基于无线传感器网络的隧道照明控制系统*

潘 峰，曾 璐，谢晓尧

（1.贵州大学计算机科学与信息学院，贵州 贵阳 550025;2.贵州师范大学贵州省信息与计算科学重点实验室，贵州贵阳 550001）

0 引言

公路隧道属于特殊路段，隧道内外环境差别较大，车辆进出隧道时，往往会产生隧道学上所述的“黑洞”效应和“白洞”效应［1］。驾驶员在适应隧道内外亮度环境时会有一个时间过程，这个时间过程是影响驾驶员行车安全的一个非常危险的因素，在这个适应问题上，隧道照明逐渐成为照明领域一个非常重要的研究方向。如今，隧道运营单位只是简单增加隧道灯具数量或增大隧道内亮度去缩短驾驶员的适应时间，隧道24 h全天候照明用电比例较大，简单的增加灯具数量或增大隧道内亮度已不能满足我国“节能减排”的战略计划［2］，如何解决隧道照明系统的安全稳定性能和节能性能的此消彼长的矛盾成为照明工程和交通安全的共同目标。

针对传统隧道照明控制系统的不足，本文提出了以无线传感器网络（WSNs）来构建该系统。通过对各个无线传感器节点采集的实时数据进行分析和处理，实现对隧道内的灯光进行控制，使得控制变的更加自动化与智能化。

1 隧道照明要求

根据我国《公路隧道通风照明设计规范》规定，长度大于100 m的隧道要设置照明，在系统设计方面也作了详细说明，隧道照明系统设计主要包括:接近段照明、入口段照明、过渡段照明、中间段照明，出口段照明以及应急照明［3］。在目前国内隧道设置上看，长度在10 m以上的隧道基本上都设置了照明，各照明区段长度与亮度关系如图1所示。平均照度和平均亮度之间的换算关系一般可按沥青路面（15～22）lx/cdm-2，水泥混凝土路面（10～13）lx/cdm-2取值。

图1 隧道各段与亮度关系示意图Fig 1 Schematic diagram of relationship between tunnel each sections and brightness

2 控制系统

2.1 系统结构

整个隧道照明控制系统结构图如图2所示，系统结构图由远程监控计算机、本地控制器 PLC、无线传感器网络、数控电压模块、LED灯具构成。由Zig Bee无线传感器节点组成的无线传感网络采集车流量和洞内洞外亮度等信息［4］，经过Zig Bee模块CC2530处理，随即将处理后的信息发送出去，经通信节点传输到隧道本地控制器处理或者上位机处理，处理结果通过无线信道或者有线信道传输到远程监控计算机。远程监控计算机接收数据，进行运算处理后输出照明控制信息，经Zig Bee无线传输到连接在与数控电压模块相连接的Zig Bee模块CC2530，数控电压模块解调数据命令，实时输出电压，通过实时改变灯具两端的电压对LED灯具进行调光或开关控制，实现了隧道内灯具的亮度及时调整。

图2 隧道照明控制系统结构图Fig 2 Structure diagram of tunnel lighting control system

2.2 硬件系统

2.2.1 电源电路

电源模块为系统提供直流电能。Zig Bee模块采用供电的方式有USB、电池等多种方式［5］。CC2530电源供电取自220V交流电源，经过整流电路和稳压电路后降低到工作较为低的电压值，由于CC2530需要稳定的电压才能工作，因此，在本电路设计中选择LP2985—3.3 V电压整流器具有稳定输出3.3 V的稳定电压。电源设计如图3所示。

图3 电源电路原理图Fig 3 Principle diagram of power supply circuit

2.2.2 调试器电路

SoC RF模块调试器/Zig Bee协议分析的核心芯片采用C8051F系列控制器。USB能将C8051F与隧道本地控制器PC相连，电路板母板几乎所有的外设都同时连接在SoC RF模块和Silabs MCU上。当SoC RF模块连接在母版上时，Silabs MCU将外设设置为高阻状态，放弃对外设的控制，仅将USB数据转换为二线调试接口数据格式，作为RF模块的调试器，兼作为Zig Bee协议分析。调试器电路设计如图4所示。

