一種隧道口燈光調(diào)節(jié)控制裝置

李 杰 ，盧 穎 ，李 磊

（1.西安工業(yè)大學陜西西安710000；2.陜西省高速公路建設(shè)集團陜西西安710065）

由于高速公路隧道和車輛行駛的特殊性，隧道內(nèi)部需要能夠提供合適的光照[1-2]強度以保證駕駛員及車輛的安全穩(wěn)定通行，同時隧道內(nèi)的照明用電費用也占據(jù)了高速公路運營成本的很大比例，尤其是在隧道入口段，安全照明和電能浪費這兩個問題尤為突出。目前國內(nèi)的隧道照明系統(tǒng)當中絕大部分高速公路隧道照明仍都采用高壓鈉燈，由于鈉燈技術(shù)限制，很難實現(xiàn)隧道無級調(diào)光，照明控制方案大多采用人工手動控制和時序控制兩種方式，雖然操控簡單，但會在運營中造成大量不必要的能源耗費。因此，研究并提出安全節(jié)能的隧道照明系統(tǒng)對于促進隧道照明系統(tǒng)的發(fā)展，節(jié)能減排具有重要意義。本文針對具有廣闊應用前景的LED燈，結(jié)合隧道洞口外光照亮度、車流量等因素實時調(diào)節(jié)LED燈的照明亮度，研究隧道洞口照明自動調(diào)控技術(shù)，在充分保證駕駛員進入隧道入口段能安全通行的同時，最大程度地減少隧道照明的人力及電力消耗[3-5]。

1 LED燈功率與光照關(guān)系模型

1.1 LED照明燈

LED照明燈作為一種新型能源，與傳統(tǒng)照明燈具相比，具有壽命長、發(fā)光效率高、功耗低、啟動時間短等優(yōu)點。為了充分發(fā)揮LED照明設(shè)備的優(yōu)勢，需要在照明調(diào)光的基礎(chǔ)上，根據(jù)實時檢測到的隧道外實時亮度值、車流量、車速等對LED燈進行連續(xù)調(diào)控，使其在很短的時間內(nèi)進行柔和調(diào)光，以滿足公路隧道照明的設(shè)計規(guī)范要求[5-6]。課題采用模組式LED燈作為隧道照明裝置。

1.2 關(guān)系模型的分析和建立

模型主要包含兩方面的含義：一是調(diào)控設(shè)備的輸入，即隧道外環(huán)境光照與采集的電信號之間的關(guān)系模型[7]；二是調(diào)控設(shè)備的輸出，即輸出電信號與LED照明燈照明強度之間的關(guān)系模型。對于隧道外環(huán)境光照的采集，本設(shè)備選擇TI公司開發(fā)生產(chǎn)的OPT101型感光芯片[8]，OPT101是集成光電二極管和芯片內(nèi)置的跨阻放大器，輸出電壓隨著外界環(huán)境的光強線性增大。放大器為單電源或者雙電源設(shè)計。集成光電二極管和跨阻放大器在單一芯片上，能減少常見的漏電流誤差，噪聲和由于雜散電容引起的增益峰值等問題。根據(jù)OPT101的芯片手冊和實驗室的實際測試結(jié)果可知：當外界環(huán)境的光照亮度為Xin時，感光芯片輸出電壓Yin與輸入照度之間的關(guān)系為

在電路設(shè)計中，輸入電壓Yin轉(zhuǎn)化為DA輸出電壓時，滿足以下關(guān)系

同時，單個LED燈的發(fā)光功率與輸入的DA電壓之間的關(guān)系滿足

根據(jù)式（3），可以得到數(shù)模轉(zhuǎn)換后的輸出電壓與單個燈發(fā)光功率之間的關(guān)系。根據(jù)LED燈發(fā)光二極管的兩條電特性曲線（即電壓電流曲線和電流照度關(guān)系曲線[9]，如下圖1所示），結(jié)合在實驗室內(nèi)對單個LED燈的相關(guān)測試結(jié)果，該LED燈的發(fā)光功率與對應的輸出亮度的關(guān)系為

因此，綜合以上兩式，即（3）和（4），可獲得數(shù)模轉(zhuǎn)換后的輸出電壓與單個燈發(fā)光亮度之間的關(guān)系，如圖1所示。

進一步，根據(jù)上述理論分析和實驗室測試結(jié)果，并結(jié)合式（1）～（4）所描述的關(guān)系模型，針對本設(shè)計中的光照控制模式，可以得到以下結(jié)論：在外部光照變化的線性區(qū)（即Xin＞50lux），輸出光照強度Lout與輸入照度Xin的近似關(guān)系式為：

