基于Zigbee的智能LED隧道照明系統(tǒng)設(shè)計

杜國憲

[摘? ? 要]近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，給道路交通帶來了巨大的壓力。隧道工程能有效地緩解道路交通的現(xiàn)狀，促進我國經(jīng)濟發(fā)展。正是由于隧道工程的重要性，我國近些年加大了在該工程中的資金投入。在隧道工程中照明系統(tǒng)是隧道建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)，因此也逐漸成為當下研究的熱門領(lǐng)域。鑒于此，基于Zigbee技術(shù)對智能LED隧道照明系統(tǒng)進行了設(shè)計。

[關(guān)鍵詞]Zigbee技術(shù);隧道照明系統(tǒng);智能LED

[中圖分類號]TM923.34 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–00–02

Design of Intelligent LED Tunnel Lighting System Based on Zigbee

Du Guo-xian

[Abstract]In recent years， with the development of my country's economy， it has brought tremendous pressure to my country's road traffic， and tunnel engineering can effectively alleviate the current situation of road traffic and promote the development of my country's economy. It is precisely because of the importance of the tunnel project that my country has increased its capital investment in the project in recent years. In the tunnel engineering， the lighting system is a key part of the tunnel construction， so it has gradually become a hot field of current research. In view of this， the intelligent LED tunnel lighting system is designed based on Zigbee technology.

[Keywords]Zigbee technology; tunnel lighting system; smart LED

隧道工程的建設(shè)能有效地緩解我國道路交通的壓力，對于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展具有重要作用。隧道照明系統(tǒng)是隧道過程中非常重要的一環(huán)，在我國逐漸受到重視。隨著我國隧道工程的增加，交通事故的數(shù)量也不斷提升，因此，需要設(shè)計一套安全、穩(wěn)定且節(jié)能的智能照明系統(tǒng)。

1 Zigbee技術(shù)分析

該項技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，具有低成本、低功耗的技術(shù)優(yōu)勢。該技術(shù)的出現(xiàn)定義了一種新的通信標準，制定了短距離無線通信的通信協(xié)議，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達250 kbps。近些年來，該技術(shù)在我國多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過對該項技術(shù)的了解與分析，可以發(fā)現(xiàn)該項技術(shù)的技術(shù)特征符合隧道照明系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)搭建需求，因此本文基于Zigbee無線通信技術(shù)，對隧道智能照明系統(tǒng)進行設(shè)計。

2 智能LED隧道照明系統(tǒng)基于Zigbee技術(shù)的設(shè)計方法

2.1 在Zigbee無線模塊基礎(chǔ)上LED燈具設(shè)計

LED光源相比于其他光源，亮度的調(diào)節(jié)區(qū)間較大，能從0到100%之間進行任意調(diào)控，而LED燈的任何亮度值都不會對使用壽命造成影響，同時光源亮度的調(diào)節(jié)方式也相對簡單。LED燈具正是憑借其技術(shù)優(yōu)勢，逐漸取代其他光源成為了隧道系統(tǒng)的主要光源。目前，我國隧道照明系統(tǒng)已經(jīng)開始大量使用LED燈具，但是由于之前的布線和控制系統(tǒng)都是針對其他光源進行設(shè)計的，現(xiàn)在改用LED燈具并不能充分發(fā)揮出自身的優(yōu)勢。因此，本文針對這一問題對LED燈具進行設(shè)計，從而提高其易控性。

半導體需要使用直流電，為了使LED燈具正常使用就需要對市電進行處理。①使用EMI濾波器對市電電流進行整流從而將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?②經(jīng)過功率校正模塊來提高電源的功率，減少諧波對線路的干擾。在燈具中增加無線通信模塊，使隧道照明系統(tǒng)中的燈具組建成一個整體的無線網(wǎng)絡(luò)，只需要一個控制器，就可以實現(xiàn)對所有LED燈具的控制，同時增加PWM模塊可以實現(xiàn)對LED燈具亮度的調(diào)節(jié)。

2.2 智能LED隧道照明系統(tǒng)傳感器采集模塊設(shè)計

照明系統(tǒng)的傳感器采集模塊也是非常重要的一部分，采集模塊可以實現(xiàn)對隧道外部光亮、內(nèi)部車流量以及車速等數(shù)據(jù)信息進行采集。本文采集模塊的設(shè)計如圖1所示。

采集模塊可以為隧道照明控制系統(tǒng)提供必要的輸入?yún)?shù)，并根據(jù)這些參數(shù)實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的智能控制。采集模塊會同時采集到模擬信號與數(shù)字信號，而微控制器不能對模擬信號進行有效識別，只能處理數(shù)字信號。這時就需要對采集到的數(shù)據(jù)信號進行處理，采用A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備對模擬信號進行處理，以便能被微控制器進行接收與傳輸。采用STM32微控制器，對傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過Zigbee技術(shù)進行收發(fā)。STM32芯片能充分發(fā)揮出采集模塊的功效，保證無線通信銜接的流暢性。

