公路隧道照明智能控制系统的研究与设计

秦 慧 芳

(兰州交通大学 机电技术研究所，甘肃 兰州 730070)

公路隧道照明智能控制系统的研究与设计

秦 慧 芳

(兰州交通大学 机电技术研究所，甘肃 兰州 730070)

针对目前隧道存在的能源浪费问题，提出了一种节能型实时隧道照明控制系统。该控制系统是以STM32微控制器为平台搭建的嵌入式控制系统，系统能够自动采集洞外亮度、车速及车流量等信息，并经过分析计算后下达调光指令，最终由LED驱动模块通过PWM方式对LED灯具进行实时按需调光，可进一步地降低系统能耗，提高隧道的运营管理效益，在实际中具有一定的推广价值。

隧道照明；STM32；自适应控制；节能

伴随着建设规模的不断扩大，公路隧道的运营成本不断增高，如何降低运营成本，并提高隧道的安全性能，已经成为交通部门越来越关注的问题了[1-2]。隧道照明是隧道建设中不可缺少的设施，同时也是隧道内耗能最多的系统。

在现有的隧道照明控制系统中，多数采用时序控制，主要通过投退不同的照明回路，以增减工作灯具数量的方式来达到目的。这种方法简单可靠，但是未考虑环境因素对照明的影响，并不能完全满足隧道照明的需求，而且能耗相对比较高。本文以完善控制策略为目的，提出了一种LED隧道照明控制系统的实现及其应用方案[2]。

1 系统总体设计

本系统的照明控制策略[3-5]：在隧道状态正常的情况下，通过车辆检测装置判断是否有车辆进入隧道接近段，若没有车辆进入，则隧道照明处于关闭状态；若有车辆进入接近段，则开启隧道照明。当车辆驶出隧道后判断隧道内是否还存在其他车辆，若有，则持续照明状态，若无，则关闭照明灯具。

整个隧道照明智能控制系统由上位机监控中心和下位机控制中心组成。其中控制中心由传感器采集单元、一级主控制器、二级调光控制器、三级LED驱动控制器及照明装置组成。根据隧道的特点，将整个隧道按照照明亮度的不同分为多个照明段，每个照明段的全部照明装置又分为多个照明灯具组，每一个照明段对应一个调光控制器，每一个照明灯具组对应一个LED驱动控制器。隧道照明主控制器通过设置在现场的传感器对洞外亮度、洞内亮度、过往车量及车速进行实时采集，并上传至监控中心，主控计算机通过设定好的调光控制逻辑计算出隧道各照明段的调光参数，再通过通信网络下发给系统主控制器，并由其转发给各调光控制器，继而传递给各LED驱动控制器，完成隧道的照明调光。这里主控计算机通过设置在隧道内的亮度检测单元判断当前隧道的照明状态是否满足隧道照明要求，如若不满足，则下发新的调光命令，从而改变隧道内的照明亮度；LED驱动控制器根据接收到的调光命令，通过调整LED灯具的输出电压，进而改变LED灯具的光通量，调整隧道照明装置的工作状态。其结构如图1所示。

图1 LED隧道照明控制系统的总体结构图

图1中，隧道照明控制系统通过交通信息检测装置和亮度检测装置对洞内外亮度、车速和车流量等信号进行采集，并通过RS485实时上传至主控制器，根据设定好的照明控制策略，对隧道进行整体的亮度控制。本系统选用总线的通信方式，考虑到大长隧道的控制范围比较大，这里选择CAN总线进行一二级控制器之间的通信，DALI总线进行二三级控制器之间的通信。CAN总线具有比较完善的通信协议，且速度优于RS485，具有容错机制，在节点出现错误的情况下能够自动关闭输出功能，从而使其他节点的操作不受影响。DALI[6]是一种照明控制设备之间进行数据通信的接口标准，其最大的特点就是能够对系统内的灯具进行独立寻址并进行精准的控制，其灵活性高，所需功能模块少，安装调试方便，结构也简单，同时DALI总线采用双向通信，不仅能发生调光控制信号，还能反馈LED驱动控制器和照明灯具的工作状态和故障信息。本系统能够实现对照明灯具的单一或成组控制，具体的控制策略也能够根据实际情况进行调整，达到降低系统能耗和减少运营成本的效果[6-7]。

2 隧道照明控制单元

2.1 主控制器

2.1.1 检测装置选择

系统主控制器的输入参数包括隧道洞内外亮度、经过隧道的车流量及车速。本文选择亮度检测器USREGAL LUX CS 201进行洞内外亮度的检测，线圈检测型车检器VDI-4P进行过往车辆的车流量及车速信号的检测。二者均具有RS485传输接口，且适应于野外环境，技术成熟，成本低，容易掌握，满足设计要求。

2.1.2 主控制器的设计

主控制器接收检测单元实时采集的信号，并将洞内外亮度、车速及车流量上传至监控中心，并接收其经过智能算法处理后输出的调光信号，进而对隧道现场的照明单元进行总体的调光控制[8]。其硬件结构图如图2所示，主控芯片选择STM 32 F103 RCT 6。RS485用于连接检测装置，实现系统输入信息的采集；CAN总线用于连接各调光控制器，实现调光命令的传输；RS232通信用于连接无线通信模块，通过GPRS完成主控制器与上位机的通信；USB接口用于系统程序的下载和调试；Flash闪存和SRAM用于数据存储和程序运行；TFT_LCD用于显示系统的照明状态；预留接口用于其他电路的预留接入。部分电路设计如图3所示。

