基于LED 光色动态可调的隧道照明控制系统研究*

张军朝，薛 帅，侯 瑞，张欣宇

(1.太原理工大学电气与动力工程学院，山西 太原030024；2.山西省电气传动及物联网工程研究中心，山西 太原030024；3.山西省“1331 工程”基于大数据的智慧城市照明数据共享与公共服务平台工程技术研究中心，山西 太原030024；4.太原理工大学软件工程学院，山西 太原030024)

随着高速公路隧道建设事业的不断推进，隧道数量、总里程一直在持续增长，隧道照明控制系统逐渐成为海内外相关学者竞相研究的热点[1]。 目前，隧道照明控制系统在设计过程中主要考虑人眼视觉、节能与亮度之间的关系，即亮度成为隧道照明兼顾安全性与节能性的主要标准。 文献[2]考虑洞外亮度、天气条件、路面干湿情况等外部条件设计了隧道照明智能控制器，通过图像传感器、雨水传感器作为环境采集装置采集外部条件作为输入量自动调节亮度输出，实现了节能。 文献[3]设计了一种隧道照明闭环反馈智慧控制系统，以照明所需亮度和实际测量亮度为基础，采用PI 闭环反馈调节方法，实时调节照明系统输出，在保证实际照明亮度达到要求的同时最大限度地降低了能耗。 文献[4]提出一种基于闭环回路串行通信结构的LED 隧道灯调光方案，灯节点可通过执行主控制器指令自动生成地址编码，实现了单灯独立调光控制，提高了调光灵活性，具有很大的节能潜力。 上述研究都是通过调节亮度的方式达到隧道内部安全节能的目的，设计过程中并未将光源色温作为一项影响隧道交通安全的指标来融入照明系统。 最新研究表明，光源色温对驾驶员眼睛的视认性和舒适性具有一定影响，会直接影响人眼的反应时间及对小目标的可见度值[5-6]。 将色温作为隧道光环境的一项指标用于指导照明控制系统的设计，具有非常重要的意义。

文献[7]设计的隧道照明控制系统可根据太阳的位置、季节、天气等情况通过模糊控制算法自动调节光源的亮度和色温，实现隧道的最精确照明，但该系统缺乏一个精准的色温调节指导模型，色温与亮度采用分级调节方式，不能实现动态调节。 文献[8]设计的隧道智慧照明控制系统利用洞外检测模块检测洞外的光照、色温等环境参数，并实时输出光照需求值，在保证驾驶员行车安全的前提下，降低了隧道的能耗，提高了人眼舒适性。 但LED 调光采用电压线性调光方式，存在色温偏移，同时色温调节采用冷暖白光结合方法，在显色性上没有优势。

针对上述问题，本文基于LED 光源将色温动态调节这一理念引入隧道照明系统中，设计了一套基于LED 光色动态可调的隧道照明控制系统。 采用LED 三基色光源作为照明灯具，结合PWM 调光技术，推导出三通道PWM 调光的光色动态调节模型，并从硬件和软件的角度给出系统的设计方案，最后进行实验模拟。

1 隧道照明系统总体架构

基于LED 光色动态可调的隧道照明控制系统包括上位机控制平台、GPRS 远程通信网络、主控制器、ZigBee 无线通信网络、分控制器、LED 灯组6 部分。 系统总体架构如图1 所示。

图1 隧道照明控制系统总体架构

下面对图1 中各部分的功能进行具体阐述:

(1)上位机控制平台:在具有固定IP 地址的上位机上，基于LabVIEW 软件开发隧道照明控制平台，包括LED 光色动态调节子程序、LabVIEW TCP/IP 通信传输子程序、隧道不同路段亮度调节子程序等。 控制平台通过洞外环境条件，设置不同路段的色温值和亮度值，经上位机计算出占空比，传输到GPRS 通信模块。

(2)GPRS 远程通信网络:由GPRS 通信模块组成。 通过GPRS 公网远程访问具有固定IP 地址的上位机，采用TCP/IP 协议与上位机进行远距离无线通信，负责接收上位机发送的控制指令，然后发送至主控制器。

(3)主控制器:隧道照明控制系统的核心部分，负责对GPRS 模块发送的数据进行转换，并通过串口发送给ZigBee 协调器。

(4)ZigBee 无线通信网络:采用星型网络结构，主控制器端配置一个ZigBee 协调器，每个LED 灯具配置一个ZigBee 终端节点，即一对多的通信方式。主控制器将控制指令通过ZigBee 网络下达到分控制器中。 星型网络适用于短隧道，当实际隧道为长隧道、特长隧道时，可采用树状网络结构或者网状网络结构进行ZigBee 无线网络搭建，在星型网络结构中增加多个ZigBee 路由器即可实现。 本文以短隧道ZigBee 星型无线网络为例进行说明。

