基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路隧道智能照明系統(tǒng)

梁兆健

甘肅隴原信息科技有限公司 甘肅蘭州 730000

1 隧道照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 隧道照明現(xiàn)狀

照明控制系統(tǒng)是隧道運(yùn)營中能耗最高的部分，也是與行車安全性最密切相關(guān)的部分。目前我國的公路隧道照明管理系統(tǒng)仍面臨許多問題，例如舊機(jī)電設(shè)備、低功耗照明設(shè)備少和智能控制能力差。這些問題和技術(shù)缺陷的存在與我國高質(zhì)量公路，特別是高速公路的快速發(fā)展形成鮮明對比和矛盾[1]。

1.2 隧道照明發(fā)展趨勢

在過去的公路隧道照明管理系統(tǒng)中，難以滿足隧道的實(shí)時(shí)照明需求，導(dǎo)致出現(xiàn)了過度照明和低效照明的現(xiàn)象。隧道智能照明控制系統(tǒng)引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可根據(jù)季節(jié)和隧道內(nèi)外不同的光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整隧道照明，有效地應(yīng)對了照明過度和照明效率低下的問題，實(shí)現(xiàn)隧道照明的現(xiàn)代化。

2 公路隧道智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路隧道智能照明系統(tǒng)的總體方案圖如圖1所示。該系統(tǒng)的核心是嵌入式控制系統(tǒng)。

圖1 公路隧道智能照明系統(tǒng)整體方案

物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)接受分布式控制，嵌入式控制子系統(tǒng)分布在隧道中的各個(gè)位置，其主控制器接受ARM9來收集有關(guān)隧道中照明，交通流量和能耗的數(shù)據(jù)，并配備了無線傳輸模塊，將收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程終端。遠(yuǎn)程終端接收到前端收集到的數(shù)據(jù)后，對模糊控制算法的分析得出實(shí)時(shí)的隧道照明系統(tǒng)控制量，分段進(jìn)行隧道照明控制[2]。

3 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式控制系統(tǒng)是整個(gè)控制終端的核心部分，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)收集和處理數(shù)據(jù)的可能性，選擇了ARM9微處理器作為嵌入式系統(tǒng)的基本處理器。ARM9通過訪問地址訪問光傳感器以獲取隧道每個(gè)位置的光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，同時(shí)偶爾訪問智能電表以收集隧道照明能耗數(shù)據(jù)，并通過串行端口訪問線圈檢測器終端以獲取交通流信息。嵌入式系統(tǒng)收到必要的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)中，數(shù)據(jù)將根據(jù)TCP/IP通信協(xié)議傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器終端，以分析和控制遠(yuǎn)程服務(wù)器。

4 隧道照明模糊控制算法

模糊控制算法是智能隧道照明控制的基本控制算法。根據(jù)模糊控制算法的原理，當(dāng)自然光強(qiáng)度較低時(shí)，有必要在隧道的進(jìn)出口處包括較少的照明設(shè)備。相反，當(dāng)來自外部的自然光較強(qiáng)時(shí)，應(yīng)僅在隧道的入口和出口處打開更多的照明設(shè)備。在隧道的中部，人眼逐漸適應(yīng)了昏暗的環(huán)境，目前主要根據(jù)交通流量來控制光的強(qiáng)度，以達(dá)到節(jié)能的目的。通常在不同的時(shí)間段內(nèi)，隧道中的車輛數(shù)量會(huì)發(fā)生變化，并且不同的天氣狀況會(huì)對車輛數(shù)量產(chǎn)生更大的影響。為滿足光強(qiáng)度，一般根據(jù)最大車輛數(shù)量來設(shè)計(jì)家用隧道的光強(qiáng)度，如果對隧道的照料保留了最大的設(shè)計(jì)光，則導(dǎo)致大量的功率損耗。

5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

5.1 車流量數(shù)據(jù)采集

交通流量數(shù)據(jù)的收集主要是使用環(huán)形線圈傳感器完成的，該傳感器大多埋在路面下方。通過感應(yīng)線圈檢測交通流量和速度是監(jiān)視公路車輛工作條件的重要部分之一，利用該傳感器，可獲得諸如道路流量、道路占用率和道路的被監(jiān)視部分的速度之類的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用作估算道路車輛的體積和擁堵的重要基礎(chǔ)。當(dāng)車輛通過環(huán)形線圈時(shí)，線圈中感應(yīng)出電流，線圈的電感發(fā)生變化，檢測器檢測到電感和檢測電路的變化，線圈中電流的振蕩頻率被轉(zhuǎn)換成脈沖，計(jì)算脈沖數(shù)[3]。一對感應(yīng)線圈可埋在條帶的一部分中，當(dāng)車輛通過兩個(gè)感應(yīng)線圈時(shí)，檢測器計(jì)算兩個(gè)線圈之間的時(shí)間差，以轉(zhuǎn)換車速以實(shí)現(xiàn)車速檢測。

5.2 能耗數(shù)據(jù)采集

為達(dá)到節(jié)省照明能源的目的，首先需要收集有關(guān)隧道照明能源消耗的數(shù)據(jù)，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)與電力收集系統(tǒng)通信，并讀取隧道照明消耗的實(shí)時(shí)電力數(shù)據(jù)。智能電表是監(jiān)視電力數(shù)據(jù)的最直接的設(shè)備，安裝在隧道照明的線路輸入處，可實(shí)時(shí)收集和計(jì)數(shù)照明電路上的電流、功率和能耗。智能電表可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)電參數(shù)的采集和平均統(tǒng)計(jì)并存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，嵌入式系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備的通信協(xié)議請求數(shù)據(jù)。智能電表可以根據(jù)不同的地址定義訪問不同位置的電表信息，對所提供信息的反饋。嵌入式系統(tǒng)比較模糊控制前后的能耗，從而依次確定是否達(dá)到了節(jié)能的目的。

5.3 光照度數(shù)據(jù)采集

隧道中亮度數(shù)據(jù)的收集主要用于實(shí)現(xiàn)基于STM32控制器設(shè)計(jì)的，布置在不同位置的光傳感器。光傳感器通常安裝在隧道的每個(gè)部分中，內(nèi)置系統(tǒng)通過地址訪問并要求每個(gè)傳感器在隧道的每個(gè)位置接收光，卷數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)。光傳感器的功能不僅完成光數(shù)據(jù)的收集，還可收集環(huán)境的溫度和濕度，系統(tǒng)選擇的護(hù)理傳感器使用Modbus協(xié)議通過串行端口與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行通信。總線上最多可連接250個(gè)光傳感器，嵌入式系統(tǒng)可按地址要求這些傳感器收集有關(guān)整個(gè)隧道照明的數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為公路隧道的照明系統(tǒng)帶來了機(jī)遇，將智能化的照明系統(tǒng)應(yīng)用到公路隧道中，不僅對照明進(jìn)行節(jié)能控制，還能為人們的出現(xiàn)安全進(jìn)行保障，在公路隧道的照明系統(tǒng)中有一定的應(yīng)用價(jià)值。