隧道變色溫照明控制系統設計

王陽　秦會斌　胡葉舟

摘要 色溫影響人們的視覺功效、反應時間和舒適度。用LED取代傳統的高壓鈉燈，并改進只依據亮度控制的照明方案，設計了一種可變色溫的隧道智能照明控制系統。系統由洞外環境采集模塊、洞內調光驅動模塊和隧道管理中心的工業控制計算機組成。環境采集模塊以STM32F103為核心處理器，搭配各傳感器，上位機根據隧道洞外環境參數的變化對調光驅動模塊下發調光策略，調光驅動模塊輸出兩路PWM信號實現無極調控隧道內燈具亮度、色溫。該系統簡單、經濟、穩定可靠，有助于提高駕駛員的視覺舒適感，減少安全隱患，比只調控燈具亮度方案節能18%以上。

關鍵詞 色溫；隧道照明；STM32F103；PWM；無極調光

DOIDOI：10.11907/rjdk.173344

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）009015705

英文標題Design of Tunnel Color Temperature Lighting Control System

--副標題

英文作者WANG Yang，QIN Huibin，HU Yezhou

英文作者單位（Institute of Electron Devices & Application，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

英文摘要Abstract：Color temperature affects people's visual effects，reaction time and comfort.With LED replacing the traditional high-pressure sodium lamp，we improve the lighting scheme which is only based on the brightness control and design a variable color temperature tunnel intelligent lighting control system.The system consists of an acquisition module outside the tunnel，a dimming drive module inside the tunnel，and an industrial control computer in the tunnel management center.The environment acquisition module takes STM32F103 as the core processor and collocates with each sensor.The host computer distributes the dimming strategy to the dimming drive module according to the change of the environment parameters outside the tunnel.The dimming drive module outputs two PWM signals to achieve the brightness，Promise of color temperature regulation.The system is simple，economical，stable and reliable，and it helps to improve the driver's visual comfort and reduce the potential safety hazard.Compared with lighting regulation only focused only on the brightness of the system has 18% higher energy saving.

英文關鍵詞Key Words：color temperature；tunnel lighting；STM32F103；PWM；dimming without level

0引言

2016年交通運輸行業發展統計公報顯示，全國公路隧道為15 181處、14 039.7km，其中特長隧道815處、3 622.7km，長隧道3 520處、6 045.5km[1]，創造一個安全、高效、舒適、經濟的隧道交通環境對高速公路建設非常重要 [2]。實現公路隧道的智能化[3]，首先要解決燈光照明的智能控制。在傳統高速公路隧道運營中，無論天氣變化、車流量大小，隧道照明燈總是保持常亮狀態，這必然造成電能浪費。近幾年，隧道照明控制主要是利用電力載波技術或RS485總線、光纖環網等通信方式，通過調節燈具的功率控制亮度[4]。這種方式可在一定程度上節能降耗，但不徹底，而且忽略了隧道洞外自然環境與洞內燈具色溫的變化，駕駛員易產生視覺疲勞，存在一定的安全隱患[5]。

本文提出一種可變色溫的隧道智能照明控制系統，將物聯網、嵌入式等技術在隧道照明中加以應用，提高隧道的智能化程度。通過嵌入式設備精準采集隧道洞外光環境，使上位機更加清晰、直觀地展現洞外亮度、色溫變化。上位機與各子系統采取RS485或光纖的通訊組網方式，根據光環境的實時變化信息采取相應的調光策略，準確可靠控制照明燈具，提高駕駛員的視覺舒適度、保障行車安全，實現“二次節能”。

1系統總體架構

系統由環境采集模塊、隧道管理中心工業控制計算機、多組調光驅動模塊和變色溫燈具組成。環境采集模塊主要采集隧道洞外環境的光強、色溫、溫濕度和經緯度，工業控制計算機對環境參數處理分析，對調光驅動模塊下發調光命令，每一組調光驅動可負載控制隧道內一段區間的變色溫燈具?；诠饫w環網的系統結構如圖1所示。

2系統硬件設計

2.1環境采集模塊硬件設計

環境采集模塊以低功耗STM32F103微處理器為核心，搭配光照強度傳感器、顏色傳感器、溫濕度傳感器、GPS傳感器、通信模塊和DC電源模塊[6]。STM32F103微處理器采用ARM32位的Coretex-M3內核，最高工作頻率72MHz，含512K字節的閃存存儲器[7]，64字節的SRAM，多達5個UART串口和2個I2C接口，有4個16位通用定時器，每個定時器有4個PWM通道。環境采集模塊硬件如圖2所示。

傳感器模組主要采集參數有光照強度、RGB顏色、溫濕度和經緯度信息，工作電壓均為3.3V。光照強度、顏色、溫濕度傳感器通過IIC總線與STM32F103微處理器通信，GPS傳感器通過串口與微處理器通信。數據傳輸模塊包括RS485和以太網兩種通信方式，實際應用中根據隧道長度選擇其中一種通信方式。以太網模塊選用APOBICO的YIXIN_W5500，它集成了TCP/IP 協議棧，支持 10/100Mbps 的網絡傳輸速率，支持 8個獨立端口同時運行。W5500 模塊工作電壓是3.3V，支持 3.3V或5V電源供電引腳。

