一種新型節能隧道照明控制系統設計

馮海霞，劉 航，趙登峰，張建鑫

（1.金昌聚源水處理有限責任公司，甘肅 金昌 737100；2.甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100）

現階段國內高速公路隧道照明系統多使用長明燈，造成大量電能浪費的同時，也無法做到結合使用場景的燈光亮度合理調控。基于此，本文提出全新的高速公路隧道照明控制系統，該系統可以做到對高速公路隧道內燈光亮度的合理調控，在確保行車安全的同時減少電能損耗，有效符合國家層面提出的節能減排目標。

1 設計方案

1.1 設計總體思路

通過深入研究現代隧道照明的相關資料，嘗試進行新型隧道照明控制系統的設計，控制系統中包含節能控制模塊、交通信息檢測器及一定數量的照明單元等，由交通信息檢測器完成各類數據的收集，輸出端與節能控制模塊相互連接，由其完成數據的分析和控制指令的生成，節能控制模塊通過RS485線路與照明單元連接，實現對照明單元的亮度調控，達成設計目標。整個設計的結構框架，如圖1所示。

圖1 自適應隧道節能照明控制系統結構示意圖

1.2 新型節能隧道照明控制器的結構設計

控制器的設計過程中，核心單元選擇基于STC89C52單片機進行設計，所有的組成部分如運算器、存儲器和控制器等都集成在對應的單片機上。這種設計方式的特點是可以保持較高的運算效率，系統的可靠性、靈活性也得到保障，靜態環境下電能需要少，而且穩定性高，基本不會出現控制器故障等問題。

2 工作原理

2.1 交通信息檢測模塊

綜合近5 a關于交通檢測系統與信息采集系統的研究來看，涉及的多為雷達探測技術、計算機技術及通信技術等高新技術。從交通信息檢測系統的類型上來看，電感環檢測器、超聲波檢測器和紅外檢測器等屬于較為常見的幾種。立足于資金投入和實際應用效果2個考量點，環形線圈式車輛檢測器相較于其他檢測器展現出顯著的競爭優勢，實際應用過程中，該模塊可以檢測到是否有車輛需要穿越隧道，如果檢測到車輛經過，則生成1個繼電信號并發送給主要控制模塊，進而實現車輛通行信息的采集與傳輸。研究中對該模塊運用的原因在于其相較于其他模塊具有更快的反應速度，經測定可在50 ms內做出正確的反應，最快的反應時間可以達到35 ms。該模塊的工作原理圖，如圖2所示。

圖2 地感式環形車輛檢測器工作原理示意圖

2.2 智能節能控制模塊

本設計使用的智能節能控制模塊，組成部分包括微處理器、穩壓模塊、反相器、達林頓晶體管驅動模塊和繼電器模塊。穩壓模塊的主要作用是穩定輸入段的壓力，需要將其接入到直流電源內，穩壓模塊包括3個輸出端，分別接入到反相器、微處理器和達林頓晶體管驅動模塊。在本設計中，微處理器基于STC89C52單片機進行設計，輸出端的信號類型為RS485。

2.3 RS485總線通信模塊

設計中使用到的RS485標準的通信平臺，相較于其他類型具有經濟性高、噪聲抑制效果好、傳輸距離遠和傳輸速率高等一系列特點，此外，RS485電路方面也具有操作簡單、成本低廉的特點。近20 a，RS485標準的應用效果已經在諸多領域得到驗證，可將其作為本次設計的數據傳輸鏈路使用。

2.4 照明單元

設計中照明單元包括2個組成部分，分別為子控制系統和LED照明模塊，照明單元通過RS485通信線路與控制器連接。實際使用過程中，控制模塊會對隧道內的光照情況進行采集，通過數據分析后發出LED隧道燈組亮度的控制信號，實現對隧道光照的調控。此外，車輛通行過程中隧道光照的控制系統可以實現燈組亮度結合車輛位置的調控，針對較大車流量的情況，控制系統會自動將隧道燈組設置為常亮。實際照明單元的控制系統結構，如圖3所示。

圖3 照明單元系統控制結構圖

3 理論設計運算

3.1 數據運算處理（算法）

（1）隧道各路段照明亮度的控制。隧道照明控制系統的控制原理是利用傳感器來收集當前路段的光照信息，即在自然光作用下的隧道內亮度情況，之后將收集到的光照信息傳輸給控制器，由控制器進行亮度調控。

（2）脈沖寬度調制（PWM）信號的生成。就隧道不同路段的亮度情況來看，入口路段的亮度值最高，正常情況下隧道外的光照亮度值為6 000 cd/m2，入口路段的亮度值則為隧道外的亮度值乘以折減系數，不同隧道對應的折減系數不同，其中最大值為0.045。基于此，對于隧道中亮度值最高的入口段，在充分考慮余量的情況下，其最大亮度值可達到300 cd/m2。

實際運算過程中，需要設定入口段的占空比為0，而對應自然光照下亮度值為0的區域，設定其占空比為1。此時，需要求隧道內一路段的亮度值L，用d表示此路段的占比空，L的計算公式可以呈現如下