图2 系统主控制器的硬件结构图

2.2 调光控制器

DALI调光控制器主要接收上级主控制器发送的调光命令，并制定相应的调光策略，通过DALI协议通信完成对下级单元的控制，从而实现对每个照明单元的调光。其硬件结构图如图3所示，主控芯片选择STM 32 F103 C8 T6，具有外设少，功能模块精简，适合此控制器应用；DALI电平转换用于本控制器与下级各LED控制器之间进行DALI协议通信。部分电路设计如图4所示。

图3 系统主控制器部分电路原理图

图4 系统调光控制器部分电路原理图

2.3 LED控制器

LED控制器主要接收上级调光控制器发来的调光指令，进而输出PWM波控制照明装置完成照明调光任务。由于控制单元输出的PWM调光信号波无法直接控制照明单元进行亮度调节，这里需要选择合适的LED驱动模块用于实现LED的PWM驱动调光。这里LED驱动模块选择DRIVE-SW12，该模块的信号输入范围为DC 5～35 V，能驱动1～10个3 W的LED，工作电压输入范围为6～75 V，能够通过其SW12口接入PWM调光信号，从而控制LED电压的大小，实现调光目的。

图5 系统主程序流程图

3 系统软件设计

隧道照明控制系统主要流程如图5所示。系统启动后，首先初始化各模块，在隧道状态判断正常的情况下，读取洞外亮度等参数；之后判断CAN总线和DALI网络通信是否正常，如果二者均正常，则进一步判断是否有手动操作，如果二者均不正常或者其一不正常，则返回初始化模块重新开始。有手动操作时，主控制器调用手动程序，完成照明控制，无手动操作时，当有车辆接近隧道时，调用智能调光控制程序，输出调光命令，通过CAN总线向各调光控制器发出调光命令，继而通过DALI网络数字可寻址向其连接的LED控制器发送各自的调光命令，最终完成按需调光，继续上述循环，实现隧道照明实时连续调光控制。

4 结 语

本文提出了一种基于STM32的隧道照明智能控制系统的实现方案。该系统分三级控制，以主控制器、调光控制器、LED驱动控制器、亮度检测器、线圈检测型车检器以及LED隧道灯为硬件实现平台，结合智能算法，实现隧道照明的“实时按需调光”。系统通过实时采集的洞外亮度、车速及车流量作为输入参数，经过RS485总线传输给主控制器，调用相应调光程序，输出调光命令，并经过CAN总线传输给各调光控制器，完成一级控制；各调光控制器接收调光命令后，经过DALI电平转换，再通过DALI网络数字可寻址向与其连接的各LED驱动控制器发送调光命令，完成二级控制；最后，LED驱动控制器接收调光命令后输出PWM方波来控制LED驱动模块驱动隧道LED灯实现动态调光，完成三级控制。该系统可靠性高，自适应强，能够有效地降低人工成本和维护费用，具有较高的实用性和推广价值。

[1] 冯岚.公路隧道照明节能技术研究[J].公路,2015(8):301-304.

[2] 杨翠,王少飞,胡国辉,等.基于物联网技术的智慧型公路隧道照明系统[J].公路,2015(5):153-157.

[3] 徐曦,曾璐,谢晓尧.无线传感网络在隧道照明控制中的应用研究[J].照明工程学报,2013,24(5):115-120.

[4] 张玲,郝翠霞.LED隧道照明控制系统的研究与开发[J].照明工程学报,2011,22(4):36-40+45.

[5] 田军.公路隧道照明智能节能系统设计与研究[D].西安：长安大学,2015:12-18.

[6] 王飞,佘咸宁,许锦标.基于DALI协议的LED智能照明系统设计[J].广东工业大学学报,2013,30(4):79-82.

[7] 温兆奇,徐军明,秦会斌.基于GPRS的智能照明系统控制终端的设计与实现[J].电子器件,2013,36(3):413-417.

[8] 郑军,简婧.公路隧道LED照明模拟控制系统设计[J].交通科技,2015(1):119-122.

Research and Design of Highway Tunnel Intelligent Lighting Control System

QIN Huifang

(Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Aiming at the existing energy waste problems of the tunnel, this paper proposes a real-time tunnel lighting energy-saving control system. The control system is an embedded control system based on STM32, which can automatically collect information such as hole brightness, Vehicles speed and vehicle volume. Then, the dimmer instruction is given after information analysis. Finally, LED lamps dimming is completed real-time through PWM by LED driver module. The system can further reduce the energy consumption and improve the efficiency of the tunnel operation management and it is worthwhile to be popularized.

tunnel lighting; STM32; self-adaptation control; energy saving

2017-02-28

秦慧芳(1991-)，女，山西忻州人，在读硕士研究生，主要从事微机控制方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.017

TP273

A

1674-5403(2017)02-0061-04