新型节能隧道照明控制系统设计探索

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摘要：针对现代隧道照明的研究，提出一种新的节能隧道照明控制系统，其概念是“车近灯亮，车过灯暗”，以及建立隧道灯的亮度自动调整。该系统的控制核心单元是基于STC89C52单片机进行设计，运行过程中传感器会采集周围信息，如隧道内外的光照信息、车辆通行信息等，由控制器完成上述信息的处理工作，生成对应的控制信号来调整隧道内灯组的亮度，结果表明其可消除隧道内存在的照明问题，并反馈最终调整结果给控制器。后级控制器则扮演隧道内照明选择性调控的角色，丰富隧道照明系统的智能控制系统，达到节能减排的重要目标。

关键词：LED；PWM；控制系统；节能减排；智能

现阶段国内高速公路隧道照明系统多使用长明灯，造成大量电能浪费的同时，也无法做到结合使用场景的灯光亮度合理调控。基于此，本文提出全新的高速公路隧道照明控制系统，该系统可以做到对高速公路隧道内灯光亮度的合理调控，在确保行车安全的同时减少电能损耗，有效符合国家层面提出的节能减排目标。

1设计方案

1.1设计总体思路

通过深入研究现代隧道照明的相关资料，尝试进行新型隧道照明控制系统的设计，控制系统中包含节能控制模块、交通信息检测器及一定数量的照明单元等，由交通信息检测器完成各类数据的收集，输出端与节能控制模块相互连接，由其完成数据的分析和控制指令的生成，节能控制模块通过RS485线路与照明单元连接，实现对照明单元的亮度调控，达成设计目标。整个设计的结构框架，如图1所示。

1.2新型节能隧道照明控制器的结构设计

控制器的设计过程中，核心单元选择基于STC89C52单片机进行设计，所有的组成部分如运算器、存储器和控制器等都集成在对应的单片机上。这种设计方式的特点是可以保持较高的运算效率，系统的可靠性、灵活性也得到保障，静态环境下电能需要少，而且稳定性高，基本不会出现控制器故障等问题。

2工作原理

2.1交通信息检测模块

综合近5a关于交通检测系统与信息采集系统的研究来看，涉及的多为雷达探测技术、计算机技术及通信技术等高新技术。从交通信息检测系统的类型上来看，电感环检测器、超声波检测器和红外检测器等属于较为常见的几种。立足于资金投入和实际应用效果2个考量点，环形线圈式车辆检测器相较于其他检测器展现出显著的竞争优势，实际应用过程中，该模块可以检测到是否有车辆需要穿越隧道，如果检测到车辆经过，则生成1个继电信号并发送给主要控制模块，进而实现车辆通行信息的采集与传输。研究中对该模块运用的原因在于其相较于其他模块具有更快的反应速度，经测定可在50ms内做出正确的反应，最快的反应时间可以达到35ms。该模块的工作原理图，如图2所示。

2.2智能节能控制模块

本设计使用的智能节能控制模块，组成部分包括微处理器、稳压模块、反相器、达林顿晶体管驱动模块和继电器模块。稳压模块的主要作用是稳定输入段的压力，需要将其接入到直流电源内，稳压模块包括3个输出端，分别接入到反相器、微处理器和达林顿晶体管驱动模块。在本设计中，微处理器基于STC89C52单片机进行设计，输出端的信号类型为RS485。

2.3RS485总线通信模块

设计中使用到的RS485标准的通信平台，相较于其他类型具有经济性高、噪声抑制效果好、传输距离远和传输速率高等一系列特点，此外，RS485电路方面也具有操作简单、成本低廉的特点。近20a，RS485标准的应用效果已经在诸多领域得到验证，可将其作为本次设计的数据传输链路使用。

2.4照明单元

设计中照明单元包括2个组成部分，分别为子控制系统和LED照明模块，照明单元通过RS485通信线路与控制器连接。实际使用过程中，控制模块会对隧道内的光照情况进行采集，通过数据分析后发出LED隧道灯组亮度的控制信号，实现对隧道光照的调控。此外，车辆通行过程中隧道光照的控制系统可以实现灯组亮度结合车辆位置的调控，针对较大车流量的情况，控制系统会自动将隧道灯组设置为常亮。实际照明单元的控制系统结构，如图3所示。

3理论设计运算

3.1数据运算处理（算法）

（1）隧道各路段照明亮度的控制。隧道照明控制系统的控制原理是利用传感器来收集当前路段的光照信息，即在自然光作用下的隧道内亮度情况，之后将收集到的光照信息传输给控制器，由控制器进行亮度调控。（2）脉冲宽度调制（PWM）信号的生成。就隧道不同路段的亮度情况来看，入口路段的亮度值最高，正常情况下隧道外的光照亮度值为6000cd/m2，入口路段的亮度值则为隧道外的亮度值乘以折减系数，不同隧道对应的折减系数不同，其中最大值为0.045。基于此，对于隧道中亮度值最高的入口段，在充分考虑余量的情况下，其最大亮度值可达到300cd/m2。实际运算过程中，需要设定入口段的占空比为0，而对应自然光照下亮度值为0的区域，设定其占空比为1。此时，需要求隧道内一路段的亮度值L，用d表示此路段的占比空，L的计算公式可以呈现如下L=300-300×d。（1）推导可得占空比的计算公式d=1-0.0033×L。（2）根据占空比的计算公式，导入隧道内1个路段的亮度值，就可以计算此路段的占空比，进而明确PWM控制信号的占空比参数，用于辅助隧道亮度控制系统实现亮度调节。