系統選用220V轉12V的DC電源適配器為環境采集子系統硬件模塊供電。環境采集模塊內部降壓電路選用線性電源芯片HT333、lm7805，電源電路如圖3所示。

2.2調光驅動模塊硬件設計

調光驅動模塊由STM32F103微處理器、多組調光芯片JCP10、光電耦合電路、數據傳輸模塊和DC電源模塊組成。STM32控制輸出多路PWM波，每兩路PWM波為一組，經調光芯片JCP10輸出0～10V調光電壓作為變色溫燈具的白、黃兩路光源。一個調光驅動模塊負責調節一段區間燈具。JCP10是專用于控制0～10V調光LED的驅動芯片。輸入既可接單片機的PWM輸出，也可接可調電阻進行控制，輸出 0-10V/100MA。JCP10內部集成了運算放大器和推挽式功率輸出電路，外圍零件極少，使用靈活。電流檢測模塊采用磁感線圈檢測燈具電路中強電的電流，通過模擬信號傳給STM32，在STM32中處理、計算得到電流值，最終反饋給上位機。調光驅動模塊硬件框架如圖4所示。

3系統軟件設計

3.1環境采集模塊軟件設計

環境采集模塊核心是STM32微處理器，它負責存儲、處理傳感器采集的數據，并通過RS485或RJ45傳給上位機。光照強度傳感器和溫濕度傳感器將實時采集到的模擬信號經 A/ D轉換并處理后轉化成相應格式的數字信號[8]，通過IIC協議傳給STM32最小系統。顏色傳感器將采集的R、G、B數值通過IIC協議傳給STM32。STM32計算色溫函數如下[9]：

3.2調光驅動模塊軟件設計

STM32F103有多達11個定時器，其中有2個高級定時器和4個通用定時器，這6個定時器都是16位的。通用定時器可輸出4路互不影響的pwm信號。高級定時器可輸出3對互補pwm信號外加ch4通道，也就是一共7路[10]，這樣算下來stm32一共可生成30路pwm信號。本系統采用4個通用定時器生成16路pwm信號，可供8組調光驅動模塊調光。STM32主函數代碼如下：

int main（void）

{

SystemInit（）； /*系統時鐘初始化*/

GPIO_Config（）； /*GPIO端口初始化*/

TIM3_Config（）； /* 定時器初始化*/

while （1）

{

/* 接收外部USART中斷*/

}

}

3.3隧道管理中心工控機軟件設計

工控機功能用于環境信息的采集、展示和數據的存儲、計算，以及調光命令的下發，通過串口程序或Socket網絡程序與下位機通信。數據展示即UI界面，采用C#語言；數據存儲選用SqlServer數據庫。環境信息采集有定時采集和實時采集兩種工作模式，分別實現隧道洞外環境的周期性監測和緊急事件監測。定時采集模式提供3個可選周期，分別為30s、60s、300s，采集的數據實時保存到SqlServer數據庫。照明調光功能默認采用智能調光模式，緊急狀況下可選擇人工模式[11]。調光策略參照JTGT D70/2-01-2014公路隧道照明設計細則制定，依據隧道洞外環境的色溫、亮度和隧道設計時速實時調節隧道入口段、過渡段、中間段、出口段燈具的亮度和色溫[12]。智能管理模式和手動管理模式流程見圖6。

3.4調光策略

通常隧道照明分為入口段、過渡段、中間段、出口段[13]。隧道照明分區段設置是為滿足駕駛員視覺從高亮度向低亮度，或從低亮度向高亮度變化適應的需求[14]。在隧道設計時，過渡段亮度宜按入口段亮度折減[15]；中間段亮度值與隧道的設計速度和車流量有關，在公路隧道照明設計細則中有固定的數據參考；出口段亮度宜與中間段亮度呈正相關。由此可見，在隧道照明研究中，入口段照明是關鍵。以下給出入口段調光策略，其它段色溫值與入口段色溫值一致，亮度不同。白天隧道洞外色溫低于6000K時調光策略見表1，洞外色溫高于6 000K時調光策略見表2，晚上調光策略見表3，表中L20（S）是隧道洞外環境亮度。

4系統測試

4.1環境采集模塊測試

為方便總結、分析數據，實驗選取亮度、色溫可調的標準燈具作為數據采集對象。實驗器材包括：系統環境采集模塊、工控機管理軟件、柯尼卡測量儀。實驗采用改變燈具黃、白光源電壓配比方式，以柯尼卡測量儀所測數據為標準，與本系統上位機讀取數據進行比較。首先燈具黃色光源電壓保持0V不變，白色光源電壓從10V到0V均勻改變；之后白色光源電壓保持0V不變，黃色光源電壓從0V到10V均勻改變。測試數據曲線見圖7。

4.2系統測試

本系統在貴州畢節隧道進行了現場測試。在隧道洞外布置了環境采集模塊，在隧道內安裝了調光驅動模塊和可變色溫照明燈具。在不同天氣環境、不同時段對環境數據和隧道內燈具的亮度、色溫進行了測試[16]。圖8是某天24小時的環境色溫、亮度數據，隨之變化的入口段燈具色溫、亮度數據見圖9。經周期性負荷測試，系統工作穩定，燈具的亮度、色溫隨洞外環境值實時變化，符合設計規范。

5結語

本文設計了一種變色溫的公路隧道照明系統，對傳統隧道照明缺陷進行改進，給出了具體的亮度、色溫調節方案，可根據隧道洞外環境參數及隧道的設計時速對隧道燈具無極調控。系統簡單經濟、穩定可靠、實時性好。在減少隧道安全隱患、改善駕駛員視覺功效方面有一定推廣價值。

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責任編輯（責任編輯：杜能鋼）