基于Zigbee的智能LED隧道照明系统设计

杜国宪

[摘    要]近年来，随着经济的发展，给道路交通带来了巨大的压力。隧道工程能有效地缓解道路交通的现状，促进我国经济发展。正是由于隧道工程的重要性，我国近些年加大了在该工程中的资金投入。在隧道工程中照明系统是隧道建设的关键一环，因此也逐渐成为当下研究的热门领域。鉴于此，基于Zigbee技术对智能LED隧道照明系统进行了设计。

[关键词]Zigbee技术;隧道照明系统;智能LED

[中图分类号]TM923.34 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）04–00–02

Design of Intelligent LED Tunnel Lighting System Based on Zigbee

Du Guo-xian

[Abstract]In recent years， with the development of my country's economy， it has brought tremendous pressure to my country's road traffic， and tunnel engineering can effectively alleviate the current situation of road traffic and promote the development of my country's economy. It is precisely because of the importance of the tunnel project that my country has increased its capital investment in the project in recent years. In the tunnel engineering， the lighting system is a key part of the tunnel construction， so it has gradually become a hot field of current research. In view of this， the intelligent LED tunnel lighting system is designed based on Zigbee technology.

[Keywords]Zigbee technology; tunnel lighting system; smart LED

隧道工程的建設能有效地缓解我国道路交通的压力，对于我国经济的快速发展具有重要作用。隧道照明系统是隧道过程中非常重要的一环，在我国逐渐受到重视。随着我国隧道工程的增加，交通事故的数量也不断提升，因此，需要设计一套安全、稳定且节能的智能照明系统。

1 Zigbee技术分析

该项技术是一种无线通信技术，具有低成本、低功耗的技术优势。该技术的出现定义了一种新的通信标准，制定了短距离无线通信的通信协议，其数据传输速率最高可达250 kbps。近些年来，该技术在我国多个领域得到了广泛的应用。通过对该项技术的了解与分析，可以发现该项技术的技术特征符合隧道照明系统的网络搭建需求，因此本文基于Zigbee无线通信技术，对隧道智能照明系统进行设计。

2 智能LED隧道照明系统基于Zigbee技术的设计方法

2.1 在Zigbee无线模块基础上LED灯具设计

LED光源相比于其他光源，亮度的调节区间较大，能从0到100%之间进行任意调控，而LED灯的任何亮度值都不会对使用寿命造成影响，同时光源亮度的调节方式也相对简单。LED灯具正是凭借其技术优势，逐渐取代其他光源成为了隧道系统的主要光源。目前，我国隧道照明系统已经开始大量使用LED灯具，但是由于之前的布线和控制系统都是针对其他光源进行设计的，现在改用LED灯具并不能充分发挥出自身的优势。因此，本文针对这一问题对LED灯具进行设计，从而提高其易控性。

半导体需要使用直流电，为了使LED灯具正常使用就需要对市电进行处理。①使用EMI滤波器对市电电流进行整流从而将交流电转变为直流电;②经过功率校正模块来提高电源的功率，减少谐波对线路的干扰。在灯具中增加无线通信模块，使隧道照明系统中的灯具组建成一个整体的无线网络，只需要一个控制器，就可以实现对所有LED灯具的控制，同时增加PWM模块可以实现对LED灯具亮度的调节。

2.2 智能LED隧道照明系统传感器采集模块设计

照明系统的传感器采集模块也是非常重要的一部分，采集模块可以实现对隧道外部光亮、内部车流量以及车速等数据信息进行采集。本文采集模块的设计如图1所示。

采集模块可以为隧道照明控制系统提供必要的输入参数，并根据这些参数实现对照明系统的智能控制。采集模块会同时采集到模拟信号与数字信号，而微控制器不能对模拟信号进行有效识别，只能处理数字信号。这时就需要对采集到的数据信号进行处理，采用A/D转换设备对模拟信号进行处理，以便能被微控制器进行接收与传输。采用STM32微控制器，对传感器所采集到的数据信息进行处理，并将处理后的数据通过Zigbee技术进行收发。STM32芯片能充分发挥出采集模块的功效，保证无线通信衔接的流畅性。