為了對上述結(jié)論進行驗證，項目組在實驗室內(nèi)將光照傳感器與單個LED照明燈分開放置在不透光盒體中，人為調(diào)節(jié)光照傳感器盒體內(nèi)的環(huán)境亮度，同時利用光照計測量LED燈的輸出光照亮度[10]，獲得的環(huán)境光照與LED照度之間的對應數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，從表中的測試數(shù)據(jù)可以看出，與上述理論分析結(jié)果較吻合，驗證了上述理論分析和相關(guān)模型的正確性。另外，需要說明的是，當光照傳感器的外部光照處于非線性區(qū)（Xin＜50lux）時，由于串聯(lián)的發(fā)光二極管無法被電流打開，即二極管處于截止狀態(tài)，所以，隨著電壓減小，電流驟降，導致輸出光照度急劇減小，此時Lout趨近于零。

表1 環(huán)境光照與LED照度的對應數(shù)據(jù)表

圖1 電壓與光照度關(guān)系模型

2 LED照明調(diào)控裝置設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

課題所研究的LED調(diào)控設(shè)備系統(tǒng)包括信號采集傳感器，照明光自動調(diào)控裝置LED光源3個部分。首先對傳感器采用的隧道外光照強度，車流量，車速等實時監(jiān)測信息進行信號預處理，并根據(jù)處理的信號和光照強度與照明設(shè)備控制信號之間的模型，由主控制器控制輸出所需要的亮度調(diào)節(jié)控制信號，從而實現(xiàn)對照明設(shè)備的亮度控制。同時，還需要確定隧道入口的照明設(shè)備的分段控制策略[11]。本文設(shè)計一種采用“主-從”控制器級聯(lián)的LED光源自動控制設(shè)備以便于擴展，同時采用V-I變換高精度電流調(diào)光技術(shù)控制亮度輸出。

設(shè)計方案中該系統(tǒng)共包含5種工作模式。模式0：應急模式（避免因系統(tǒng)故障導致隧道照明失控，能按照預案點亮LED燈）；模式1：人工模式（具備最大限度的控制權(quán)限）；模式2：亮度優(yōu)先（根據(jù)隧道外部亮度點亮內(nèi)部LED燈）；模式3：流量優(yōu)先（根據(jù)車流量點亮內(nèi)部的LED燈）；模式4：備用模式。

2.2 控制器裝置設(shè)計

2.2.1 “主-從”控制器設(shè)計

裝置主控制盒設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 主控制盒框圖

主控盒輸入信號由控制指令、220 VAC、車流量信號及光照強度信號組成[12]；輸出包括LED燈負載和下級從控制器；從控制器系統(tǒng)與主控制器類似，輸入包含上級控制器的控制指令，輸出包括發(fā)往下級從控盒的整合信號及LED負載。

控制盒供電由外部提供，默認配置為外部提供雙相220 V/50 Hz交流電源.每個控制盒為負載提供150 W的供電能力，能夠帶動最多3個并聯(lián)50 W的LED模組，其中每個LED模組由18個3 W的LED燈珠串聯(lián)組成。上級控制信號UpCtrl和傳感器信號Car和Light送入控制芯片。控制芯片一方面對信號進行解碼，對LED燈進行開關(guān)和亮度控制，另一方面生成控制信號DownCtrl發(fā)送至下一級。此外，AC/DC模塊作為電源變換模塊，為所有的電路（包括低壓部分和高壓部分）提供工作電源。

從控盒設(shè)計方案與主控盒類似，唯一的區(qū)別是從控制盒只接收來自上級DownCtrl接口的信號，該信號由主控制器整合后輸出，已集成了外部傳感器所采集信號及上級控制器的指令信息。從控盒接收來自主控盒信號，并向下逐級轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2.2 控制器調(diào)光電路

本文提出了一種高精度數(shù)字電流調(diào)光技術(shù)，該方法通過數(shù)字方式精確控制流過LED燈珠的電流強度來控制LED燈的亮度[13]。這種控制方式基于電流，而非電壓，從而解決了電壓控制亮度存在的電流精度不足的問題，得到LED燈穩(wěn)定的照明亮度。

高精度數(shù)字電流調(diào)光技術(shù)的基本原理如下：首先，以FPGA或其它數(shù)字芯片作為控制核心，接收外部傳感器信號以及控制指令信息，經(jīng)運算后以數(shù)字方式輸出，并經(jīng)DA變換形成控制電壓信號，其次，在LED燈負載端利用三極管的輸入及輸出特性，將LED燈珠串接到總的直流高壓和三極管集電極之間，LED亮度控制電壓信號加到三極管基極。三極管工作在放大區(qū)，當三極管基極電壓發(fā)生變化時，集電極電流會隨著基極電壓發(fā)生線性變化，改變該電流必然會引起LED燈照明亮度的相應改變，從而達到調(diào)節(jié)LED照明亮度的目的。

