基于ZigBee的隧道照明智能控制系統研究與實現

(1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082； 2.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082；3.湖南沛科交通工程技術股份有限公司，湖南 長沙 400116)

隨著國民經濟的迅速發展，公路建設規模日益擴大，我國已成為世界上公路發展最快、隧道數量最多的國家。在隧道機電系統中，照明負荷約占總用電量的30%，隧道照明在交通能耗方面占了很大比例，但有很大的節能改造空間[1-3]。現階段的隧道照明控制系統一般都采用有線調光控制或分回路控制方式，有線調光建設成本高、布線復雜、現場施工工藝煩瑣，增加了施工的危險性[4-6]；采用回路通斷和分組分級調光不能實現隧道亮度平滑控制，難以滿足隧道安全行車的要求，且造成較大的電能浪費[7-9]；此外，系統缺乏燈具故障檢測與主動報警機制，需人工巡查才能確定燈具故障和燈具位置，隧道照明維護效率低[10-11]。

近年來，隨著物聯網技術的發展，已經有一些具備短距離、小數據流量和低功耗特征的無線終端控制器應用于公路照明領域[12]。但現有的無線終端控制器功能簡單，沒有燈具故障自動檢測與定位功能，不適用于隧道照明。為了解決上述隧道照明控制的關鍵問題，本文利用ZigBee無線自組網優勢，設計了一種基于ZigBee無線技術的隧道照明智能控制系統。在湖南5條隧道的實際運行效果表明，該系統能夠實現無線智能調光和燈具故障自動檢測與主動報警功能，具有施工簡單、節約能源等優點，且極大地提高了隧道照明的維護效率，與傳統隧道照明相比節能率達到55%。

1 系統總體方案設計

1.1 無線網絡拓撲設計

ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低速率和低成本的雙向無線通信技術[12]。本文采用128 KB閃存、8 KB SRAM、兼容8051內核的CC2530芯片進行ZigBee無線網絡節點的硬件開發，采用TI公司的ZigBee協議棧進行無線網絡節點的軟件開發，ZigBee無線網絡協議層如圖1所示，用戶只需在應用層定義所需要的功能，開發方便。

圖1 ZigBee無線網絡協議層

ZigBee具有星狀、樹狀和網狀3種網絡拓撲結構[13]。綜合考慮隧道長度、環境、隧道照明燈具布置等因素，本設計方案的ZigBee無線網絡采用樹狀網絡結構(如圖2所示)，由協調器、路由器和終端控制器3種類型節點構成。實際使用中，協調器安裝于隧道中間，一個樹狀支路控制一段隧道照明燈具。

1.2 隧道照明智能控制系統結構與功能

基于圖2所示的ZigBee無線樹狀網絡拓撲結構，設計的隧道照明智能控制系統結構如圖3所示，由系統主控制器、協調器、路由器、終端控制器和LED燈具組成，圖中n表示無線樹狀網絡大小。系統主控制器采用工業控制計算機或者PLC控制器，通過RS485總線與多臺無線協調器連接，構成隧道管理所級別的ZigBee無線隧道照明智能控制系統。

圖2 ZigBee樹狀網絡拓撲結構

圖3 基于ZigBee無線技術的隧道照明智能控制系統結構圖

該系統各個部分的功能如下。

① 主控制器運行調光控制算法，產生隧道燈具控制與調光命令，并通過無線協調器將命令發送到各個無線節點；收集各燈具運行狀態與故障信息；同時，主控制器與隧道配電系統通信，采集配電參數，完成相應功能；還可以通過互聯網與其他網絡連接，組成高級監管平臺與系統，實現隧道遠程監管。

② 協調器具備三大功能：通過RS485總線接收上位機發來的命令或者返回燈具故障狀態信息和節點故障狀態信息；創建ZigBee無線網絡，在網絡內自動修改路由器、終端控制器ID號等組網參數；與所在網絡中的每個無線節點進行無線通信，發布單燈或者群燈的調光命令、電源控制命令、燈具故障檢測命令，獲取燈具運行狀態和故障信息。

③ 由路由器組成網絡的無線分支，轉發信息，延長網絡的傳播距離，同時，路由器還與LED燈具相連接，具備終端控制器的所有功能，因此，在硬件設計上路由器與終端控制器完全一樣。終端控制器通過ZigBee無線通信方式與協調器進行通信，解析并處理協調器發來的控制命令，根據命令解析結果，相應地完成對所連LED燈具的調光控制、電源開關控制，或者返回燈具故障狀態值與故障定位數據。路由器在終端控制器功能基礎上，還具有轉發命令信息和允許其他節點通過它接入到網絡的功能。

