基于Zigbee的智能LED隧道照明系統設計

杜國憲

[摘? ? 要]近年來，隨著經濟的發展，給道路交通帶來了巨大的壓力。隧道工程能有效地緩解道路交通的現狀，促進我國經濟發展。正是由于隧道工程的重要性，我國近些年加大了在該工程中的資金投入。在隧道工程中照明系統是隧道建設的關鍵一環，因此也逐漸成為當下研究的熱門領域。鑒于此，基于Zigbee技術對智能LED隧道照明系統進行了設計。

[關鍵詞]Zigbee技術;隧道照明系統;智能LED

[中圖分類號]TM923.34 [文獻標志碼]A [文章編號]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緩解我國道路交通的壓力，對于我國經濟的快速發展具有重要作用。隧道照明系統是隧道過程中非常重要的一環，在我國逐漸受到重視。隨著我國隧道工程的增加，交通事故的數量也不斷提升，因此，需要設計一套安全、穩定且節能的智能照明系統。

1 Zigbee技術分析

該項技術是一種無線通信技術，具有低成本、低功耗的技術優勢。該技術的出現定義了一種新的通信標準，制定了短距離無線通信的通信協議，其數據傳輸速率最高可達250 kbps。近些年來，該技術在我國多個領域得到了廣泛的應用。通過對該項技術的了解與分析，可以發現該項技術的技術特征符合隧道照明系統的網絡搭建需求，因此本文基于Zigbee無線通信技術，對隧道智能照明系統進行設計。

2 智能LED隧道照明系統基于Zigbee技術的設計方法

2.1 在Zigbee無線模塊基礎上LED燈具設計

LED光源相比于其他光源，亮度的調節區間較大，能從0到100%之間進行任意調控，而LED燈的任何亮度值都不會對使用壽命造成影響，同時光源亮度的調節方式也相對簡單。LED燈具正是憑借其技術優勢，逐漸取代其他光源成為了隧道系統的主要光源。目前，我國隧道照明系統已經開始大量使用LED燈具，但是由于之前的布線和控制系統都是針對其他光源進行設計的，現在改用LED燈具并不能充分發揮出自身的優勢。因此，本文針對這一問題對LED燈具進行設計，從而提高其易控性。

半導體需要使用直流電，為了使LED燈具正常使用就需要對市電進行處理。①使用EMI濾波器對市電電流進行整流從而將交流電轉變為直流電;②經過功率校正模塊來提高電源的功率，減少諧波對線路的干擾。在燈具中增加無線通信模塊，使隧道照明系統中的燈具組建成一個整體的無線網絡，只需要一個控制器，就可以實現對所有LED燈具的控制，同時增加PWM模塊可以實現對LED燈具亮度的調節。

2.2 智能LED隧道照明系統傳感器采集模塊設計

照明系統的傳感器采集模塊也是非常重要的一部分，采集模塊可以實現對隧道外部光亮、內部車流量以及車速等數據信息進行采集。本文采集模塊的設計如圖1所示。

采集模塊可以為隧道照明控制系統提供必要的輸入參數，并根據這些參數實現對照明系統的智能控制。采集模塊會同時采集到模擬信號與數字信號，而微控制器不能對模擬信號進行有效識別，只能處理數字信號。這時就需要對采集到的數據信號進行處理，采用A/D轉換設備對模擬信號進行處理，以便能被微控制器進行接收與傳輸。采用STM32微控制器，對傳感器所采集到的數據信息進行處理，并將處理后的數據通過Zigbee技術進行收發。STM32芯片能充分發揮出采集模塊的功效，保證無線通信銜接的流暢性。

2.3 智能LED隧道照明系統分段控制模塊設計

分段控制模塊的主要功能是與分段區域內所有LED燈具以及其他傳感器進行數據交互。也就是說將傳感器采集到的數據信息傳輸給控制器，再將控制器的指令傳遞給LED燈具，從而實現對光源的智能調控。當隧道內照明燈具出現故障時，維修人員可以通過遙控來使故障區域的燈具斷電，在進行維修的同時也不會影響隧道的正常使用。

