摘要：本文开发了基于物联网公路隧道的智慧照明节能系统。系统采用STM32单片机，选取亮度区间可调节LED的隧道照明灯，采用模糊控制算法和分级控制思想，将整个系统设计为三级实时控制。降低隧道照明能耗，提高隧道交通安全性。
关键词：隧道照明；STM32；模糊控制
0引言
公路隧道照明控制系统首要功能是提供合理舒适可靠的隧道照明，消除隧道的“黑洞”和“白洞”效应，使行车人员安全通行，保证隧道行车安全。但隧道照明也不是越亮越好，需要根据洞外环境，以及车辆信息，考虑人眼对光的适应特性，相应调整洞内照明亮度，才能提高隧道照明的舒适性和安全性。盲目加大照明亮度，不仅给行车安全带来隐患，而且造成资源能量的浪费，不符合设计规范及国家节能减排的政策要求。设计根据隧道洞外环境和车辆信息实时调节洞内亮度的控制系统不仅能满足隧道照明安全、舒适性要求，而且减少了资源能量浪费。现阶段的隧道照明控制系统一般都采用有线调光控制或分回路控制方式，有线调光建设成本髙、布线复杂、现场施工工艺烦琐，增加了施工的危险性；采用回路通断和阶跃调光不能实现隧道亮度平滑控制，难以满足隧道安全行车的要求，且造成较大的电能浪费；此外，系统缺乏灯具故障检测与主动报警机制，需人工巡查才能确定灯具故障和灯具位置，隧道照明维护效率低。本文以STM32为基础，设计隧道照明实时控制系统。有效降低隧道照明能耗，提高隧道交通安全性。
1系统总体架构
通过隧道内外安装的车流监控设备、光照传感器以及智能电表系统，获取隧路段实时光照信号、车流情况以及隧道电能消耗数据，通过物联网将这些信息传送给隧道管理控制服务器。主控制器收集相应隧道内外环境信息，如隧道洞内外亮度、车流量、车速和车辆灯光3照度等参数，将其转换成数字量作为模糊控制器的输入信号，通过模糊控制器进行模糊判断分析和去模糊化，生成调光控制策略；调光策略信息经串口通信发给协调器，由协调器无线转发给与LED照明灯具直接相连的无线节点，从而驱动LED驱动电源产生相应的线性0V-10v调光信号，或者适时地关闭部分加强照明灯具，实现LED照明灯具实时准确的亮度变化。系统控制的过程是：隧道外车流量传感器监测到车辆接近隧道入口时，主控制器控制信息采集控制单元采集隧道外的光照度、车辆速度以及车流情况，通过传感器网络系统发送给主控制器，主控制器将这些参数作为控制输入信号，运用模糊控制算法进行分析处理，输出隧道照明的具体亮度调节指令，将亮度调节指令逐级传送给二级调光控制器和第三级的灯具控制终端上，由LED的控制器实现对照明灯具的实时控制，实现整个隧道照明系统的智能控制。
2系统控制模式
依据隧道照明可能出现情况，将照明系统设置为以下四种控制方式。智能控制：隧道正常通行的条件下，设置为优先级最低的控制模式即为智能控制模式。该控制模式是依据隧道照明控制系统设计技术规范，结合模糊控制算法，建立三个输入变量一个输出的典型控制模式，它以时间为出发条件，在设定时间的每个周期里进行隧道的光照度、车速以及车流情况等信号采集，再根据相应的控制算法计算出当前条件下隧道照明的亮度需求。利用物联网将控制命令传送给各级控制器，实现对照明的灯具的实时动态控制。自动控制：本文隧道照明系统设计中，两种不同情况下使用自动的控制方式，一种情况为设置在隧道外亮度传感器失效不能正常工作时，此时选择自动照明控制方式；另一种为隧道外车辆监控检测设备故障无法获取即将进入隧道车辆的信号时，也选择自动控制工作模式。当照明控制系统两个主要参数亮度、车流量无法获取时，控制系统就会因为缺少相应参数输入而无法实现智能模式控制，需要系统自动转换为自动控制方式进行灯光亮度调节控制。手动控制：隧道照明系统需要设备维护检测、故障灯具更换或者紧急情况出现时，可以手动调整系统控制模式为优先级最高手动控制模式。即由隧道管理工作人员通过切换照明系统的电源回路开关，实现照明系统控制的目的。该模式仅用于隧道照明系统调试维护以及突发紧急情况下的照明系统控制。
3硬件系统设计
硬件系统设计采用的是分层控制思想，利用RS485实现主控制-信号采集器、主控制器-调光器间的实时通信。主控制器作为主控单元控制整个控制系统的运行，主控制器发出指令，信号采集器检测隧道内外的光照度和车流信息等信号。获取相关信号后，主控制器通过模糊控制算法，计算分析后输出光照亮度调节信号，发送给调光控制器。控制过程以RS485为数据交换中心，实现整个照明系统控制。第二级的调光控制器通过总线DALI将主控制器发送过来的调光指令发送给LED灯具控制，最终由LED灯具控制器完成对隧道照明亮度的实时控制。隧道照明系统的主控制器组成主要包含STM32主控单元、RS485接口模块、以太网转窗口模块、LCD模块以及电源模块等。具体组成如图2所示，RS485模块实现主控制器与调光控制器之间的通信，如主控单元与光照度检测传感器、主控单元与车流量传感器通信等；以太网模块负责主控制器与隧道照明系统监控运营中心之间通信；LCD模块显示隧道照明系统实施参数状态以及手动模式时断网模式下本地控制命令处理；电源模块负责为主控单元和其它模块提供供电。调光控制器的硬件系统设计：针对较长隧道，需要的隧道照明的灯具可能一千盏以上，而一组DALI型总线，单个主控制器可以控制64个LED灯具控制器，因此，为了满足需求，在LED灯具控制器与主控制器间增加调光控制器，实现对所有灯具进行单独控制或者分组控制。具体可分为：隧道入口阶段、过度阶段、中间阶段以及出口阶段调光器。LED控制器的硬件系统设计：不同照明阶段照明采用多组控制方式，单个灯具对应一个LED控制器，不同隧道照明阶段所有LED控制器通过该照明段调光控制器实施整体控制。以隧道入口阶段照明控制为例，单个LED控制器接收调光控制器的控制指令，并进行解析，转为为PWM信号，控制灯具的亮度。
4结语
本文设计的隧道照明硬件系统，根据隧道内外光照度、车流量以及车速等实时信号参数，运用物联网技术，采用模糊控制的思想，实时控制隧道照明的亮度，实现“车流量大则提升隧道照明亮度、车流量小则降低隧道照明亮度”以及“隧道外光照度强则提升隧道照明亮度、隧道外光照度弱则降低隧道照明亮度”的控制效果，从而避免了过度照明，实现节能。
作者:徐增勇 张晓玉 单位:河南交通职业技术学院汽车学院