3.2信息指令的编码设计

3.2.1控制指令编码形式控制指令承载着隧道灯组亮度控制的信号，其传递的信息为当前路段的车辆通行数据、实际光照数据等，其编码情况见表1。（1）当前路段的亮度信息占用7码位，可以实现对灯组亮度情况的128级调整。（2）当前路段的开关信息占用1码位，一般情况下呈现为0，遇到车流量较大的特殊情况，信号呈现为1，表示所有路段的灯组调整为常量模式。（3）当前车辆的通行信息占用7码位，信号反应了最后一次车辆位置的检测数据。（4）循环冗余校验（CRC）占用16码位，其作用是对传输数据的正确性进行验证，确保数据可靠。（5）标志位占用32码位，其作用是表示该指令的类别以及作用，其中控制指令一般表示为1。3.2.2检测指令编码形式对于检测指令来说，其主要反映控制器运行状况的检测结果，包括控制器异常的类型、位置等，为控制器的更换和维修工作提供支持，具体编码情况见表2。（1）光照传感器运行状况检测所得数据占用1码位，该码位中呈现为0表示光照传感器处于正常工作状态，呈现为1则表示光照传感器存在运行故障问题。（2）控制器检测运行状况所得数据占用1码位，该码位中呈现为0表示控制器处于正常工作状态，呈现为1则表示控制器存在运行故障问题。（3）故障段位编号占用6码位，所反映的信息为当前故障所处的段位。（4）故障段号占用7码位，所反映的信息为当前故障在对应段位中所处的段号，用于准确锁定故障位置。（5）循环冗余校验（CRC）校验占用16码位，其作用是对传输数据的正确性进行验证，确保数据可靠。（6）标志位占用32码位，其作用是表示该指令的类别及作用，其中检测指令一般表示为0.

4系统设计结果与分析

为了验证本设计方案的可行性和节能减排的性能，在实验室搭建1个隧道灯光亮暗控制系统和灯光亮度控制系统并进行了实际的测试。

4.1系统灯光亮暗功能测试

该模拟隧道灯光亮暗控制系统是由STM32单片机、继电器、光电传感器和LED灯组成。该系统通过光电传感器检测车辆流量及车辆通过状况，把相关信息传入单片机进行相关处理，单片机再通过控制继电器，来实现对LED的接通与断开。实验室测试时使用3辆不同的车辆，通过行车到达检测区前、行车到达检测区时、行车经过检测区后及行车远离检测区的4种不同的形式测试灯光亮暗控制的功能是否实现。之后通过循环车流量的形式，模拟最为频繁的LED开启和关闭的频率，通过在相同时间内与常亮灯耗电量的比较，得出该开关控制系统是否具有节能和减排的特点情况。

4.2模拟控制系统的工作过程

为了更好模拟新型节能隧道照明控制系统的工作过程，设计以动画的形式来进一步说明。需要进一步说明的是，此时以3区的形式模拟并划分整个隧道的长度，并以1个车辆通过的形式模拟车流量的过程。

4.3控制系统LED节能减排性能

经过实际测试，新型节能隧道照明控制系统可以做到对隧道内灯组亮度的合理调控，且满足实际使用需求，有利于隧道内车辆在最合适的光照环境下行驶。实际电能的利用和节省情况见表3和表4。综合验证数据，可以明确新型隧道照明控制系统具有以下几点应用优势。（1）相较于普通的LED灯，其可节省电能36%，排放CO2减少40%。（2）相较于传统的白炽灯，其可节省电能75%，排放CO2减少74%。（3）实际对新型隧道照明控制系统加以运用时，对于因灯光问题造成的交通事故的预防具有积极意义。

5结束语

新型节能隧道照明控制系统在基于车辆是否进入隧道和在隧道行车时实际所需的光照环境不同的特性，通过光电传感器检测是否开关灯光系统和光照传感器实时检测并且调节出最适宜的行车安全的光照环境的试验。经计算得知，改善后的新型节能隧道照明控制系统与传统的隧道常亮照明相比起到节能和减排的作用，设计达到预期对灯光亮暗的控制、灯光亮度变化的功能特点和节能减排的目的，为减轻城市用电负担带来积极的影响和作用。

参考文献：

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[4]徐斌.浅析智能照明控制系统的特点及实施[J].四川建材，2011，37（4）：201-203.

作者：冯海霞 刘航 赵登峰 张建鑫 单位：金昌聚源水处理有限责任公司 甘肃有色冶金职业技术学院