2.4 智能LED隧道照明系統路由節點設計

2.4.1 總體功能設計

在整個隧道照明系統中，路由節點的主要作用是數據信息的采集、新設備的入網、數據信息的收發以及對LED燈具的調節，其總體功能如圖2所示。

2.4.2 初始化與任務處理函數

照明系統中的路由節點需要具備4種功能，在實際設計時需要在Zstack協議棧的應用層中增加相應的處理函數，從而使路由節點可以實現上述4種功能。處理函數的主要作用是對觸發任務的事件進行處理，有時一個任務可能包含多個事件，這時就需要對結點中的對應函數事件進行相應地處理，在處理函數設計上可以根據隧道照明系統的實際需求進行添加，滿足照明系統的實際需求。

2.4.3 程序設計

路由節點的工作流程如圖3所示。

（1）進行系統的初始化并對自身的相關配置參數進行讀取，從而將其配置成路由器節點。

（2）啟動操作系統，開始創建任務類別并對其進行優先級設置。同時在系統中建立無線網絡，該網絡也就是LED燈具未來需要加入的網絡，該網絡一直處于信號等待的狀態，也就是空任務運行。當網絡收到請求信號時，則將其加入到網絡中，并根據需求進行任務掛起，當綁定完成后，網絡繼續處于信號等待狀態，同時繼續運行空任務。

（3）當路由器節點接收到調控器所發出的控制信號后，照明系統中的采集模塊就開始對外部的數據信息進行采集，路由節點會將采集到的數據信息傳送給控制器，控制器對數據分析后會產生不同占空比的PWM波形，該波形可以驅動電路發出指定的電流信號，從而實現對LED燈具的亮度控制，完成照明系統的智能調光。

2.5 智能LED隧道照明系統協調節點總體功能設計

設計的協調節點功能主要包含4點：無線組網、串口控制、故障監測及數據收發，如圖4所示。

2.6 智能LED隧道照明系統控制管理模塊設計

照明系統的控制管理模塊可以實現LED燈具的3種不同照明方式，分別為定時照明、智能調光以及恒照明模式。隧道照明系統管理人員可以在管理界面中對這三種不同的照明方式按不同的分區進行選擇。如使用恒照明模式，開啟該模式的燈光區域會持續點亮，同時光源亮度并不會隨著外界亮度的變化而改變。通常這種照明方式用于隧道的檢修工作，可以為檢修人員提供充足的光源。智能調光模式，選擇該模式的燈光區域，其亮度會根據隧道內外的參數信息進行自動調節，減少對電力資源的消耗。智能調光模式也是隧道照明控制系統最主要的照明方式，可以達到節能的目的。定時照明模式，照明系統管理人員可以對選定區域內光源的照明時間進行設定，選定區域內的照明模式依然使用智能調光模式，只不過當到達指定時間后選定區域內的光源將會自動關閉，這種控制模式一般適用于一些定時開放的隧道，在滿足隧道使用需求的同時達到節能的效果。

3 結束語

近年來，我國的隧道工程不斷增加，隧道照明系統是其中非常重要的一環。目前我國的隧道照明系統存在著許多缺點，如節能效果差、維護成本高以及智能程度較低等。因此，基于Zigbee無線通信技術進行隧道的智能控制系統設計，在光源選擇上采用新一代的LED光源，在滿足設計需求的同時實現節能的目的。

參考文獻

[1] 王麟閣，楊昱昺.基于ZigBee的船標通測網絡中無線傳感器的應用[J].艦船科學技術，2019（10）：140-142.

[2] 駱定輝，葉再能，盧敏源.基于ZigBee無線網絡的污染處理過程在線監控系統的設計研究[J].區域治理，2019（12）：86.

[3] 劉軍.一種基于ZigBee的智能家居系統設計[J].山西電子技術，2020，210（3）：19-20，29.