1.3 模糊調光控制算法設計

系統模糊控制算法模型如圖4所示，主控制器通過協調器收集相應隧道環境信息，如隧道洞內外亮度、車流量和車速等參數，將其轉換成數字量作為模糊控制器的輸入信號，通過模糊控制器進行模糊判斷分析和去模糊化，生成調光控制策略；調光策略信息經串口通信發給協調器，由協調器無線轉發給與LED照明燈具直接相連的無線節點，從而驅動 LED 驅動電源產生相應的線性0～10 V調光信號，或者適時地關閉部分加強照明燈具，實現LED照明燈具實時準確的亮度變化。

圖4 系統模糊控制算法模型

2 協調器和無線節點的硬件與軟件設計

2.1 硬件設計

本系統設計的硬件主要有基于兼容8051內核的CC2530芯片開發的協調器和無線節點。協調器硬件組成框圖如圖5所示，主要由220 V轉12 V電源模塊、12 V轉5 V電源模塊、12 V轉3.3 V電源模塊、485串口通信模塊和CC230無線模塊組成。

圖5 ZigBee無線協調器硬件組成框圖

無線節點模塊框圖如圖6所示，主要由220 V轉12 V電源模塊、12 V轉3.3 V電源模塊、繼電器模塊、電流采集模塊、模擬量調光模塊和CC230芯片組成。

無線節點與LED燈具及其驅動電源直接相連，采用模擬量調光模塊將幅值為3.3 V、占空比可調的PWM信號轉換成0～10 V的燈具線性調光控制信號；通過繼電器模塊控制燈具電源的開關；使用電流采集模塊采集流過燈具的電流，實現燈具故障的實時檢測。

圖6 ZigBee無線節點模塊框圖

2.2 軟件設計

系統需要開發無線協調器、路由器和終端控制器3類節點的程序，均使用Z-STACK協議棧提供的函數進行開發。每類節點的程序首先都進行系統初始化，即初始化硬件抽象層、網絡層、任務、變量與數組等[14]，使用函數osal init_system()實現操作系統初始化，內部包含初始化任務ID函數osalInitTasks()；然后執行函數osal_start_system()啟動操作系統，使系統進入循環，不斷對任務進行遍歷執行。組網時，由協調器建立唯一的ZigBee無線網絡，只有與之PAN ID一致的無線節點才能加入網絡。3種類型節點都是調用static void GenericApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt)函數對收到的無線信息進行處理，調用afStatus_t AF_DataRequest()函數進行無線數據發送。

2.2.1 協調器的軟件開發設計

協調器具備ZigBee自組網、發布智能調光命令、實時監測燈具故障狀態和無線單燈控制器故障狀態等功能，其軟件主程序流程如圖7所示。協調器初始上電后，首先執行系統初始化，然后通過主動掃描信道，向網絡層發送一個信標請求命令(Beaconrequest command)，并且設置一個掃描期限(T_scan_duraTIon)，如果在掃描期限內沒有檢測到信標，即當前網絡內沒有其他協調器存在，則建立自己的ZigBee網絡，一個網絡內只允許一個協調器存在[15]。完成組網后，協調器中斷開啟。

無線數據接收中斷由節點發起，用于向協調器返回節點的相關狀態信息。串口數據接收中斷由主控制器發起，在該中斷服務子程序中，協調器使用串口回調函數static void GenericApp_CallBack(uint8 port,uint8 event)解析并處理數據。協調器與主控制器之間通過RS485串行通信接口連接，采用標準的Modbus RTU通信協議進行數據交換，使用3種功能碼實現通信功能：

① 0x06功能碼實現燈具組調光和單燈調光控制。主控制器發送命令、協調器響應命令的協議格式一樣，如表1所示。

圖7 協調器主程序流程圖

位碼含義作用XX協調器從設備ID從設備ID為XX的協調器接收、響應命令06功能碼調光命令AA AA調光組號AA AA 為1002基本燈組調光,AA AA 為1003加強燈組調光,其他則單燈調光MM MM調光值取值范圍0～100,對應0～10 V調光CRCL/CRCHCRC校驗通信校驗,提高通信可靠性

