LED隧道照明控制系統的研究與開發

張玲 郝翠霞

(南京工業職業技術學院，江蘇 南京 210046)

1 引言

在山區高速公路建設中，隧道所占比例很大，建成通行后公路隧道用電費用相當驚人。由于偏遠山區經濟欠發達，車流量很小，隧道照明費用已成為高速公路隧道管理部門的一筆沉重負擔，特別在運營的前幾年，征收的通行費還不夠運營養護支出。如何提高隧道的運營效率、降低能源消耗，成為高速公路建設亟待解決的問題。

現有的隧道照明控制大多采用時序控制法，主要通過投退不同的照明回路，以增減工作燈具數量的方式來達到目的。這種控制方法雖然簡單、可靠，但未完全考慮環境因素對隧道照明的影響，如天氣條件、隧道通風狀況、交通量以及車速對照度的要求等，不能完全滿足隧道照明的要求，并且能耗高。隨著半導體照明技術的快速發展，目前高效節能的LED照明燈已越來越多地應用于隧道照明系統中。與傳統的光源相比，LED具有低壓、低功耗、高可靠性、長壽命等優點，是一種符合環保、節能的綠色照明光源。為了進一步發揮LED照明的技術、經濟優勢，在采用LED作為隧道照明時，應注意根據實際情況優化照明設計布燈方案，完善控制策略和控制手段。LED燈的驅動電源可以接受調光控制信號，通過調整輸出電流控制LED燈的光輸出，這一特點使得我們可以通過采用更為完善的控制技術來降低照明能耗，提高系統的技術水平。本文將從完善控制策略的角度提出LED隧道照明控制系統的實現及其應用方案，綜合分析隧道照明的要求及其特點，為大功率LED隧道照明控制系統提供完整的解決方案。

2 系統架構設計

LED隧道照明控制系統主要由監控中心的主控計算機、現場LED隧道照明控制器以及相關通信設備等構成。隧道照明控制器通過現場傳感器采集隧道外照度值、隧道內照度值、車流量、車速等數值，并將數據上傳至監控中心。主控計算機根據規定的調光控制邏輯計算出各隧道、各區段當前的照度參數，再通過通信網絡向各隧道LED照明控制器發出調光控制指令。根據隧道的特點，隧道照明控制包括入口段區域照明控制、過渡段區域照明控制、基本段區域照明控制 (若干)和出口區域照明控制。隧道照明控制器根據接收到的調節命令，自動調整燈具電源的輸出電流 (PWM方式的占空比)，改變LED隧道燈的光通量或者工作狀態。主控計算機通過照度傳感器實時檢測到當前隧道照明的照度，判斷當前的照度是否滿足隧道照明要求，如果不滿足，就下發新的控制命令給LED隧道燈，從而改變隧道的照度。燈具和照明控制器之間，以及燈具和燈具之間的數據傳輸可采用現場總線連接。為了滿足現場實際的控制需要，隧道照明控制器設置有多路輸出接口，最多可同時控制8路輸出。為保證行車安全，調光系統在調節隧道照度時，采用照度漸變控制方式，分步逐級達到目標照度，以避免因照度突然變化而產生不安全因素。

LED隧道照明控制系統的結構如圖1所示。

如圖1所示，隧道照明控制器采集車輛檢測器、照度檢測儀等傳感器的檢測信號，根據預設的照明控制策略，對整個隧道的照明系統進行控制。系統的控制策略如下:正常情況下，在沒有車輛進入隧道時，根據檢測到的洞內外照度差值，在隧道內只開啟相應的基本照明;在車輛檢測器檢測到車輛即將進入隧道時，開啟隧道洞口的加強照明;當檢測到車輛進入隧道后，則將車輛前面一段相應距離的照明加強;一旦檢測到后面無車輛跟進，則將車輛后面的加強照明關閉，并調低基本照明照度。同時根據檢測到的照度值還可判斷晴天、陰天、白天、晚上等時間段數據，從而開啟或關閉相應的照明燈具。

圖1 LED隧道照明控制系統結構示意圖

本系統既可對單個的照明燈進行單控也可對區域照明進行群控，控制策略可隨時根據實際情況進行修正，這樣能節約大量的電能，有效地降低運營成本。此外，根據隧道的安防要求，當發生火災時，本系統還可檢測控制隧道內車行橫洞卷簾門和通風的狀況。

3 系統通信網絡設計

本系統網絡拓撲采用總線結構，通訊方式可選用CAN總線、485總線或Zigbee無線方式，對應于不同類型的LED燈具智能接收控制器接口形式。

LED隧道照明控制系統的拓撲結構如圖2所示。

圖2 系統網絡拓撲結構示意圖

如果LED燈智能接收控制器的接口是RS485總線型的，則可使用隧道照明控制器的RS485模塊，系統接線如圖3所示。

CAN總線和RS485總線的接線方式類似。CAN總線具有完善的通信協議，并且速度優于 RS485，并且CAN網絡中的節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，從而使總線上其他節點的操作不受影響。

圖3 RS485總線照明控制示意圖

采用CAN和RS485總線通信技術進行數據傳輸，都需要專門投資鋪設通訊線路，當數據傳輸總線與LED燈電源線路并行敷設時，會有高壓脈沖耦合侵入，通信質量易受到影響。而 Zigbee是基于IEEE802.15.4協議的一種新興的短距離無線通訊技術，能有效解決以上問題，非常適合在測量節點較多、分散、不要求較高數據傳輸速率的控制領域應用。本系統中的隧道照明控制器配備 Zigbee模塊，能夠簡單快速地進行Zigbee組網。圖4為Zigbee無線網絡照明控制示意圖。