實現(xiàn)上述數(shù)字電流調(diào)光的關(guān)鍵問題之一是為LED燈負載提供具有高穩(wěn)定度的直流電源[14]。課題中，電源的設(shè)計如下：

220 V/50 Hz交流電通過保險盒進入EMC濾波，接下來進入二極管橋整流，其輸出再通過濾波器獲取到稍微波動的準直流波形，接下來通過雙開關(guān)驅(qū)動管，輪流輸出高低電平并最終進行一次濾波得到較穩(wěn)定的直流輸出，由此實現(xiàn)了LED燈負載的無級調(diào)光。

2.2.3 控制程序設(shè)計

課題采用FPGA核心實現(xiàn)LED燈的亮度控制。整個程序及代碼開發(fā)環(huán)境為QuartusII，采用verilog語言編寫，軟件由a.解析指令；b.模式執(zhí)行；c.指令下發(fā)；d.狀態(tài)輸入；e.燈亮度幾大模塊組成。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 調(diào)光能效測試

實驗室中以一臺主控制器為樣本在滿載狀態(tài)下進行256級調(diào)光驅(qū)動效率測試。測試方法如下：環(huán)境溫度約+25℃、相對濕度5%～95%，使控制器滿載（接150 W LED模組），通過串口發(fā)送指令。使控制器工作于人工操作模式并設(shè)置為不同亮度[16]；用功率計測量控制器的輸入功率和輸出功率，計算驅(qū)動效率，能效測試結(jié)果如表2所示。

對該結(jié)果做進一步分析、處理，可以得到如圖3所示的效率曲線（亮度控制字（HEX）代表不同的亮度等級控制），可得到控制器的驅(qū)動效率與輸出功率間是非線性關(guān)系，且亮度等級越高，驅(qū)動效率越高。

3.2 現(xiàn)場測試

針對本次設(shè)計的LED燈光調(diào)控系統(tǒng)，為進行節(jié)能對比測試，分別使用兩塊網(wǎng)絡(luò)電表來監(jiān)測處于同一供電回路的一盞受控150 W LED燈和一盞常亮LED燈的耗電量。電表與電表、電表與DTU間通過RS485連接。其中，電表型號為SDM640，量程5A，支持Modbus-RTU協(xié)議[15]，使用導軌安裝方式固定于配電箱內(nèi)掛在隧道頂部，測試數(shù)據(jù)通過DTU和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_服務器。隧道現(xiàn)場安裝照片如圖4所示。

表2 能效測試結(jié)果

圖3 控制器亮度設(shè)置與驅(qū)動效率關(guān)系圖

圖4 隧道現(xiàn)場安裝照片

測試時間3個月，每小時耗電量數(shù)據(jù)通過后臺軟件操作DTU讀取后存儲于云服務器上。由導出數(shù)據(jù)可得，測試期間，受控燈相比對照燈，節(jié)能效果明顯。此外，結(jié)合實驗期間的工作模式進行分析后發(fā)現(xiàn)：常亮對照燈日耗電量平穩(wěn)，每日約4.17度；受控燈日耗電量與其工作模式緊密相關(guān)。故障模式下日耗電量最高，其次是亮度優(yōu)先模式，車流量優(yōu)先模式在該隧道車流量較小情況下最為省電。受控燈工作于亮度優(yōu)先模式時，在白天耗電量較高，接近于每小時最大耗電量0.123度，夜晚（環(huán)境亮度很低）時耗電量很低（不高于0.01度）；在該模式下輸出功率150 W時，將比對照燈節(jié)電約53.0%，耗電量對比如圖5和圖6所示。

圖5 累計耗電量對比

圖6 日耗電量對比

由測試結(jié)果可知，該LED照明自動調(diào)光裝置工作穩(wěn)定、可靠，實現(xiàn)的性能指標達到了課題要求，且長期應用時有很好的節(jié)能效果。

4 結(jié)束語

本文研究的LED自動調(diào)光控制設(shè)備可根據(jù)隧道外光照亮度和車流量自動調(diào)整隧道內(nèi)亮度，在燈具布置合理的情況下可最大限度地做到隧道內(nèi)、外亮度的平滑過渡，在實現(xiàn)“按需照明”，確保隧道交通安全的同時，最大程度地降低了隧道照明的能源浪費，從而降低高速公路隧道的維護和運營成本。