② 0x03功能碼讀取燈具故障狀態和無線節點的故障狀態。主控制器發送讀取故障狀態命令格式如表2所示，協調器響應命令的協議格式如表3所示。

表2 主控制器發送讀取故障狀態命令的協議格式

表3 協調器響應讀取故障狀態命令的協議格式

③ 0x0F功能碼實現單個燈具電源開關控制。主控制器發送單燈電源開關命令格式如表4所示，協調器響應命令的協議格式如表5所示。

表4 主控制器發送燈具電源開關控制命令的協議格式

表5 協調器響應燈具電源開關控制命令的協議格式

2.2.2 無線節點的軟件開發設計

路由器和終端控制器的主程序流程基本一致，如圖8所示，設計上的不同之處在于路由器除了具備對燈具進行智能調光和電源開關控制、定時檢測燈具故障狀態的功能外，還具有擴展無線網絡、轉發無線消息至終端節點的功能。路由節點上電后，先執行系統初始化，然后掃描信道內是否有與之PAN ID一致的協調器或路由器存在，有則請求入網。入網成功后，協調器給路由節點分配網絡短地址[14]。當路由節點收到終端發來的入網請求時，先確認終端節點的合法入網信息，再與之建立網絡連接。路由器采用中斷方式接收協調器發來的無線數據并進行解析，根據不同的功能需求做出不同的響應，如對所連接的燈具進行調光或者電源開關控制、定時檢測燈具的故障狀態信息、將故障及定位信息反饋給協調器；如果是轉發無線數據給相應的終端節點，路由器則從網絡幀的轉發列表中查找下一跳節點的地址并將無線信息轉發出去。

終端節點上電后，掃描信道內是否有與之PAN ID一致的協調器或者路由器存在，有則請求入網，入網成功后，終端節點獲得一個網絡短地址[15]。終端控制器采用中斷方式接收協調器發來的無線數據并進行解析，根據不同的功能需求做出不同的響應，對所連接的燈具進行調光或者電源開關控制，并定時檢測燈具的故障狀態信息，將信息實時反饋給協調器。

3 系統應用實例

系統設計以湖南省益婁高速某隧道左洞為應用背景，隧道全長397 m，雙車道單向通行。隧道內實際照明布置場景如圖9所示，系統由主控制器、協調器、若干個路由器、終端控制器和LED燈具組成；主控制器安裝在隧道電控室，每盞燈配備一個ZigBee無線節點。

圖8 無線節點的主程序流程圖

實際應用時，隧道被控燈具分為加強燈組和基本燈組。系統在隧道內的實際運行效果如圖10所示，實現了加強燈組的單燈電源開關控制(間隔亮燈)和智能調光，從而創造合理的隧道視覺環境，確保車輛行駛安全，并達到節能的目的。

圖10 隧道智能調光模式運行效果

隧道從2018年1月20日開始進行改造，已于2018年3月底完成改造，并實現了所有照明回路的能耗監測。采用智能調光控制模式和傳統照明模式下的照明能耗數據如表6所示，智能調光模式下的數據采集條件為：主控制器運行模糊調光控制算法，燈具通過無線通信實現調光、單燈電源開關控制，采用LED照明燈具，采集2018年4月7～16日的數據；傳統照明模式下的數據采集條件為：主控制器僅以洞外亮度為控制參數進行分級回路控制，燈具通過有線連接方式調光，采用LED照明燈具，采集2018年1月1～10日的數據。

表6 隧道照明能耗數據采集表 單位：度

由表6數據可得出隧道智能調光較傳統調光模式的照明能耗對比值為

(127.09-57.17)/127.09=55.02%

(1)

即系統能夠實現隧道照明的優化與節能，節能率可達到55.02%。

4 結束語

基于ZigBee無線技術研究設計了隧道照明智能控制系統，根據隧道特點及其實際的功能需求，設計開發了協調器、路由器和終端控制器，實現了對隧道內照明燈具的電源開關控制、平滑調節亮度和故障檢測，并利用單燈控制功能對不同類型的隧道燈具進行回路分組開關控制，從而簡化了隧道照明的供配電系統。無線調光與有線調光相比，不需要布設調光電纜，降低了公路隧道照明系統的建設成本，縮短照明系統的施工周期。此外，基于ZigBee無線網絡技術的燈具故障檢測功能取代人工排查故障，能夠提高隧道照明及燈具的故障維護效率，降低隧道安全運營風險。系統在多條隧道中的實際運行效果驗證了系統的有效性和可靠性。該系統能夠顯著降低隧道照明能耗，確保隧道行車安全，具有實際工程應用價值。