基于LED 光色動態可調的隧道照明控制系統研究*

張軍朝，薛 帥，侯 瑞，張欣宇

(1.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西 太原030024；2.山西省電氣傳動及物聯網工程研究中心，山西 太原030024；3.山西省“1331 工程”基于大數據的智慧城市照明數據共享與公共服務平臺工程技術研究中心，山西 太原030024；4.太原理工大學軟件工程學院，山西 太原030024)

隨著高速公路隧道建設事業的不斷推進，隧道數量、總里程一直在持續增長，隧道照明控制系統逐漸成為海內外相關學者競相研究的熱點[1]。 目前，隧道照明控制系統在設計過程中主要考慮人眼視覺、節能與亮度之間的關系，即亮度成為隧道照明兼顧安全性與節能性的主要標準。 文獻[2]考慮洞外亮度、天氣條件、路面干濕情況等外部條件設計了隧道照明智能控制器，通過圖像傳感器、雨水傳感器作為環境采集裝置采集外部條件作為輸入量自動調節亮度輸出，實現了節能。 文獻[3]設計了一種隧道照明閉環反饋智慧控制系統，以照明所需亮度和實際測量亮度為基礎，采用PI 閉環反饋調節方法，實時調節照明系統輸出，在保證實際照明亮度達到要求的同時最大限度地降低了能耗。 文獻[4]提出一種基于閉環回路串行通信結構的LED 隧道燈調光方案，燈節點可通過執行主控制器指令自動生成地址編碼，實現了單燈獨立調光控制，提高了調光靈活性，具有很大的節能潛力。 上述研究都是通過調節亮度的方式達到隧道內部安全節能的目的，設計過程中并未將光源色溫作為一項影響隧道交通安全的指標來融入照明系統。 最新研究表明，光源色溫對駕駛員眼睛的視認性和舒適性具有一定影響，會直接影響人眼的反應時間及對小目標的可見度值[5-6]。 將色溫作為隧道光環境的一項指標用于指導照明控制系統的設計，具有非常重要的意義。

文獻[7]設計的隧道照明控制系統可根據太陽的位置、季節、天氣等情況通過模糊控制算法自動調節光源的亮度和色溫，實現隧道的最精確照明，但該系統缺乏一個精準的色溫調節指導模型，色溫與亮度采用分級調節方式，不能實現動態調節。 文獻[8]設計的隧道智慧照明控制系統利用洞外檢測模塊檢測洞外的光照、色溫等環境參數，并實時輸出光照需求值，在保證駕駛員行車安全的前提下，降低了隧道的能耗，提高了人眼舒適性。 但LED 調光采用電壓線性調光方式，存在色溫偏移，同時色溫調節采用冷暖白光結合方法，在顯色性上沒有優勢。

針對上述問題，本文基于LED 光源將色溫動態調節這一理念引入隧道照明系統中，設計了一套基于LED 光色動態可調的隧道照明控制系統。 采用LED 三基色光源作為照明燈具，結合PWM 調光技術，推導出三通道PWM 調光的光色動態調節模型，并從硬件和軟件的角度給出系統的設計方案，最后進行實驗模擬。

1 隧道照明系統總體架構

基于LED 光色動態可調的隧道照明控制系統包括上位機控制平臺、GPRS 遠程通信網絡、主控制器、ZigBee 無線通信網絡、分控制器、LED 燈組6 部分。 系統總體架構如圖1 所示。

圖1 隧道照明控制系統總體架構

下面對圖1 中各部分的功能進行具體闡述:

(1)上位機控制平臺:在具有固定IP 地址的上位機上，基于LabVIEW 軟件開發隧道照明控制平臺，包括LED 光色動態調節子程序、LabVIEW TCP/IP 通信傳輸子程序、隧道不同路段亮度調節子程序等。 控制平臺通過洞外環境條件，設置不同路段的色溫值和亮度值，經上位機計算出占空比，傳輸到GPRS 通信模塊。

(2)GPRS 遠程通信網絡:由GPRS 通信模塊組成。 通過GPRS 公網遠程訪問具有固定IP 地址的上位機，采用TCP/IP 協議與上位機進行遠距離無線通信，負責接收上位機發送的控制指令，然后發送至主控制器。

(3)主控制器:隧道照明控制系統的核心部分，負責對GPRS 模塊發送的數據進行轉換，并通過串口發送給ZigBee 協調器。

(4)ZigBee 無線通信網絡:采用星型網絡結構，主控制器端配置一個ZigBee 協調器，每個LED 燈具配置一個ZigBee 終端節點，即一對多的通信方式。主控制器將控制指令通過ZigBee 網絡下達到分控制器中。 星型網絡適用于短隧道，當實際隧道為長隧道、特長隧道時，可采用樹狀網絡結構或者網狀網絡結構進行ZigBee 無線網絡搭建，在星型網絡結構中增加多個ZigBee 路由器即可實現。 本文以短隧道ZigBee 星型無線網絡為例進行說明。

