隧道智能照明遠程監控系統的設計與實現

古鑫蕤

摘 要：文章首先分析了我國隧道智能照明發展情況，提出構建一種基于Zigbee的智能LED隧道照明遠程監控系統，其次就此智能照明遠程監控系統的設計、實現與驗證展開了具體分析，明確了此系統在滿足照明需求的同時，具有顯著的節能降耗效果，可供參考。

關鍵詞：LED燈 Zigbee通信技術 遠程監控系統

1.我國隧道智能照明發展情況

我國隧道照明系統發展較晚，在20世紀90年代初僅僅是停留在在隧道中安裝簡單照明設施的階段，但在我國隧道建設事業的高速發展的背景下，智慧照明時代也隨之到來，早期傳統型隧道智能照明控制（見圖1），打破了傳統手控格局，但此種智能控制過程是相對復雜的、控制范圍小，在自動化和安全舒適性上需要更進一步。

基于物聯網技術的發展，智能照明遠程監控系統成為可能，物聯網無線通信技術眾多，包括Zigbee、WiFi、藍牙、Z-wave等等，其中Zigbee技術具有低復雜度、低功耗、低速率、短延遲、低成本、大容量等特點，完全符合隧道照明系統搭建網絡的需求。因此，文章提出一種基于Zigbee的智能LED隧道照明遠程監控系統，與早期傳統型隧道智能照明控制系統相比，此系統無需鋪設控制線、通信速率較高可達到250Kbps、區域控制器安裝位置可隨意指定，所需數量較少，由此在滿足隧道照明要求、保證安全行駛的同時，還能實現合理節能，切實滿足隧道安全、高效、綠色運營要求。

2.隧道智能照明遠程監控系統的設計

2.1隧道智能照明遠程監控系統功能需求

（1）無線通信：隧道智能照明遠程監控系統通過無線接收下位機發送的指令、信號，并利用無線通信向調光控制器發送調光指令、向照度采集裝置發送指令。

（2）數據處理：根據洞內亮度、車速、車流量等數據的分析處理結果，通過ZigBee通信模塊發送控制命令給照明監控終端，實現對照明系統的遠程智能控制。

（3）人機交互：可實時顯示隧道各個路段環境參數，提供數據查詢、存儲以及圖表輸出等功能，可輔助管理者決策。

（4）運營模式選擇：隧道智能照明遠程監控系統需具備3種運營模式：自動控制、手動控制、定時控制，以應對不同的隧道運營情況。

2.2隧道智能照明遠程監控系統總體結構

隧道隧道照明系統主要包括中間段照明、入口段照明、過渡段照明（進口、出口）、出口段照明，不同區段的亮度、車速、車流量等因素均存在差異，因此為兼顧行車安全與節能，需分路段調節LED燈亮度，并對每隔路段的照明設備運行情況進行監視。

隧道智能照明遠程監控系統主要分為了4大模塊：（1）環境參數檢測模塊，具體檢測參數包括：洞內外亮度、洞內外煙霧濃度以及車流量、平均車速；（2）ZigBee無線通訊模塊，上傳環境數據；（3）LED照明監控終端：根據控制系統指令調節LED燈運行狀態；（4）LED隧道燈服務器控制系統：接收、處理各路段環境參數，發送命令至照明監控終端，實現對LED燈亮度的實時調控。

由于隧道是一個線性工程，存在諸多無線網絡節點，本系統中ZigBee組網采用簇樹拓撲結構，無線模塊包括3類設備：（1）中心節點：負責網絡創建、數據傳輸、控制；（2）路由節點：負責數據轉發，可延長無線通信距離；（3）終端設備：負責上傳環境參數、接受命令。在無線通訊模塊中，當終端節點通過路由節點組網失敗，會自動尋找其他路由節點組網，實現了大面積通訊，后期維護更為便利。

2.3隧道智能照明遠程監控系統設計

2.3.1硬件設計

如圖2所示為嵌入式服務器硬件框圖。

本服務器系統主控芯片選用的是Samsung ARM11處理器S3C6410芯片，采用了64/32位內部總線架構，由AXI、AHB和APB總線組成，可運行至667MHz，系統配有以太網卡DM9000；系統人機交互接口配有7寸tft液晶屏；ZigBee無線通訊模塊采用TI Zigbee SOC CC2430芯片。

2.3.2軟件設計

本系統采用QT多線程編程，主線程、次線程分別負責制定自動控制模式控制策略與無線數據實時通訊。本系統控制方式包括3種：手動、自動、定時控制，手動控制主要用于設備的安裝與日常維護；自動控制用于各路段LED燈亮度調節；定時控制則按時間段單獨控制各路段照明。

服務器控制系統接入電源，初始化各模塊，ZigBee無線通信模塊組網，隧道各節點入網，載入相關參數、配置，間隔1min讀取環境參數，判斷隧道照明是否正常，若發現異常則會立即報警；若未發現異常，則會判斷系統處于何種控制模式下，手動控制模式只采集信息，不下發調節命令；定時控制模式，比較當前時間決定是否控制；自動模式，根據信息分析處理結果，下發命令至LED照明監控終端進行自動調節。隧道燈服務器控制系統程序流程如下：首先初始化系統各個模塊，每隔1min采集車輛以及洞內外亮度信息，然后檢測隧道狀態是否正常，不正常則報警，正常即檢測系統是哪種狀態，可定時控制LED隧道燈亮度，或通過自動控制，根據當前車輛信息、洞內外亮度信息制定策略，以此控制LED隧道燈亮度。

3.系統實現與驗證

為驗證本隧道智能照明遠程監控系統的節能效果，根據上述框架搭建測試平臺，采用50W單盞LED燈充當隧道照明燈，通過程序切換輪流進行隧道各分段照明，每分段運行1min，一個周期為8min。

假設隧道運行狀態下，白天、夜晚洞外亮度分別為300～3000cd/m2。車流量設4個狀態隨機變化：①N=0；②01000。車輛通過速度設3個數值隨機變化：①60km/h；②80km/ h；③100km/h。

現設置3種隧道照明控制方案：

（1）方案一：傳統照明，即隧道各分段照明功率恒定，按洞外亮度3000cd/m2、車流量100

（2）方案二：白天采用隧道智能照明遠程監控系統控制（自動控制模式），隧道各分段照明明功根據洞外亮度、車流量、車輛通過速度實時變化；

（3）方案三：夜晚采用隧道智能照明遠程監控系統控制（定時控制模式），此時間段洞外亮度一直，因此可直接采用定時控制模式。

上述3種方案分別模擬運行8h，得到耗電量分別為0.071度、0.044度、0.019度，方案二、三分別節省電能38%、73%，節能效果顯著。

4.結束語

綜上所述，隧道智能照明已成為了現代隧道建設中不可或缺的一項關鍵系統，逐漸增多的隧道交通安全事故與巨大的隧道照明成本對隧道智能照明控制提出了更高的要求，文章基于物聯網時代下展開隧道智能照明遠程監控系統的研究，提出了一種基于Zigbee的智能LED隧道照明遠程監控系統，滿足了隧道照明的安全、穩定、節能要求，為我國交通事業健康、穩定發展提供了重要的技術支持。

參考文獻：

[1]洪細旋.LED隧道照明智能控制系統[J].機電工程技術，2017（S1）：317-318.

[2]何鵬，董敏娥.基于智能模糊控制的隧道照明系統研究[J].制造業自動化，2009（09）： 107-110.