图4 调试器电路原理图Fig 4 Principle diagram of debugger circuit

2.2.3 RS—232 接口电路

RS—232接口电路的设计目的是用于同隧道本地控制器PC机或其他设备的通信的接口，标准的DB9接口，通过电平转换，可以直接与隧道本地控制器PLC相连。同时连接到RF模块和Silabs USB MCU，带有RTS/CTS硬件流控信号。RS—232接口电路如图5所示。

2.3 软件系统

系统设计分为智能控制和手动控制状态，系统分别采集接入段、入口段、过渡段、中间段和出口段车辆、烟雾、光照强度、采集频率等数据，显示各段数据，通过数据分析得出隧道亮度曲线。当系统智能控制模式失效时，会进入手动控制模式。

图5 RS—232接口电路原理图Fig 5 Principle diagram of RS—232 interface circuit

3 软件仿真

Lighting Studio在灯光效果设计、动态灯光实像预演方面提供了简洁、可靠的解决办法。用Lighting Studio可以在隧道目前效果图通过改变灯具之后达到另一种效果。Lighting Studio主要着重几点:效果真实、功能强大、操作简单迅速。通过Lighting Studio软件对贵阳苗圃1#和2#隧道进行渲染仿真的图片，通过改变不同灯具渲染出的不同的效果，从图看出:LED灯照明效果比高压钠灯好，光线连续性好。如图6所示。

图6 软件仿真图Fig 6 Diagram of software simulation

4 节能效益分析

隧道照明系统的经济效益是隧道照明的一个非常重要的指标。系统整体建设投入包括3个方面费用:初期的灯具设备、运营电费和设备维护费［6］。在隧道运营的周期内，隧道照明的费用可近似用函数公式来描述，其公式如下所示

其中，S为x年隧道照明的总费用，P为照明设备前期投入的总费用，K为年运营费用，包括年电费W和年运营维护费Q。

隧道照明设备前期总投入费用主要包括灯具投入费用、灯具配套设备如变压器等设备费用、电线配线费用，其计算公式如下所示

其中，N为灯具数量，Pd为灯具单价，Ps为灯具的相关设备单价，Pw为电线费用。

LED灯前期投入较大，但在一年半之后高压钠灯就会赶超LED的使用费用，表明LED灯的节能效果较理想。随着半导体技术的发展，LED灯的会逐步应用到隧道中，LED灯在其他方面包括配光设计、电磁干扰和灯具效率等方面的改进，LED照明是绿色环保节能照明的趋势，并将逐步取代传统的照明灯具。LED灯与高压钠灯的费用对比曲线关系，如图7所示。

图7 LED灯与高压钠灯的费用对比图Fig 7 Cost comparison chart of LED lamp and high pressure sodium lamp

5 结束语

本文针对当前隧道内照明控制系统在节能和安全稳定性上存在的一些不足，较深入地研究了隧道照明控制系统，对目前隧道使用有线控制的电源电路、调试电路经设计改进成无线传感网络控制的电路，并完成接口电路的设计，就目前人工控制的复杂问题，完成了人机交互的软件设计。整个系统根据隧道车流量、洞内外亮度、烟雾浓度等信息合理调节隧道内灯光的亮度，光线连续性好，节能效果良好，在保障驾驶员安全驾驶的同时，又达到了节能的目的。

［1］李 靖，宋燕铭，刘 雄.隧道入出口延伸照明段落节能方法研究［J］.公路工程，2012，37（2）:57-59.

［2］潘晓东，付志斌，喻泽文.山区高速公路桥隧段行车安全评价模型研究［J］.公路工程，2012，37（3）:1-5.

［3］黄宪炳，刘 洋，何延兵.浅谈高速公路连拱隧道施工技术［J］.公路工程，2012，37（2）:95-98.

［4］王任杰.隧道照明调光系统的研究与应用［J］.仪表技术，2011（7）:13-18.

［5］杨 赓，胡大可.Zig Bee无线传感网络的研究与实现［D］.杭州:浙江大学，2006.

［6］肖 华.基于 Zig Bee隧道照明无线控制系统研究和设计［D］.长沙:湖南大学，2009.