(yùn)用的原因在于其相較于其他模塊具有更快的反應(yīng)速度，經(jīng)測(cè)定可在50 ms內(nèi)做出正確的反應(yīng)，最快的反應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到35 ms。該模塊的工作原理圖，如圖2所示。

圖2 地感式環(huán)形車(chē)輛檢測(cè)器工作原理示意圖

2.2 智能節(jié)能控制模塊

本設(shè)計(jì)使用的智能節(jié)能控制模塊，組成部分包括微處理器、穩(wěn)壓模塊、反相器、達(dá)林頓晶體管驅(qū)動(dòng)模塊和繼電器模塊。穩(wěn)壓模塊的主要作用是穩(wěn)定輸入段的壓力，需要將其接入到直流電源內(nèi)，穩(wěn)壓模塊包括3個(gè)輸出端，分別接入到反相器、微處理器和達(dá)林頓晶體管驅(qū)動(dòng)模塊。在本設(shè)計(jì)中，微處理器基于STC89C52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，輸出端的信號(hào)類(lèi)型為RS485。

2.3 RS485總線通信模塊

設(shè)計(jì)中使用到的RS485標(biāo)準(zhǔn)的通信平臺(tái)，相較于其他類(lèi)型具有經(jīng)濟(jì)性高、噪聲抑制效果好、傳輸距離遠(yuǎn)和傳輸速率高等一系列特點(diǎn)，此外，RS485電路方面也具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)。近20 a，RS485標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用效果已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到驗(yàn)證，可將其作為本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路使用。

2.4 照明單元

設(shè)計(jì)中照明單元包括2個(gè)組成部分，分別為子控制系統(tǒng)和LED照明模塊，照明單元通過(guò)RS485通信線路與控制器連接。實(shí)際使用過(guò)程中，控制模塊會(huì)對(duì)隧道內(nèi)的光照情況進(jìn)行采集，通過(guò)數(shù)據(jù)分析后發(fā)出LED隧道燈組亮度的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道光照的調(diào)控。此外，車(chē)輛通行過(guò)程中隧道光照的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)燈組亮度結(jié)合車(chē)輛位置的調(diào)控，針對(duì)較大車(chē)流量的情況，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將隧道燈組設(shè)置為常亮。實(shí)際照明單元的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 照明單元系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

3 理論設(shè)計(jì)運(yùn)算

3.1 數(shù)據(jù)運(yùn)算處理（算法）

（1）隧道各路段照明亮度的控制。隧道照明控制系統(tǒng)的控制原理是利用傳感器來(lái)收集當(dāng)前路段的光照信息，即在自然光作用下的隧道內(nèi)亮度情況，之后將收集到的光照信息傳輸給控制器，由控制器進(jìn)行亮度調(diào)控。

（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)的生成。就隧道不同路段的亮度情況來(lái)看，入口路段的亮度值最高，正常情況下隧道外的光照亮度值為6 000 cd/m2，入口路段的亮度值則為隧道外的亮度值乘以折減系數(shù)，不同隧道對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)不同，其中最大值為0.045?；诖耍瑢?duì)于隧道中亮度值最高的入口段，在充分考慮余量的情況下，其最大亮度值可達(dá)到300 cd/m2。

實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中，需要設(shè)定入口段的占空比為0，而對(duì)應(yīng)自然光照下亮度值為0的區(qū)域，設(shè)定其占空比為1。此時(shí)，需要求隧道內(nèi)一路段的亮度值L，用d表示此路段的占比空，L的計(jì)算公式可以呈現(xiàn)如下

推導(dǎo)可得占空比的計(jì)算公式

根據(jù)占空比的計(jì)算公式，導(dǎo)入隧道內(nèi)1個(gè)路段的亮度值，就可以計(jì)算此路段的占空比，進(jìn)而明確PWM控制信號(hào)的占空比參數(shù)，用于輔助隧道亮度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。

3.2 信息指令的編碼設(shè)計(jì)

3.2.1 控制指令編碼形式

控制指令承載著隧道燈組亮度控制的信號(hào)，其傳遞的信息為當(dāng)前路段的車(chē)輛通行數(shù)據(jù)、實(shí)際光照數(shù)據(jù)等，其編碼情況見(jiàn)表1。

表1 控制指令編碼格式

（1）當(dāng)前路段的亮度信息占用7碼位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燈組亮度情況的128級(jí)調(diào)整。

（2）當(dāng)前路段的開(kāi)關(guān)信息占用1碼位，一般情況下呈現(xiàn)為0，遇到車(chē)流量較大的特殊情況，信號(hào)呈現(xiàn)為1，表示所有路段的燈組調(diào)整為常量模式。

（3）當(dāng)前車(chē)輛的通行信息占用7碼位，信號(hào)反應(yīng)了最后一次車(chē)輛位置的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

（4）循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）占用16碼位，其作用是對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)可靠。