(5)分控制器:一方面通过串口经ZigBee 无线通信网络接收主控制器的信息，一方面根据接收的信息输出三路独立的PWM 控制信号控制LED 驱动电源，对LED 灯组进行色温和光通量的调节。

(6)LED 灯组:LED 光源采用三色LED

混合光源，由暖白光(ww)、绿光(g)、冷白光(cw)混合而成；具有PWM 调光功能的LED 驱动电源。

2 LED 光色动态调节模型

在1931 CIE-XYZ 标准色度系统中，对于LED三基色的混光模型，混合光可实现的光色调节区域是由3 种颜色构成的三角形区域[9]。 以暖白光(ww)、绿光(g)、冷白光(cw)为三基色，推导出三通道PWM 调光的光色动态调节模型。 通过这个模型，理论上只要给出混合白光目标色温值及光通量值，便可计算得到驱动三基色光源的三通道PWM占空比，进而通过控制硬件电路实现LED 光色动态连续可调。

采用CREE-XRE(美国科税)公司生产的暖白、绿、冷白三色LED 灯珠制作实验光源，功率都为1W。 使用杭州创惠公司的CMS-3000S 高精度光谱分析仪测量三色LED 在额定电流工作状态下的光色度学参数，参数如表1 所示。

表1 LED 三基色的光色电参数

1931 CIE-XYZ 色度图中按表1 中的坐标进行绘图，三色基础光源调色范围如图2 所示。

图2 LED 三基色混光范围

从图2 可看出由暖白、绿、冷白三色光源围成的三角形区域可将黑体轨迹线上正常白光段覆盖，理论上可实现色温可调的白光。 设混合白光的相关色温为T，色品坐标为(xw，yw)，光通量为Фw，三刺激值为(Xw，Yw，Zw)，使用的3 种LED 基础光源的色品坐标分别为暖白光(xww，yww)、绿光(xg，yg)、冷白光(xcw，ycw)，光通量分别为Фww、Фg、Фcw，三刺激值分别为(Xww，Yww，Zww)，(Xg，Yg，Zg)、(Xcw，Ycw，Zcw)。

2.1 混合白光相关色温与色品坐标的关系

在照明控制系统中，混合白光的相关色温T 是随机给出的，需要根据相关色温T 计算色品坐标。采用黑体轨迹的Chebyshev 法来根据混合白光色温值确定相应的色品坐标[10]:

在式(1)、式(2)中，计算得到的坐标(u，v)是1960 CIE-UCS 色度图中的坐标，需根据式(3)、式(4)将坐标(u，v)转换成1931 CIE-XYZ 色度图中的色品坐标(x，y)形式，然后进行后续计算:

2.2 混合白光色品坐标与PWM 占空比的关系

在LED 混光中，混合光的光通量为LED 在额定电流下的光通量与对应PWM 占空比的线性组合[11]，即:

在1931 CIE-XYZ 标准色度系统下，根据CIEXYZ 和CIE-xyY 两个色彩空间的数值转换关系[12]，可得出混合白光三刺激值与三色基础光源三刺激值的关系为:

1931 CIE-XYZ 标准规定，X、Z 两个量只代表色度，没有亮度，但其数值与色品坐标成比例关系。光通量Ф 与三刺激值Y 相等[13]，则三色基础光源三刺激值可表示为:

根据式(14) ～式(16)可知，在三基色色品坐标、光通量已知的情况下，只要给出混合白光的相关色温以及期望光通量，便可得出三基色的电气占空比。

3 系统硬件结构设计

3.1 主控制器与分控制器选型

主控制器选用Arduino 系列开发板中的Arduino Mega2560 模块。 该模块集成4 路通信串口，具体引脚分布为:引脚0(RX)和引脚1(TX)、引脚15(RX)和引脚14(TX)、引脚17(RX)和引脚16(TX)、引脚19(RX)和引脚18(TX)。 4 路串口可完全保证主控制器与GPRS 通信模块、ZigBee 协调器通信使用。

分控制器采用Arduino 系列开发板中的Arduino UNO 模块。 该模块集成1 路通信串口，即引脚0(RX)和引脚1(TX)，用于分控制器接收控制指令[14]，同时模块的3 个数字引脚9、10、11 用于输出三路独立的PWM 占空比信号。

