广东华路交通科技有限公司
摘要：随着隧道数量、长度的增加，也给隧道照明的节能降耗提出新要求。传统的隧道照明方式存在大量的电力浪费，迫切需要新型绿色照明系统投入使用。LED 照明灯是典型的绿色照明光源，因其功耗低、寿命长、抗振动、无辐射等独特优点，在隧道照明中将得到越来越多的应用。基于此，本文设计出一套能自适应各种隧道外部气候和亮度，能实现节能降耗的新型隧道亮度控制系统。
关键词：Zigbee；调光LED 隧道灯；自适应；照明曲线
1、照明系统构建
1.1 照明系统设计思路
与目前长度固定分段照明控制方案不同，本文创新性地采用网络化无线控制模式。将每个通讯模块嵌入到可调光隧道LED 灯中，形成子节点（网络中簇头或设备）。以隧道亮度控制器为主节点（网络PAN 协调器），构建Zigbee 无线网络，实现满足人眼视觉特性的隧道亮度曲线控制。除了中间段部分照明灯外，其他几乎所有的隧道LED 照明灯均设计成嵌入Zigbee通讯模块且具有调光功能，使得各照明段的长度和亮度可根据亮度控制器内的程序指令灵活改变，自适应地实现各种照明曲线。
主节点隧道亮度控制器包括AＲM 微处理器、射频收发器、人机界面等。子节点隧道LED 照明灯包括大功率LED 驱动器、MCU 控制器、射频收发器。照明系统运行时，安装在隧道外面的各种环境因数检测传感器采集车辆、天气、亮度、雨晴等信息，将其送入隧道亮度控制器进行处理，计算出当前环境情况下隧道内各段照明LED 灯的最佳亮度曲线，以形成亮度信息。并将亮度信息通过主节点射频收发器发送到隧道内的各个隧道LED 照明灯子节点上。隧道LED 照明灯内的射频收发器接收到信息后传给灯内MCU 控制器，灯内MCU 对大功率LED 驱动器进行亮度调节。从而实现隧道LED 照明的智能控制，形成引入段、入口段、过渡段、中间段和出口段整个隧道亮度照明曲线。
本文主要基于当今以下3 种技术的高速发展：大容量功能强大的AＲM 嵌入式微处理器；微型化和低成本Zigbee 通讯模块和网络技术；长寿命、高显色性、高光效的大功率LED 隧道灯及其驱动和调光技术。在此基础上构建系统框图，整个系统形成一个网络，体现了网络化的发展方向，如图1 所示。
2.2 调光LED 隧道灯
本系统采用LED 照明方式，其长寿命、高显色性、高光效，满足驾乘人员视觉舒适性。而且微型的Zigbee通讯模块可以直接嵌入隧道LED 照明灯内，形成无线网络通讯和调光控制。结合隧道照明的光学和外形、散热设计，新型LED 隧道灯完全可以满足照明要求。
隧道照明LED 灯安装在隧道内各段，主要由电源电路、LED 驱动电路、MCU 处理器和无线通信电路组成。无线通信模块以德州仪器的CC2530 芯片为核心。CC2530 是一个带射频控制的单片机，配合LED驱动PT4115 电路，开发出带通讯和无级调光功能的大功率隧道照明灯。
PT4115 驱动电路是一款连续电感电流导通模式的降压恒流LED 驱动IC，能用于驱动多颗瓦级串联照明LED，实现不同功率的照明。PT4115 恒流LED 驱动IC 输入电压范围由8V 到45V，输出电流根据采样电阻Ｒs 调整，高达1.2A 的电流输出能力。根据不同的输入电压和外部器件，PT4115 可以驱动高达数十瓦甚至上百瓦的LED，满足隧道照明的要求。PT4115 通
过DIM 引脚接受宽范围的PWM 调光控制。
3 自适应照明网络构成
3.1 隧道照明曲线控制方案
本文的隧道照明系统是LED 智能化调光照明系统。因此，在控制方案上，首先判断有无车辆进入隧道，并检测出车速。如有车辆，则采集当前的洞外亮度、温度、湿度和雨滴情况，确定出晴天、云天、阴天、雨天和夜间等工况，并启动相应的工作模式。不同模式下的隧道照明曲线不同。晴天情况下的照明曲线示意图（可调节）如图3 所示。图4 的隧道亮度控制流程图给出了5 种模式。如果需要，可以很方便地将新照明曲线算法程序在线写入隧道亮度控制器的存储器内。