(5)分控制器:一方面通過串口經ZigBee 無線通信網絡接收主控制器的信息，一方面根據接收的信息輸出三路獨立的PWM 控制信號控制LED 驅動電源，對LED 燈組進行色溫和光通量的調節。

(6)LED 燈組:LED 光源采用三色LED

混合光源，由暖白光(ww)、綠光(g)、冷白光(cw)混合而成；具有PWM 調光功能的LED 驅動電源。

2 LED 光色動態調節模型

在1931 CIE-XYZ 標準色度系統中，對于LED三基色的混光模型，混合光可實現的光色調節區域是由3 種顏色構成的三角形區域[9]。 以暖白光(ww)、綠光(g)、冷白光(cw)為三基色，推導出三通道PWM 調光的光色動態調節模型。 通過這個模型，理論上只要給出混合白光目標色溫值及光通量值，便可計算得到驅動三基色光源的三通道PWM占空比，進而通過控制硬件電路實現LED 光色動態連續可調。

采用CREE-XRE(美國科稅)公司生產的暖白、綠、冷白三色LED 燈珠制作實驗光源，功率都為1W。 使用杭州創惠公司的CMS-3000S 高精度光譜分析儀測量三色LED 在額定電流工作狀態下的光色度學參數，參數如表1 所示。

表1 LED 三基色的光色電參數

1931 CIE-XYZ 色度圖中按表1 中的坐標進行繪圖，三色基礎光源調色范圍如圖2 所示。

圖2 LED 三基色混光范圍

從圖2 可看出由暖白、綠、冷白三色光源圍成的三角形區域可將黑體軌跡線上正常白光段覆蓋，理論上可實現色溫可調的白光。 設混合白光的相關色溫為T，色品坐標為(xw，yw)，光通量為Фw，三刺激值為(Xw，Yw，Zw)，使用的3 種LED 基礎光源的色品坐標分別為暖白光(xww，yww)、綠光(xg，yg)、冷白光(xcw，ycw)，光通量分別為Фww、Фg、Фcw，三刺激值分別為(Xww，Yww，Zww)，(Xg，Yg，Zg)、(Xcw，Ycw，Zcw)。

2.1 混合白光相關色溫與色品坐標的關系

在照明控制系統中，混合白光的相關色溫T 是隨機給出的，需要根據相關色溫T 計算色品坐標。采用黑體軌跡的Chebyshev 法來根據混合白光色溫值確定相應的色品坐標[10]:

在式(1)、式(2)中，計算得到的坐標(u，v)是1960 CIE-UCS 色度圖中的坐標，需根據式(3)、式(4)將坐標(u，v)轉換成1931 CIE-XYZ 色度圖中的色品坐標(x，y)形式，然后進行后續計算:

2.2 混合白光色品坐標與PWM 占空比的關系

在LED 混光中，混合光的光通量為LED 在額定電流下的光通量與對應PWM 占空比的線性組合[11]，即:

在1931 CIE-XYZ 標準色度系統下，根據CIEXYZ 和CIE-xyY 兩個色彩空間的數值轉換關系[12]，可得出混合白光三刺激值與三色基礎光源三刺激值的關系為:

1931 CIE-XYZ 標準規定，X、Z 兩個量只代表色度，沒有亮度，但其數值與色品坐標成比例關系。光通量Ф 與三刺激值Y 相等[13]，則三色基礎光源三刺激值可表示為:

根據式(14) ～式(16)可知，在三基色色品坐標、光通量已知的情況下，只要給出混合白光的相關色溫以及期望光通量，便可得出三基色的電氣占空比。

3 系統硬件結構設計

3.1 主控制器與分控制器選型

主控制器選用Arduino 系列開發板中的Arduino Mega2560 模塊。 該模塊集成4 路通信串口，具體引腳分布為:引腳0(RX)和引腳1(TX)、引腳15(RX)和引腳14(TX)、引腳17(RX)和引腳16(TX)、引腳19(RX)和引腳18(TX)。 4 路串口可完全保證主控制器與GPRS 通信模塊、ZigBee 協調器通信使用。

分控制器采用Arduino 系列開發板中的Arduino UNO 模塊。 該模塊集成1 路通信串口，即引腳0(RX)和引腳1(TX)，用于分控制器接收控制指令[14]，同時模塊的3 個數字引腳9、10、11 用于輸出三路獨立的PWM 占空比信號。