相對于舞臺照明需要場景的快速變化，隧道照明的調光變化較緩慢，因此在通信協議的選擇上采用了更為合適的DALI(Digital Addressable Lighting Interface:數字可尋址照明接口)協議標準。DALI是照明控制設備之間數據通信的接口標準，該技術的最大特點是可對系統內LED燈具獨立尋址并進行精確的控制，盡管這些燈具在強電上是同一個回路或不同回路，但在照明控制上與強電線路無直接的聯系。該技術為控制帶來極大的靈活性，可根據需要設計滿足其需求的照明方案，甚至在安裝結束后的運行過程中仍可修改控制參數，而無須對線路做任何改動。采用DALI標準的系統，功能模塊相對較少，結構簡單，安裝方便，調試也十分便捷，可以實現許多基于回路控制的智能照明控制系統無法實現的功能。

同時，DALI技術是雙向通訊，不僅可以發送控制指令，而且可反饋LED照明控制器及光源的工作狀態和故障信息，這給運營維護和集中管理帶來了極大的便利。DALI協議采用數字照明控制技術，其無可比擬的先進性，精確的控制效果以及技術的標準化和優異的開放性，使得數字照明技術在照明控制領域迅速普及與推廣，而運用數字照明也正成為一種設計潮流和應用趨勢。

圖4 Zigbee無線網絡照明控制示意圖

4 LED隧道燈智能控制單元

在LED隧道照明控制系統中，LED燈智能控制單元是整個照明控制系統的核心，它接收來自隧道照明控制器的控制命令，并控制流過LED的電流，從而達到調光的目的。

以CREE公司Q5芯片為例，單顆芯片額定電流為350mA，控制流過LED的電流大小即可控制其發出的光通量，控制電流可采用以下2種方法:

(1)通過斬波調相控制電流從0～350mA之間連續可調，但采用這種方案需要重新設計開關電源，面對眾多LED廠家的電源，適應性很差，不利于普及推廣。

(2)以各廠家LED燈具電源的額定輸出電流為基準值，采用PWM(Pulse Width Modulation:脈寬調制)的方式控制電源的平均輸出電流從而實現調光控制。

本系統的LED燈調光控制器采用PWM方式調制，光通量0～256級連續可調，可連接于燈具電源和LED模組之間，與照明燈具原有電源無關，根據需要最多可控制6個LED模組。因為無需改變原有燈具電源結構，因而適應性廣，控制精度高，穩定性好。LED燈智能控制單元系統結構如圖5所示。

各LED燈具廠家根據自身燈具的特點對LED燈珠采用串并聯結構，將LED燈珠組合成1個或幾個模塊，在每個模塊內采用串聯結構，模塊間采用并聯結構。LED燈智能控制單元根據接收到的控制命令控制每個模組的PWM調制信號，可實現分組調光或聯合調光。

在PWM調制頻率的選擇上，應考慮在隧道內LED照明燈可能會與其他光源產生差頻效應。隧道內除LED燈外，可能還安裝有高壓鈉燈、熒光燈等，如果頻率過低，差頻后會出現嚴重的頻閃，嚴重時將影響隧道內行車安全。但是如果PWM的調制頻率過高，又會增加開關損耗，導致電源發熱，電源效率降低。根據多次研究測試，將PWM調制信號的頻率選擇在2kHz～10 kHz之間較為合適，本方案選擇的調制頻率為6kHz。

LED燈智能控制單元的關鍵部件為大功率開關器件，可供選擇的開關器件有可控硅、大功率MOS管、晶閘管、IGBT等。可控硅技術成熟、控制簡單，但工作頻率較低，不適合PWM調制應用，而晶閘管、IGBT等通常應用于幾十安以上的大電流場合，因此本方案選擇大功率MOS器件。

根據對大功率MOS器件的失效模型分析，在大于90%的情況下MOS器件的失效均表現為斷路失效，因此為了保證照明控制系統的可靠性，開關器件采用旁路方式，這樣在絕大多數故障情況下，會保持LED燈具全亮，從而保證隧道內行車安全。

測試結果表明，采用PWM調制電源效率高、對供電電源的污染較小。開關電源高壓側電流波形如圖6所示，圖7為電源電流頻譜分析圖。由圖7可知，3次、5次諧波已分別衰減到5.2%、4.3%，說明采用此方案對電源系統的污染很小。

圖5 LED燈智能控制單元系統結構圖

圖6 電源電流波形圖

5 結束語

在實際使用過程中，隧道照明控制系統還應與隧道通風系統、火災報警系統以及環境監測系統互聯，以達到最佳的控制效果。由于隧道的特殊結構，隧道內的煙塵特別多，且不易消散，隧道照明控制系統既要考慮光線的穿透性能，也要考慮由于煙塵反射而造成的亮度損失。而隧道通風則是降低煙霧濃度的有效手段，因此，照明控制和通風控制之間存在一定的聯系，如何使二者統一且節能效果更好，有待進一步探討。當隧道發生火災時，為了緊急救援，如何快速及時打開全部照明，也有待研究。

但無論如何，LED隧道照明控制系統以其良好的控制性能和有效的節能降耗策略，必將在隧道照明系統中得到廣泛的應用，為提高高速公路的運營效率，降低運行成本，提高行車安全性發揮更大的作用。

圖7 電源電流頻譜分析圖

［1］公路隧道通風照明設計規范 ［S］．JTJ026.1～1999

［2］陳仲林．公路隧道照明設計研究 ［J］．中國照明工程年鑒，2008:293～295

［3］路秋生．數字可尋址照明調光控制接口 (DALI)［J］．照明工程學報，2008，19(2):73～75

［4］胡漢才．單片機原理及其接口技術 ［M］．北京:清華大學出版社，2002