3.2 GPRS 通信网络设计与实现

GPRS 通信模块选用SIM900 GSM/GPRS 扩展板。 GPRS 通信模块与主控制器之间通过串口进行数据传输，连接方式为:首先将GPRS 通信模块与主控制器之间的地和电源引脚连接，其次将主控制器的引脚19(RX)和引脚18(TX)组成的串口与GPRS模块的串口TXD、RXD 引脚相连，这样通过GPRS模块实现主控制器与上位机控制平台之间的无线通信，图3 所示为连线示意图。

图3 主控制器与GPRS 模块连线示意图

由于GPRS 通信模块已内置TCP/IP 协议，因此主控制器只需使用AT 指令便可访问GPRS 通信模块，并进行数据接收[15]。 两个模块在上电或复位工作后，首先要进行串口通信波特率设置，系统将波特率设置为9 600 bit/s，编程设置语句为Serial.begin(9600)。 串口波特率设置完成后，需要激活GPRS模块相关功能，即可实现GPRS 模块与主控制器的串口通信。

3.3 ZigBee 无线通信网络设计与实现

选用的ZigBee 模块具体型号为XBee S2。 XBee S2 模块与Arduino 模块之间皆采用串口通信方式，具体为串口transparent 操作模式。 XBee S2 模块作为协调器与主控制器的串口连接示意图如4 所示。

图4 协调器与主控制器连接示意图

XBee S2 模块作为终端节点设备与分控制器串口的连接示意图如图5 所示。

图5 终端节点设备与分控制器连接示意图

具体通信过程如下:主控制器接收到GPRS 模块送来的控制指令，直接通过串口将控制指令传输给XBee S2 协调器，协调器按照ZigBee 协议将控制指令通过ZigBee 无线网络传输给XBee S2 终端节点设备，终端节点设备再经串口将控制指令下发给分控制器。 这样主控制器与分控制器之间就通过ZigBee 无线网络建立了一条无线传输通道。

3.4 光源驱动电路设计

LED 属恒流器件，驱动电源需输出三路恒流分别对三基色LED 光源供电，以便调节PWM 占空比得到理想的光源色温输出。 光源采用暖白光、绿光、冷白光三色LED 混合光源，故需要3 组独立的驱动电源，同时驱动电源需支持PWM 调光功能。 本文选择PT4115 驱动芯片，支持PWM 信号控制方式，同时能够提供恒流驱动[16]。 设计的驱动电路如图6 所示。

图6 PT4115 驱动电路

4 系统软件程序设计

4.1 下位机色温调节程序设计

采用Arduino 专用的Arduino IDE 软件对分控制器进行色温调节程序设计。 控制指令来源于上位机的计算值，并通过串口发送。 分控制器串口接收的控制指令是一串以英文逗号字符分隔的数字，例如255，100，158，代表三路不同的PWM 占空比信号，设计的程序通过识别逗号分隔符以数组存储方式将三路占空比信号独立分开并经引脚9、10、11 输出PWM 信号控制LED 驱动电路。

色温调节程序设计过程中，需用到串口波特率设置函数Serial.begin(9600)；串口通道信息读取函数Serial.read()；模拟值(PWM 信号)输出函数analogWrite()；引脚输出指定函数pinMode()等，色温调节程序流程框图如图7 所示。

图7 色温调节程序流程框图

4.2 上位机控制平台设计

上位机控制平台采用LabVIEW 软件进行界面开发[17]，主要由系统登录子程序、LabVIEW TCP/IP通信传输子程序、LED 光色动态可调子程序、隧道不同路段光色调节子程序组成。

4.2.1 系统登录子程序

系统登录子程序作为用户与控制平台的桥梁，具有十分重要的安全意义。 程序中包括用户名、登录密码选项，用户只有输入正确信息，才有权限进行控制平台的操作，同时该程序还有修改密码选项，十分便捷。 系统登录子程序框图如图8 所示。

图8 系统登录子程序框图

4.2.2 LabVIEW TCP/IP 通信传输子程序

上位机LabVIEW 软件与GPRS 模块之间采用TCP/IP 协议相互通信。 LabVIEW TCP/IP 通信传输子程序框图如图9 所示。

图9 LabVIEW TCP/IP 通信传输子程序框图

4.2.3 LED 光色动态可调子程序

LED 光色动态可调子程序是根据第2 节推导出的计算模型开发的，通过公式数学→脚本与公式→公式，将计算模型进行图形化编程。 图10 所示为LED 光色动态可调子程序框图。