3.2 GPRS 通信網絡設計與實現

GPRS 通信模塊選用SIM900 GSM/GPRS 擴展板。 GPRS 通信模塊與主控制器之間通過串口進行數據傳輸，連接方式為:首先將GPRS 通信模塊與主控制器之間的地和電源引腳連接，其次將主控制器的引腳19(RX)和引腳18(TX)組成的串口與GPRS模塊的串口TXD、RXD 引腳相連，這樣通過GPRS模塊實現主控制器與上位機控制平臺之間的無線通信，圖3 所示為連線示意圖。

圖3 主控制器與GPRS 模塊連線示意圖

由于GPRS 通信模塊已內置TCP/IP 協議，因此主控制器只需使用AT 指令便可訪問GPRS 通信模塊，并進行數據接收[15]。 兩個模塊在上電或復位工作后，首先要進行串口通信波特率設置，系統將波特率設置為9 600 bit/s，編程設置語句為Serial.begin(9600)。 串口波特率設置完成后，需要激活GPRS模塊相關功能，即可實現GPRS 模塊與主控制器的串口通信。

3.3 ZigBee 無線通信網絡設計與實現

選用的ZigBee 模塊具體型號為XBee S2。 XBee S2 模塊與Arduino 模塊之間皆采用串口通信方式，具體為串口transparent 操作模式。 XBee S2 模塊作為協調器與主控制器的串口連接示意圖如4 所示。

圖4 協調器與主控制器連接示意圖

XBee S2 模塊作為終端節點設備與分控制器串口的連接示意圖如圖5 所示。

圖5 終端節點設備與分控制器連接示意圖

具體通信過程如下:主控制器接收到GPRS 模塊送來的控制指令，直接通過串口將控制指令傳輸給XBee S2 協調器，協調器按照ZigBee 協議將控制指令通過ZigBee 無線網絡傳輸給XBee S2 終端節點設備，終端節點設備再經串口將控制指令下發給分控制器。 這樣主控制器與分控制器之間就通過ZigBee 無線網絡建立了一條無線傳輸通道。

3.4 光源驅動電路設計

LED 屬恒流器件，驅動電源需輸出三路恒流分別對三基色LED 光源供電，以便調節PWM 占空比得到理想的光源色溫輸出。 光源采用暖白光、綠光、冷白光三色LED 混合光源，故需要3 組獨立的驅動電源，同時驅動電源需支持PWM 調光功能。 本文選擇PT4115 驅動芯片，支持PWM 信號控制方式，同時能夠提供恒流驅動[16]。 設計的驅動電路如圖6 所示。

圖6 PT4115 驅動電路

4 系統軟件程序設計

4.1 下位機色溫調節程序設計

采用Arduino 專用的Arduino IDE 軟件對分控制器進行色溫調節程序設計。 控制指令來源于上位機的計算值，并通過串口發送。 分控制器串口接收的控制指令是一串以英文逗號字符分隔的數字，例如255，100，158，代表三路不同的PWM 占空比信號，設計的程序通過識別逗號分隔符以數組存儲方式將三路占空比信號獨立分開并經引腳9、10、11 輸出PWM 信號控制LED 驅動電路。

色溫調節程序設計過程中，需用到串口波特率設置函數Serial.begin(9600)；串口通道信息讀取函數Serial.read()；模擬值(PWM 信號)輸出函數analogWrite()；引腳輸出指定函數pinMode()等，色溫調節程序流程框圖如圖7 所示。

圖7 色溫調節程序流程框圖

4.2 上位機控制平臺設計

上位機控制平臺采用LabVIEW 軟件進行界面開發[17]，主要由系統登錄子程序、LabVIEW TCP/IP通信傳輸子程序、LED 光色動態可調子程序、隧道不同路段光色調節子程序組成。

4.2.1 系統登錄子程序

系統登錄子程序作為用戶與控制平臺的橋梁，具有十分重要的安全意義。 程序中包括用戶名、登錄密碼選項，用戶只有輸入正確信息，才有權限進行控制平臺的操作，同時該程序還有修改密碼選項，十分便捷。 系統登錄子程序框圖如圖8 所示。

圖8 系統登錄子程序框圖

4.2.2 LabVIEW TCP/IP 通信傳輸子程序

上位機LabVIEW 軟件與GPRS 模塊之間采用TCP/IP 協議相互通信。 LabVIEW TCP/IP 通信傳輸子程序框圖如圖9 所示。

圖9 LabVIEW TCP/IP 通信傳輸子程序框圖

4.2.3 LED 光色動態可調子程序

LED 光色動態可調子程序是根據第2 節推導出的計算模型開發的，通過公式數學→腳本與公式→公式，將計算模型進行圖形化編程。 圖10 所示為LED 光色動態可調子程序框圖。