考虑到同一模式下洞外亮度差别，例如晴天的早、中、晚洞外亮度差别很大，且要符合人眼亮度适应的照明曲线，也与车速有关。因此，隧道内的各照明段长度可以不固定，各个照明段没有固定的界限。要达到这一要求，本设计各主要照明段均选用带调光功能并嵌有不同地址Zigbee 模块的隧道LED 照明灯，与隧道亮度控制器组成局域无线网络，对每盏灯实行开关和调光控制。这样可以打破传统每个照明段之间的界限，灵活地按照不同模式不同工况下亮度控制器的指令，实现符合人眼亮度的照明曲线。在AＲM 技术、Zigbee网络技术和新型LED 隧道灯技术的支撑下，通过这种设计，可以实现全天候隧道照明的自适应。
此外，这种硬件设备和软件构架的设计方式，对不同长度、不同类型的隧道也具有很强的适应能力。
3.2 隧道照明ZigBee 网络构成
Zigbee 网络负责主节点和子节点各种采样和控制数据的双向传输。Zigbee 网络具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、组网灵活等特点，非常适合隧道照明系统。隧道亮度控制器作为主节点（协调器），带有Zigbee 通讯模块的隧道LED 照明灯做为子节点（簇头或设备），组成Zigbee 网络。ZigBee 技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网。隧道照明网络构建内容主要包括Zigbee 的体系结构、Z－Stack 协议栈、任务初始化、任务调度、时间管理、原语通信等内容。Zigbee 无线网络组网时，协调器给各个设备动态分配网络地址，形成特殊的树型网络结构。
4 照明系统的应用
4.1 照明系统应用特点
本系统不但能实现隧道内照明最大限度满足人眼曲线，提高驾乘人员的舒适性，减少安全隐患。在功耗上，根据车辆有无启动LED 灯高效绿色节能照明系统，并通过调光技术进一步实现节能降耗控制。本设计创新性地采用网络化控制模式，所有数据均通过Zigbee 主节点和子节点传输，无需专用电缆或控制器、转接器等其他通讯设备，节省电缆和设备投资，安装工程量小。
隧道亮度控制器内采用嵌入式AＲM 微处理器，相当于一个计算机操作系统，功能强、存储容量大、高速运算能力保证了各种复杂算法，实现多种照明曲线，以实现各种气候和亮度的隧道照明要求。算法稍加改进，还可以适用于不同类型、不同长度的隧道照明要求。
4.2 照明系统应用前景
据初步估算，采用LED 无级调光照明方案，较以往LED 分级调光照明节能34% 以上。其网络化的控制方案，还有望节省60% 以上的电缆和设备投资，并减少工程量。
经过扩展，隧道照明的Zigbee 局域网还可以覆盖洞内通风系统、应急报警系统等，组成高速公路隧道监控系统。将隧道照明的控制参数、采集参数和照明情况等传输到远程管理中心，进行统计、存储、分析，提供管理决策。并通过3G/4G 网络或高速公路专用网络将隧道照明的各种信息远程传输到监控中心，成为智慧交通的一部分。
5 结语
本系统能通过在线写入新应用程序，改变产生照明亮度曲线的算法。因此，除了在高速公路隧道实现全天候隧道照明的自适应控制外，这种自适应的隧道亮度设计方案，经过改进还可以用于普通公路隧道、铁路隧道、过江隧道、过河隧道、湖底隧道、海底隧道、广场隧道、过街隧道亮度控制。
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论文作者:王海平
论文发表刊物:《基层建设》2016年7期
论文发表时间:2016/7/6
标签：隧道论文; 调光论文; 亮度论文; 照明灯论文; 节点论文; 曲线论文; 控制器论文; 《基层建设》2016年7期论文;