推導可得占空比的計算公式

根據占空比的計算公式，導入隧道內1個路段的亮度值，就可以計算此路段的占空比，進而明確PWM控制信號的占空比參數，用于輔助隧道亮度控制系統實現亮度調節。

3.2 信息指令的編碼設計

3.2.1 控制指令編碼形式

控制指令承載著隧道燈組亮度控制的信號，其傳遞的信息為當前路段的車輛通行數據、實際光照數據等，其編碼情況見表1。

表1 控制指令編碼格式

（1）當前路段的亮度信息占用7碼位，可以實現對燈組亮度情況的128級調整。

（2）當前路段的開關信息占用1碼位，一般情況下呈現為0，遇到車流量較大的特殊情況，信號呈現為1，表示所有路段的燈組調整為常量模式。

（3）當前車輛的通行信息占用7碼位，信號反應了最后一次車輛位置的檢測數據。

（4）循環冗余校驗（CRC）占用16碼位，其作用是對傳輸數據的正確性進行驗證，確保數據可靠。

（5）標志位占用32碼位，其作用是表示該指令的類別以及作用，其中控制指令一般表示為1。

3.2.2 檢測指令編碼形式

對于檢測指令來說，其主要反映控制器運行狀況的檢測結果，包括控制器異常的類型、位置等，為控制器的更換和維修工作提供支持，具體編碼情況見表2。

表2 檢測指令編碼格式

（1）光照傳感器運行狀況檢測所得數據占用1碼位，該碼位中呈現為0表示光照傳感器處于正常工作狀態，呈現為1則表示光照傳感器存在運行故障問題。

（2）控制器檢測運行狀況所得數據占用1碼位，該碼位中呈現為0表示控制器處于正常工作狀態，呈現為1則表示控制器存在運行故障問題。

（3）故障段位編號占用6碼位，所反映的信息為當前故障所處的段位。

（4）故障段號占用7碼位，所反映的信息為當前故障在對應段位中所處的段號，用于準確鎖定故障位置。

（5）循環冗余校驗（CRC）校驗占用16碼位，其作用是對傳輸數據的正確性進行驗證，確保數據可靠。

（6）標志位占用32碼位，其作用是表示該指令的類別及作用，其中檢測指令一般表示為0。

4 系統設計結果與分析

為了驗證本設計方案的可行性和節能減排的性能，在實驗室搭建1個隧道燈光亮暗控制系統和燈光亮度控制系統并進行了實際的測試。

4.1 系統燈光亮暗功能測試

該模擬隧道燈光亮暗控制系統是由STM32單片機、繼電器、光電傳感器和LED燈組成。該系統通過光電傳感器檢測車輛流量及車輛通過狀況，把相關信息傳入單片機進行相關處理，單片機再通過控制繼電器，來實現對LED的接通與斷開。

實驗室測試時使用3輛不同的車輛，通過行車到達檢測區前、行車到達檢測區時、行車經過檢測區后及行車遠離檢測區的4種不同的形式測試燈光亮暗控制的功能是否實現。之后通過循環車流量的形式，模擬最為頻繁的LED開啟和關閉的頻率，通過在相同時間內與常亮燈耗電量的比較，得出該開關控制系統是否具有節能和減排的特點情況。

4.2 模擬控制系統的工作過程

為了更好模擬新型節能隧道照明控制系統的工作過程，設計以動畫的形式來進一步說明。需要進一步說明的是，此時以3區的形式模擬并劃分整個隧道的長度，并以1個車輛通過的形式模擬車流量的過程。

4.3 控制系統LED節能減排性能

經過實際測試，新型節能隧道照明控制系統可以做到對隧道內燈組亮度的合理調控，且滿足實際使用需求，有利于隧道內車輛在最合適的光照環境下行駛。實際電能的利用和節省情況見表3和表4。

表3 以3條1.2 m36 W白熾燈和3個15 W照明控制系統做對比

表4 照明控制系統（占空比為70%）得到的數據

綜合驗證數據，可以明確新型隧道照明控制系統具有以下幾點應用優勢。

（1）相較于普通的LED燈，其可節省電能36%，排放CO2減少40%。

（2）相較于傳統的白熾燈，其可節省電能75%，排放CO2減少74%。

（3）實際對新型隧道照明控制系統加以運用時，對于因燈光問題造成的交通事故的預防具有積極意義。

5 結束語

新型節能隧道照明控制系統在基于車輛是否進入隧道和在隧道行車時實際所需的光照環境不同的特性，通過光電傳感器檢測是否開關燈光系統和光照傳感器實時檢測并且調節出最適宜的行車安全的光照環境的試驗。經計算得知，改善后的新型節能隧道照明控制系統與傳統的隧道常亮照明相比起到節能和減排的作用，設計達到預期對燈光亮暗的控制、燈光亮度變化的功能特點和節能減排的目的，為減輕城市用電負擔帶來積極的影響和作用。