圖10 LED 光色動態可調子程序框圖

4.2.4 隧道不同路段亮度調節子程序

隧道一般分為入口段、過渡段、中間段、出口段，每一段都有其對應的照明亮度標準，根據隧道照明設計細則[18]，開發了根據洞外亮度可調節的隧道不同路段亮度調節子程序。 圖11 所示為隧道不同路段亮度調節子程序框圖。

圖11 隧道不同路段亮度調節子程序框圖

4.2.5 控制平臺程序

將LED 光色動態可調子程序、TCP/IP 通信傳輸子程序、隧道不同路段亮度調節子VI 合并，搭建上位機控制平臺。 圖12 所示為控制平臺程序框圖。

圖12 控制平臺程序框圖

4.2.6 上位機控制平臺界面

圖13 所示為控制平臺的登錄界面。

圖13 登錄界面

圖14 所示為由LED 光色動態可調子程序生成的PWM 占空比計算界面。 通過該界面，在LED 三基色光源參數已知的情況下，只要將光源基礎參數設定好，并給出混合白光目標色溫及目標光通量，便可在線實時計算出所需的三路獨立PWM 占空比信號。

圖14 PWM 占空比計算界面

將LED 光色動態可調子程序、TCP/IP 通信子程序、隧道不同路段亮度調節子程序合并，組成LED 光色動態可調隧道照明控制平臺界面，如圖15所示。 該控制平臺可根據隧道洞外的亮度和天氣情況設置色溫值和亮度值，進而控制下位機實現LED光色調節。

圖15 隧道照明控制平臺界面

5 模擬實驗平臺效果驗證

為驗證系統的可行性，根據上述內容，在實驗室將上位機控制平臺和下位機軟硬件系統進行搭建，重點對LED 光色動態調節這一重要功能在隧道中的實際應用效果進行測試。 采用12 盞由暖白光、綠光、冷白光3 種光源混合的LED 燈具作為模擬測試光源，具體的燈具分布情況如表2 所示。

表2 燈具分布情況

從表2 中可看出，其中入口段2 盞為TH1 和TH2 兩段各分布一盞；入口過渡段3 盞為TR1、TR2、TR3 三段各分布一盞；中間段2 盞；出口過渡段3 盞為TR1、TR2、TR3 三段各分布一盞，出口段2盞為TH1 和TH2 兩段各分布一盞，這樣的分布方式實際模擬隧道內頂部安裝燈具效果。

各隧道路段采用不同的色溫組合方案，其中:入口段和出口段色溫隨外界環境變化而調節；中間段色溫采用漸變色溫組合方案，具體的方案組合變化情況如表3 所示，該組合方案反應時間最短，可保證駕駛員快速識別障礙物并且緩解視覺疲勞[5]。

表3 中間段色溫組合方案

結合燈具分布情況及色溫調節方案，下面對隧道各路段LED 光色動態變化與PWM 控制信號之間的關系進行驗證。 根據表2 將隧道不同路段燈具按照實際要求順序擺好，并與分控制器進行連接。 由上位機通過控制平臺發送控制指令，分控制器通過串口接收控制指令，各分控制器獨立輸出三路PWM控制信號控制相應路段的LED 光源進行光色動態調節。 圖16 所示為搭建的照明控制實驗平臺。

圖16 照明控制實驗平臺

經過各部分之間聯合調試，LED 光色動態可調隧道照明控制系統可以穩定、可靠運行。 圖17(a)、17(b)所示為系統模擬的照明效果圖。 圖17(a)為入口段3 000 K、中間段7 500 K、出口段4 000 K 的照明效果圖。 效果圖一中各色溫段對應的占空比數值如表4 所示。

圖17 系統實驗模擬照明效果圖

表4 效果圖一各色溫段對應占空比

圖17(b)為入口段6 500 K、中間段4 500 K、出口段3 000 K 的照明效果圖。 效果圖二中各色溫段對應的占空比數值如表5 所示。

表5 效果圖二各色溫段對應占空比

根據以上模擬實驗可以看出，該系統可通過上位機準確輸出PWM 占空比控制信號，實現隧道不同路段照明環境的實時光色動態調節，具有一定的實際應用價值。

6 結語

為提高隧道照明環境的視認性和舒適性，滿足人眼視覺需求，解決長期困擾隧道照明的“白洞效應”和“黑洞效應”問題，達到按需照明、有效節能的目的，本文以Arduino 開源平臺為核心，設計了一套基于LED 光色動態可調的隧道照明控制系統。 通過搭建模擬實驗平臺驗證得到，設計的ZigBee、GPRS 通信網絡可以實現遠程無線通信，避免了有線布線的困擾；LED 光色動態調節模型可以很好地指導光源進行光色動態調節，借助LabVIEW 軟件準確輸出控制指令，實現了隧道內部不同路段照明環境的實時光色動態調節，為隧道照明控制系統的設計提供了一定的參考。