公路隧道智慧照明節能控制系統設計

張曉玉，冷俊輝

（河南交通職業技術學院 汽車學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

本文以STM32單片機為核心，配上傳感采集模塊，設計了一個隧道照明系統。該系統通過傳感模塊采集數據，隧道外的亮度、車流量和車速三個參數，傳輸給單片機，經過軟件智能控制算法的處理，得到隧道所需的照明調光值，通過CAN等通信方式將調光值傳輸給具體的照明燈具，實現了對隧道照明的實時調節，到達按實際需求來照明的效果。該系統在滿足基本的行車安全的情況下，節約了大量的電能。另外也響應了國家的號召“綠色環保節能照明”，有利于國家智能交通更好地發展。

1 系統整體需求分析

硬件電路是整個控制系統的基礎，依據照明要求，需要擁有下面四大功能。

信號的收集：包含車流量信息和隧道口外的光線的采集。一是采集是否有車輛經過，有就打開附近的隧道照明，當隧道內沒有任何車輛時就斷開隧道照明，做到有車燈亮，無車燈滅。二是動態地監測車輛在隧道內車速以及車流量，隧道口外的光線，傳輸給單片機，經STM32處理進行智能燈光控制，實現“按實際需要來照明”的效果[1]。

系統控制方式：以亮度可調的LED燈作為隧道照明燈具，采用三級控制系統。首先主控制，STM控制器將采集的隧道外的亮度、車流量和車速收集到，通過軟件智能控制算法處理，得到隧道照明實際所需要的亮度，進行系統全方位控制；其次光線調節控制，收到主控制器的光線調節命令，剖析后將亮度調節信號輸送給具體的隧道照明燈具；最后輸出設備LED燈接收到剖析過的光度調節信號后實現按照實際需要進行調光[2]。

控制模式：控制系統可以依據實時的采集數據實現智能化控制，同時應在系統無法獲取輸入參數時實行自動化控制，應對發生交通事故、停電等的突發性事件時實現人工手動控制。

系統模式控制：不僅可以自動控制，自主動態收集信號實現對燈光按需控制，還能在出現突發意外情況下實行手動控制[3]。

2 系統整體框架

根據實際情況，設為白天和夜晚兩種控制模式，夜晚不需要對亮度進行調節，將燈光的照度值設置為恒定的值；而當夜晚模式定時時間到，切換到白天模式，需要光照調節。根據所采集到的信號，如是否有車輛進入、車流量、車速和隧道口的亮度等參數，主控芯片通過智能調光算法對其進行計算，得到隧道內各段所需要的照明亮度值，實現隧道整體照明控制[4]。

圖1是系統總體框架圖，該系統主要包括本地控制和系統監控中心兩個組成，監控中心主要由服務器、電腦組成；本地控制包括了隧道里的燈光調節控制器，LED顯示控制器和照明燈具，隧道外的主控制器、信號采集傳感器和各級間數據傳輸所需的通信器材。本文主要對本地控制進行研究與設計。

圖1 隧道照明控制系統總體結構圖

3 系統控制邏輯

系統的整體設計思路是上位機收集傳感單元動態采集的反應當前車流量、車速和隧道口外的光線亮度值的數據，通過智能調光控制算法運算得到燈光調節控制命令，然后經過RS485將命令傳輸給下一級，即燈光調節控制器，收到燈光調節命令后，再經過數據總線將命令傳輸給LED燈光控制器，從而最終實現了燈光調節、隧道按需照明的任務[5]。

主控單元，是系統的控制核心，上與上位機聯系，下與調光控制單元聯系，實現對隧道內燈光照明的總體控制。主要是收集傳感電路動態采集的車流量、車速和隧道口的光線亮度數據，經過其軟件算法處理后，將具體調光指令通過總線傳輸給所有燈光調節控制器，實現隧道內燈光照明的總體控制。并且將傳感電路動態采集的數據傳輸給系統監測控制中心。

傳感電路，由安裝在洞口的光線亮度檢測裝置、車輛檢測裝置組成，功能是收集洞口外的實時的光線亮度、車流量和車速，并將其傳輸給主控單元，同時根據車輛檢測裝置判斷是否有車輛進入隧道，幫助主控單元實現隧道照明的關閉控制[6]。

燈光調節控制器，負責和主控單元、LED控制單元聯系，接收主控單元傳輸的燈光調節命令，剖析后向LED控制單元傳輸；也會將LED狀態信息回輸給主控單元。LED控制單元，負責和燈光調節控制器、隧道內照明燈具聯系，將燈光調節控制器傳輸的燈光調節命令轉換成相對應的PWM，去驅動LED實現燈光調節、隧道照明。

本地控制思路，隧道內沒有車輛時，當檢測到隧道口即將有車輛進入時，立即開啟隧道照明，同時主控單元采集動態的隧道口的光線亮度，車速和車流量信息，經主控單元的軟件處理后，輸出燈光調節指令，向下一級燈光調節控制器傳輸該指令，再有燈光調節器向第三級LED控制單元傳輸，最后傳輸隧道內所有的照明燈具，實現隧道照明整體控制。調節照明設備的功率去調節燈光亮度。與通過開關一組照明調節照明亮度傳統的隧道照明相比，本項目減少隧道交通事故發生的同時，具有隧道照明均勻，照明質量高，人眼舒服的優點[7]。

4 數據傳輸方式

由于隧道照明系統隧道內照明燈具多，采用了三級控制方式，級與級間的數據傳輸也變得較為復雜，在這有必要闡述系統的數據傳輸方式。定主控單元與燈光調節控制器間的數據傳輸為一級傳輸，燈光調節控制器和LED控制單元間的數據傳輸為二級傳輸。圖2為DALI通信示意圖。

圖2 DALI 總線通信系統示意圖

DALI傳輸的數據分為主控單元向從控單元傳輸數據和從控單元向主控單元傳輸數據，兩者結構是不一樣的，前面是正方向傳輸，數據結構包括一個起始位、兩個停止位、八個數據位和八個地址位；后面是反方向傳輸，與正方向數據相比，少了八個地址位，其他都一樣。該協議定義了很多通信指令，特殊地址，有短地址、組地址、廣播地址和特殊命令，具體見表1所示，地址位中的第一位表示單個燈的短地址還是組地址或命令，最后一位用來區分調光等級或命令[8]。

表1 DALI 地址結構表

5 結語

本文對公路隧道照明整體系統進行了設計。具體包含主控制器、調光控制器和LED控制器硬件與軟件的系統開發設計。系統硬件對給定三個參數輸入采集設備選型，不同控制器CPU單元模塊、電源單元模塊、通信處理模塊等各部分開展設備選型和設計，根據隧道內外光照度、車流量以及實時車速等信號參數，依據物聯網技術，運用模糊控制思想，實時精確控制公路隧道的照明亮度，從而實現“車流量大則提升隧道照明亮度、車流量小則降低隧道照明亮度”以及“隧道外光照度強則提升隧道照明亮度、隧道外光照度弱則降低隧道照明亮度”的控制效果，從而避免了過度照明，實現節能。