隧道照明控制系統中傳感器的設計與實現

竇 亮

（中鐵電氣化局集團第一工程有限公司，北京 100070）

1 隧道照明控制系統傳感器種類

在隧道照明控制系統的研究和設計方面，傳感器作為環境監測的數據來源，是整個系統的重要組成部分。目前常用的傳感器主要包括亮度傳感器、光源色溫傳感器、溫濕度傳感器、線圈車檢器和微波車輛檢測傳感器等。傳感器一般具有RS485通信接口。

1.1 亮度傳感器

直接采集路面亮度，通常需要采用四點法或中心布點法進行測量[1]，由于存在一定實施難度，因此在隧道照明控制系統中，一般采用間接測量方式獲得亮度，即使用照度計或照度傳感器獲得路面的照度，然后通過換算公式將照度轉換為亮度。亮度與照度的換算公式為：

式中，L為亮度；E為照度；ρ為路面在該方向上的反射率。

1.2 色溫傳感器

色溫的高低會影響駕駛員的反應時間和人眼瞳孔，通過分析光源色溫與反應時間和人眼瞳孔大小變化的關系，可以得到光源色溫對隧道照明效果的實際影響[2]。目前在隧道中也逐步采用可變色溫的燈具，因此隧道照明控制系統中也需要使用色溫傳感器進行色溫數據采集。

1.3 溫濕度傳感器

在某些以高山為主或湖泊較多的地區，由于地貌原因，存在較多的大霧和團霧，嚴重影響駕駛員的駕駛安全。在隧道照明控制系統中，可以通過溫濕度傳感器采集溫濕度值，從而判斷隧道口是否存在霧氣。

1.4 車輛檢測傳感器

車輛進出隧道數據也是隧道照明控制系統進行判斷的重要數據來源，車輛檢測的方式大致可分為3種：磁頻車輛檢測、波段車輛檢測以及視頻車輛檢測。

使用磁感應線圈的磁頻車輛檢測傳感器是目前應該最廣的傳感器。該車輛檢測器不僅可以檢測車輛經過，還可以根據數據分析得到通過線圈的車輛的車速和車型等信息。

2 傳感器硬件設計

2.1 亮度傳感器硬件設計

亮度傳感器采用BH1750FVI光強度傳感器集成電路，該集成電路具有16位ADC模擬數字轉換分辨率，擁有接近視覺靈敏度的感光元件，具有0～65 535 lx的光強度感應范圍，并將光強度轉換為數字信號并通過IIC接口與微處理器連接和通信。BH1750FVI的工作電路如圖1所示。

圖1中，BH1750_SCL和 BH1750_SDA為 IIC接口的時鐘線和數據線，連接微處理器的IIC接口；ADR為芯片IIC地址線，連接GND時BH1750FVI的地址為0100011，連接3V3時地址為1011100，因此一個IIC接口最多可以連接2個BH1750FVI傳感器。

2.2 色溫傳感器硬件設計

色溫傳感器采用可編程TCS34725全彩RGB顏色識別傳感器集成電路，該集成電路采用光學感應識別色彩，可以感應明光，輸出具體顏色數據。TCS34725包含4個ADC模擬數字轉換器，同時添加了紅外遮光片，最大程度上減少了入射光的紅外頻譜干擾。TCS34725通過IIC接口與微處理器連接和通信。TCS34725的工作電路如圖2所示。

圖2中tcs34725_SCL和tcs34725_SDA為IIC接口的時鐘線和數據線，連接微處理器的IIC接口，TCS34275沒有外接地址線ADR，因此只能使用固定地址0x29。所以電路中一個IIC接口只能連接1個TCS34275集成電路。

2.3 溫濕度傳感器硬件設計

溫濕度傳感器采用SHT20數字型傳感器集成電路。該集成電路將改進型電容式傳感器、標準型溫度傳感器和ADC模擬數字轉換單元集成在一個CMOSens?芯片上，其相對濕度測量范圍為0%RH～100%RH，典型誤差為±3.0%RH，溫度測量范圍測量范圍為-40 ～125 ℃，典型誤差為±0.3 ℃。

2.4 車輛檢測傳感器硬件設計

車輛檢測傳感器是利用埋在路面下方的環形線圈，通過振蕩電路和整形電路將線圈產生的正弦波振蕩信號整形成方波信號，微處理器通過輸入捕捉引腳獲得該方波信號，用來判斷是否有車輛經過。

2.5 傳感器的通信接口設計

傳感器一般通過RS-485總線與其他設備和主機相連，所以需要傳感器微處理器的串行通信TTL電平信號轉換為RS-485總線信號。由于總線電纜上可能存在干擾，因此一般使用隔離信號轉換模塊。

3 傳感器軟件設計

傳感器設計中主要實現采集芯片與微控制器MCU之間的通信和數據傳輸。本設計中主要采用IIC通信接口，并在IIC通信基礎上，解析不同的數據包并獲得傳感數據，因此以色溫傳感器TCS34725的軟件設計為例，介紹IIC通信及數據傳輸流程。

3.1 IIC通信總線

IIC通信總線是一種全雙工的同步總線，提供多主機功能，控制所有IIC總線特定的時序、協議、仲裁和定時，支持標準和快速兩種模式。IIC總線只有兩根雙向信號線SDA和SCL，使用IIC接口可以很輕易地實現總線多個器件的數據通信。

3.2 色溫傳感器軟件設計

色溫傳感器TCS34725使用IIC通信協議進行配置和讀寫操作，支持7位IIC總線設備地址，其地址為十六進制0x29。TCS34725主要支持IIC通信的讀寫操作，具體傳輸格式如圖3所示，其中S為起始碼，P為停止碼，A為應答碼，W為0表示寫操作，R為1表示讀操作，設備地址為0x29。圖3中數字1、7、8表示數據位數。

在軟件編程中需要編寫IIC通信的底層驅動程序，具體函數包括IIC初始化函數IIC_Init()、IIC讀數據函數IIC_Read()、IIC寫數據函數IIC_Write()、IIC發送起始碼函數IIC_Start()、IIC發送停止碼函數IIC_Stop()和IIC發送應答碼函數IIC_ACK()等。

在發送讀寫命令和進行配置的時候，還需要給出TCS34725內部的寄存器地址，具體寄存器地址可參考數據手冊。配置完成并進行轉換后，顏色數據可以讀出，地址分別為0x16～0x1B共6 Bytes，分別對應顏色R值（2 Bytes）、顏色G值（2 Bytes）和顏色B值（2 Bytes）。讀取上述數值后，利用式（2）和公式（3）計算出最終的色溫值vCT（單位K）。

式（2）是將RGB顏色坐標軸轉化成CIE顏色坐標軸。RGB顏色坐標軸采用的是物理三基色，不同的設備之間不能進行互通，而CIE顏色坐標軸更適用于進行標準的顏色計算。計算出CIEx、CIEy后，利用式（3）計算出色溫值vCT。其中，n為等溫線斜率的倒數，由式（4）計算而來。

4 結 論

綜上所述，傳感器是隧道照明控制系統的重要組成部分，是獲取亮度、色溫、溫濕度及車流量等數據的感應單元。通過傳感器集成電路選型，選擇合適的傳感器器件，結合硬件設計和軟件設計，可以快速的設計適合隧道照明控制系統的傳感器。