2.3 智能LED隧道照明系统分段控制模块设计

分段控制模块的主要功能是与分段区域内所有LED灯具以及其他传感器进行数据交互。也就是说将传感器采集到的数据信息传输给控制器，再将控制器的指令传递给LED灯具，从而实现对光源的智能调控。当隧道内照明灯具出现故障时，维修人员可以通过遥控来使故障区域的灯具断电，在进行维修的同时也不会影响隧道的正常使用。

2.4 智能LED隧道照明系统路由节点设计

2.4.1 总体功能设计

在整个隧道照明系统中，路由节点的主要作用是数据信息的采集、新设备的入网、数据信息的收发以及对LED灯具的调节，其总体功能如图2所示。

2.4.2 初始化与任务处理函数

照明系统中的路由节点需要具备4种功能，在实际设计时需要在Zstack协议栈的应用层中增加相应的处理函数，从而使路由节点可以实现上述4种功能。处理函数的主要作用是对触发任务的事件进行处理，有时一个任务可能包含多个事件，这时就需要对结点中的对应函数事件进行相应地处理，在处理函数设计上可以根据隧道照明系统的实际需求进行添加，满足照明系统的实际需求。

2.4.3 程序设计

路由节点的工作流程如图3所示。

（1）进行系统的初始化并对自身的相关配置参数进行读取，从而将其配置成路由器节点。

（2）启动操作系统，开始创建任务类别并对其进行优先级设置。同时在系统中建立無线网络，该网络也就是LED灯具未来需要加入的网络，该网络一直处于信号等待的状态，也就是空任务运行。当网络收到请求信号时，则将其加入到网络中，并根据需求进行任务挂起，当绑定完成后，网络继续处于信号等待状态，同时继续运行空任务。

（3）当路由器节点接收到调控器所发出的控制信号后，照明系统中的采集模块就开始对外部的数据信息进行采集，路由节点会将采集到的数据信息传送给控制器，控制器对数据分析后会产生不同占空比的PWM波形，该波形可以驱动电路发出指定的电流信号，从而实现对LED灯具的亮度控制，完成照明系统的智能调光。

2.5 智能LED隧道照明系统协调节点总体功能设计

设计的协调节点功能主要包含4点：无线组网、串口控制、故障监测及数据收发，如图4所示。

2.6 智能LED隧道照明系统控制管理模块设计

照明系统的控制管理模块可以实现LED灯具的3种不同照明方式，分别为定时照明、智能调光以及恒照明模式。隧道照明系统管理人员可以在管理界面中对这三种不同的照明方式按不同的分区进行选择。如使用恒照明模式，开启该模式的灯光区域会持续点亮，同时光源亮度并不会随着外界亮度的变化而改变。通常这种照明方式用于隧道的检修工作，可以为检修人员提供充足的光源。智能调光模式，选择该模式的灯光区域，其亮度会根据隧道内外的参数信息进行自动调节，减少对电力资源的消耗。智能调光模式也是隧道照明控制系统最主要的照明方式，可以达到节能的目的。定时照明模式，照明系统管理人员可以对选定区域内光源的照明时间进行设定，选定区域内的照明模式依然使用智能调光模式，只不过当到达指定时间后选定区域内的光源将会自动关闭，这种控制模式一般适用于一些定时开放的隧道，在满足隧道使用需求的同时达到节能的效果。

3 结束语

近年来，我国的隧道工程不断增加，隧道照明系统是其中非常重要的一环。目前我国的隧道照明系统存在着许多缺点，如节能效果差、维护成本高以及智能程度较低等。因此，基于Zigbee无线通信技术进行隧道的智能控制系统设计，在光源选择上采用新一代的LED光源，在满足设计需求的同时实现节能的目的。

参考文献

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