（5）標(biāo)志位占用32碼位，其作用是表示該指令的類(lèi)別以及作用，其中控制指令一般表示為1。

3.2.2 檢測(cè)指令編碼形式

對(duì)于檢測(cè)指令來(lái)說(shuō)，其主要反映控制器運(yùn)行狀況的檢測(cè)結(jié)果，包括控制器異常的類(lèi)型、位置等，為控制器的更換和維修工作提供支持，具體編碼情況見(jiàn)表2。

表2 檢測(cè)指令編碼格式

（1）光照傳感器運(yùn)行狀況檢測(cè)所得數(shù)據(jù)占用1碼位，該碼位中呈現(xiàn)為0表示光照傳感器處于正常工作狀態(tài)，呈現(xiàn)為1則表示光照傳感器存在運(yùn)行故障問(wèn)題。

（2）控制器檢測(cè)運(yùn)行狀況所得數(shù)據(jù)占用1碼位，該碼位中呈現(xiàn)為0表示控制器處于正常工作狀態(tài)，呈現(xiàn)為1則表示控制器存在運(yùn)行故障問(wèn)題。

（3）故障段位編號(hào)占用6碼位，所反映的信息為當(dāng)前故障所處的段位。

（4）故障段號(hào)占用7碼位，所反映的信息為當(dāng)前故障在對(duì)應(yīng)段位中所處的段號(hào)，用于準(zhǔn)確鎖定故障位置。

（5）循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）校驗(yàn)占用16碼位，其作用是對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)可靠。

（6）標(biāo)志位占用32碼位，其作用是表示該指令的類(lèi)別及作用，其中檢測(cè)指令一般表示為0。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案的可行性和節(jié)能減排的性能，在實(shí)驗(yàn)室搭建1個(gè)隧道燈光亮暗控制系統(tǒng)和燈光亮度控制系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。

4.1 系統(tǒng)燈光亮暗功能測(cè)試

該模擬隧道燈光亮暗控制系統(tǒng)是由STM32單片機(jī)、繼電器、光電傳感器和LED燈組成。該系統(tǒng)通過(guò)光電傳感器檢測(cè)車(chē)輛流量及車(chē)輛通過(guò)狀況，把相關(guān)信息傳入單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理，單片機(jī)再通過(guò)控制繼電器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的接通與斷開(kāi)。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)使用3輛不同的車(chē)輛，通過(guò)行車(chē)到達(dá)檢測(cè)區(qū)前、行車(chē)到達(dá)檢測(cè)區(qū)時(shí)、行車(chē)經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)后及行車(chē)遠(yuǎn)離檢測(cè)區(qū)的4種不同的形式測(cè)試燈光亮暗控制的功能是否實(shí)現(xiàn)。之后通過(guò)循環(huán)車(chē)流量的形式，模擬最為頻繁的LED開(kāi)啟和關(guān)閉的頻率，通過(guò)在相同時(shí)間內(nèi)與常亮燈耗電量的比較，得出該開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)是否具有節(jié)能和減排的特點(diǎn)情況。

4.2 模擬控制系統(tǒng)的工作過(guò)程

為了更好模擬新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，設(shè)計(jì)以動(dòng)畫(huà)的形式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。需要進(jìn)一步說(shuō)明的是，此時(shí)以3區(qū)的形式模擬并劃分整個(gè)隧道的長(zhǎng)度，并以1個(gè)車(chē)輛通過(guò)的形式模擬車(chē)流量的過(guò)程。

4.3 控制系統(tǒng)LED節(jié)能減排性能

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)可以做到對(duì)隧道內(nèi)燈組亮度的合理調(diào)控，且滿足實(shí)際使用需求，有利于隧道內(nèi)車(chē)輛在最合適的光照環(huán)境下行駛。實(shí)際電能的利用和節(jié)省情況見(jiàn)表3和表4。

表3 以3條1.2 m36 W白熾燈和3個(gè)15 W照明控制系統(tǒng)做對(duì)比

表4 照明控制系統(tǒng)（占空比為70%）得到的數(shù)據(jù)

綜合驗(yàn)證數(shù)據(jù)，可以明確新型隧道照明控制系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

（1）相較于普通的LED燈，其可節(jié)省電能36%，排放CO2減少40%。

（2）相較于傳統(tǒng)的白熾燈，其可節(jié)省電能75%，排放CO2減少74%。

（3）實(shí)際對(duì)新型隧道照明控制系統(tǒng)加以運(yùn)用時(shí)，對(duì)于因燈光問(wèn)題造成的交通事故的預(yù)防具有積極意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)在基于車(chē)輛是否進(jìn)入隧道和在隧道行車(chē)時(shí)實(shí)際所需的光照環(huán)境不同的特性，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)是否開(kāi)關(guān)燈光系統(tǒng)和光照傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)并且調(diào)節(jié)出最適宜的行車(chē)安全的光照環(huán)境的試驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算得知，改善后的新型節(jié)能隧道照明控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的隧道常亮照明相比起到節(jié)能和減排的作用，設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期對(duì)燈光亮暗的控制、燈光亮度變化的功能特點(diǎn)和節(jié)能減排的目的，為減輕城市用電負(fù)擔(dān)帶來(lái)積極的影響和作用。