图10 LED 光色动态可调子程序框图

4.2.4 隧道不同路段亮度调节子程序

隧道一般分为入口段、过渡段、中间段、出口段，每一段都有其对应的照明亮度标准，根据隧道照明设计细则[18]，开发了根据洞外亮度可调节的隧道不同路段亮度调节子程序。 图11 所示为隧道不同路段亮度调节子程序框图。

图11 隧道不同路段亮度调节子程序框图

4.2.5 控制平台程序

将LED 光色动态可调子程序、TCP/IP 通信传输子程序、隧道不同路段亮度调节子VI 合并，搭建上位机控制平台。 图12 所示为控制平台程序框图。

图12 控制平台程序框图

4.2.6 上位机控制平台界面

图13 所示为控制平台的登录界面。

图13 登录界面

图14 所示为由LED 光色动态可调子程序生成的PWM 占空比计算界面。 通过该界面，在LED 三基色光源参数已知的情况下，只要将光源基础参数设定好，并给出混合白光目标色温及目标光通量，便可在线实时计算出所需的三路独立PWM 占空比信号。

图14 PWM 占空比计算界面

将LED 光色动态可调子程序、TCP/IP 通信子程序、隧道不同路段亮度调节子程序合并，组成LED 光色动态可调隧道照明控制平台界面，如图15所示。 该控制平台可根据隧道洞外的亮度和天气情况设置色温值和亮度值，进而控制下位机实现LED光色调节。

图15 隧道照明控制平台界面

5 模拟实验平台效果验证

为验证系统的可行性，根据上述内容，在实验室将上位机控制平台和下位机软硬件系统进行搭建，重点对LED 光色动态调节这一重要功能在隧道中的实际应用效果进行测试。 采用12 盏由暖白光、绿光、冷白光3 种光源混合的LED 灯具作为模拟测试光源，具体的灯具分布情况如表2 所示。

表2 灯具分布情况

从表2 中可看出，其中入口段2 盏为TH1 和TH2 两段各分布一盏；入口过渡段3 盏为TR1、TR2、TR3 三段各分布一盏；中间段2 盏；出口过渡段3 盏为TR1、TR2、TR3 三段各分布一盏，出口段2盏为TH1 和TH2 两段各分布一盏，这样的分布方式实际模拟隧道内顶部安装灯具效果。

各隧道路段采用不同的色温组合方案，其中:入口段和出口段色温随外界环境变化而调节；中间段色温采用渐变色温组合方案，具体的方案组合变化情况如表3 所示，该组合方案反应时间最短，可保证驾驶员快速识别障碍物并且缓解视觉疲劳[5]。

表3 中间段色温组合方案

结合灯具分布情况及色温调节方案，下面对隧道各路段LED 光色动态变化与PWM 控制信号之间的关系进行验证。 根据表2 将隧道不同路段灯具按照实际要求顺序摆好，并与分控制器进行连接。 由上位机通过控制平台发送控制指令，分控制器通过串口接收控制指令，各分控制器独立输出三路PWM控制信号控制相应路段的LED 光源进行光色动态调节。 图16 所示为搭建的照明控制实验平台。

图16 照明控制实验平台

经过各部分之间联合调试，LED 光色动态可调隧道照明控制系统可以稳定、可靠运行。 图17(a)、17(b)所示为系统模拟的照明效果图。 图17(a)为入口段3 000 K、中间段7 500 K、出口段4 000 K 的照明效果图。 效果图一中各色温段对应的占空比数值如表4 所示。

图17 系统实验模拟照明效果图

表4 效果图一各色温段对应占空比

图17(b)为入口段6 500 K、中间段4 500 K、出口段3 000 K 的照明效果图。 效果图二中各色温段对应的占空比数值如表5 所示。

表5 效果图二各色温段对应占空比

根据以上模拟实验可以看出，该系统可通过上位机准确输出PWM 占空比控制信号，实现隧道不同路段照明环境的实时光色动态调节，具有一定的实际应用价值。

6 结语

为提高隧道照明环境的视认性和舒适性，满足人眼视觉需求，解决长期困扰隧道照明的“白洞效应”和“黑洞效应”问题，达到按需照明、有效节能的目的，本文以Arduino 开源平台为核心，设计了一套基于LED 光色动态可调的隧道照明控制系统。 通过搭建模拟实验平台验证得到，设计的ZigBee、GPRS 通信网络可以实现远程无线通信，避免了有线布线的困扰；LED 光色动态调节模型可以很好地指导光源进行光色动态调节，借助LabVIEW 软件准确输出控制指令，实现了隧道内部不同路段照明环境的实时光色动态调节，为隧道照明控制系统的设计提供了一定的参考。