2.3 智能LED隧道照明系統(tǒng)分段控制模塊設(shè)計

分段控制模塊的主要功能是與分段區(qū)域內(nèi)所有LED燈具以及其他傳感器進行數(shù)據(jù)交互。也就是說將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給控制器，再將控制器的指令傳遞給LED燈具，從而實現(xiàn)對光源的智能調(diào)控。當隧道內(nèi)照明燈具出現(xiàn)故障時，維修人員可以通過遙控來使故障區(qū)域的燈具斷電，在進行維修的同時也不會影響隧道的正常使用。

2.4 智能LED隧道照明系統(tǒng)路由節(jié)點設(shè)計

2.4.1 總體功能設(shè)計

在整個隧道照明系統(tǒng)中，路由節(jié)點的主要作用是數(shù)據(jù)信息的采集、新設(shè)備的入網(wǎng)、數(shù)據(jù)信息的收發(fā)以及對LED燈具的調(diào)節(jié)，其總體功能如圖2所示。

2.4.2 初始化與任務(wù)處理函數(shù)

照明系統(tǒng)中的路由節(jié)點需要具備4種功能，在實際設(shè)計時需要在Zstack協(xié)議棧的應(yīng)用層中增加相應(yīng)的處理函數(shù)，從而使路由節(jié)點可以實現(xiàn)上述4種功能。處理函數(shù)的主要作用是對觸發(fā)任務(wù)的事件進行處理，有時一個任務(wù)可能包含多個事件，這時就需要對結(jié)點中的對應(yīng)函數(shù)事件進行相應(yīng)地處理，在處理函數(shù)設(shè)計上可以根據(jù)隧道照明系統(tǒng)的實際需求進行添加，滿足照明系統(tǒng)的實際需求。

2.4.3 程序設(shè)計

路由節(jié)點的工作流程如圖3所示。

（1）進行系統(tǒng)的初始化并對自身的相關(guān)配置參數(shù)進行讀取，從而將其配置成路由器節(jié)點。

（2）啟動操作系統(tǒng)，開始創(chuàng)建任務(wù)類別并對其進行優(yōu)先級設(shè)置。同時在系統(tǒng)中建立無線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)也就是LED燈具未來需要加入的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)一直處于信號等待的狀態(tài)，也就是空任務(wù)運行。當網(wǎng)絡(luò)收到請求信號時，則將其加入到網(wǎng)絡(luò)中，并根據(jù)需求進行任務(wù)掛起，當綁定完成后，網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)處于信號等待狀態(tài)，同時繼續(xù)運行空任務(wù)。

（3）當路由器節(jié)點接收到調(diào)控器所發(fā)出的控制信號后，照明系統(tǒng)中的采集模塊就開始對外部的數(shù)據(jù)信息進行采集，路由節(jié)點會將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送給控制器，控制器對數(shù)據(jù)分析后會產(chǎn)生不同占空比的PWM波形，該波形可以驅(qū)動電路發(fā)出指定的電流信號，從而實現(xiàn)對LED燈具的亮度控制，完成照明系統(tǒng)的智能調(diào)光。

2.5 智能LED隧道照明系統(tǒng)協(xié)調(diào)節(jié)點總體功能設(shè)計

設(shè)計的協(xié)調(diào)節(jié)點功能主要包含4點：無線組網(wǎng)、串口控制、故障監(jiān)測及數(shù)據(jù)收發(fā)，如圖4所示。

2.6 智能LED隧道照明系統(tǒng)控制管理模塊設(shè)計

照明系統(tǒng)的控制管理模塊可以實現(xiàn)LED燈具的3種不同照明方式，分別為定時照明、智能調(diào)光以及恒照明模式。隧道照明系統(tǒng)管理人員可以在管理界面中對這三種不同的照明方式按不同的分區(qū)進行選擇。如使用恒照明模式，開啟該模式的燈光區(qū)域會持續(xù)點亮，同時光源亮度并不會隨著外界亮度的變化而改變。通常這種照明方式用于隧道的檢修工作，可以為檢修人員提供充足的光源。智能調(diào)光模式，選擇該模式的燈光區(qū)域，其亮度會根據(jù)隧道內(nèi)外的參數(shù)信息進行自動調(diào)節(jié)，減少對電力資源的消耗。智能調(diào)光模式也是隧道照明控制系統(tǒng)最主要的照明方式，可以達到節(jié)能的目的。定時照明模式，照明系統(tǒng)管理人員可以對選定區(qū)域內(nèi)光源的照明時間進行設(shè)定，選定區(qū)域內(nèi)的照明模式依然使用智能調(diào)光模式，只不過當?shù)竭_指定時間后選定區(qū)域內(nèi)的光源將會自動關(guān)閉，這種控制模式一般適用于一些定時開放的隧道，在滿足隧道使用需求的同時達到節(jié)能的效果。

3 結(jié)束語

近年來，我國的隧道工程不斷增加，隧道照明系統(tǒng)是其中非常重要的一環(huán)。目前我國的隧道照明系統(tǒng)存在著許多缺點，如節(jié)能效果差、維護成本高以及智能程度較低等。因此，基于Zigbee無線通信技術(shù)進行隧道的智能控制系統(tǒng)設(shè)計，在光源選擇上采用新一代的LED光源，在滿足設(shè)計需求的同時實現(xiàn)節(jié)能的目的。

參考文獻

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