【摘 要】本文介绍了高速公路照明存在的问题，提出采用无线照明控制系统控制隧道照明，给出了系统框图、无线通讯网路设计方案、照明灯具设计方法及控制软件流程图，改造后的效果。
【关键词】隧道照明；ZigBee；光度调节
0 前言
随着我国高速公路的发展，尤其是山区有大量的隧道，作为道路的特殊结构段，为了车辆行车安全，隧道里的通风设备运行费用和照明费用在高速公路运行费用中占了很大的比例。因此，为了确保交通安全和降低隧道的电费是需解决的问题，采用智能化控制隧道的照明是技术发展的必然。采用ZigBee无线通讯技术和隧道照明智能控制结合可以降低设备费用，运行维护费用，确保高速公路行车的安全，已经在越来越多的隧道照明中运用。
1 隧道无线照明控制系统设计
高速公路隧道照明控制系统最主要的是为司机提供合理舒适可靠的隧道照明，消除高速公路隧道的“黑洞”和“白洞”效应，确保车辆安全可靠地通过，保证人车的安全。高速公路隧道照明不需要很亮，要根据时间环境情况，公路的车流量，还需结合人眼对光的适应性，把这些因数综合起来及时相应调整洞内照明亮度，才能确保隧道照明的舒适性、安全性。如果一味加大隧道照明的亮度，反而会给车辆通行带来安全隐患，而且照明成本上升，增加了运营成本。不符合隧道照明的设计规范和国家节能减排的政策要求，采用根据高速公路隧道时间洞内外情况和车流量实际情况实时调节隧道洞内照明亮度的控制系统，确保车辆行车的安全性和司机对照明感到的舒服，而且减低了高速公路的运行费用。
综合以上情况，采用的高速公路隧道照明无线控制系统框图如图1所示，由后台上位机、现场控制器 PLC S7-200、无线通信网路Zigbee、无线数据接收点、发射点、无线传感器、无线控制公路隧道LED照明灯具节点组成。无线传感器模块用来采集车辆的速度、车辆数量和高速公路隧道洞内外照明亮度，所有参数经过信号处理后由Zigbee无线模块CC2430经过发射节点发送出去，经ZigBee通信节点上传给监控计算机。监控计算机接收到各种参数，再通过模糊控制算法计算处理后发出调光控制命令，经 无线网路发送到LED灯具的 CC2430控制模块，经解码后，对洞内LED 照明灯进行相应的光度调节。
2 基于Zigbee的隧道照明无线通信网络设计
隧道照明无线网络目的是组建无线通信网络，数据传输传感器采样的数据上传给监控计算机，而隧道照明无线灯具作为网络终端通过无线网路可以接收上位机发出的照明光度调节控制命令，使隧道的照明亮度根据实际需要进行调节。同时因为隧道长而且窄，所以隧道照明无线网络节点数量要求多并且覆盖范围必须打，所以用无线Zigbee簇树拓扑结构。
无线通讯网络拓扑可根据高速公路隧道长短用一个多级的树型结构，无线ZigBee网络节点设备有：网络协调者、网络路由器和网络终端设备。网络协调者负责整个无线网络的组成、数据传输、设备控制和数据的集中，网络协调者可以通过串行通信和监控计算机进行联系，监控计算机根据通信协议的接口命令和整个网络中每一个节点进行数据交流，从无线传感器节点采集的现场环境信息，通过无线灯具节点发出光度调节指令；网络路由器节点可以增加通信距离，路由节点负责通信路径查询和信息转发，也可以发送传感器采集的信息或接收对侧的光度调节命令；网络终端节点接收调光信息和发送传感器采集的信息。网络节点无线发送接收模块硬件相同，根据系统需要，可以用于无线传感器或无线控制LED照明灯具节点。
高速公路隧道照明系统参数主要有：洞内环境亮度、车辆速度、通行车辆的相关信息，采用传感器模块和 CC2430 构成高速公路隧道无线传感器网络节点，收集各种隧道照明参数，通过ZigBee无线通信网络上传给监控计算机，或通过RS-485总线发送到PLC再通过以太网传输到监控计算机，经计算机进行处理后输出高速公路隧道照明亮度控制指令，经无线通信网络发送到现场 LED照明灯具，可以对洞内照明进行实时调光处理。
现场PLC模块采用 S7-200 系列 CPU224CN，PLC模块主要功能是：采集传感器检测到各种信息；对采样的数据进行相应计算预处理后并保存在本地的存储单元内；把处理好的各种参数发送到监控计算机；接收上位机发出各种控制指令并转发给无线LED照明灯具或传感器；现场的本地控制器配置了手动操作模块，当以太网通信中断出差错或有故障及系统进行故障维护时，可以通过手动控制，设置手动控制优先；存储器基本控制程序和特殊程序，和上位机出现通信中断时采用本地控制器的基本控制程序切换到自动控制；系统的特殊程序有高速公路交通事故处理程序，现场火灾处理程序等。现场PLC经过以太网和监控计算机进行联系，接收控制指令，并向监控计算机上传传感器采集的各种参数；也可以用RS485通信接口和无线模块联系，接收传感器收集的现场数据，并对高速公路隧道LED无线控制灯具发送调光控制指令。
3 无线控制的隧道照明灯具设计
LED灯具的灯亮可以0-100%之间进行快速调节，并且不会对LED灯寿命造成影响，根据高速公路隧道照明的实际需求，可以随时调节LED灯具的亮度，可以降低企业的用电成本，现已采用LED照明的隧道，对LED灯具的排列和采用控制方法和传统的高压钠灯几乎没有差别，不能完全把LED灯的亮度控制和节能优点发挥出来。因为单个 LED 颗粒发光功率只有瓦级，大功率LED灯具是由数量不等的 LED 颗粒按不同的排列组合构成的。因为LED 工作电流是直流，所以隧道LED灯具主要由EMI滤波器、桥式整流电路、APFC 电路、LED控制驱动电路、CC2430无线模块及其PWM模块组成。本方案采取把LED驱动电路和Zigbee无线通信模块相结合来进行 LED 灯具亮度的调节，系统结构如图2所示。
LED照明灯具采用的电源是220V/50Hz的市电，经过EMI滤波器滤波后，通过桥式整流电路将交流电整流成直流电，经过功率因数校正电路，提高照明灯具的功率因数，并减少对电网造成谐波污染；在灯具模块增加 CC2430 无线通信模块，把全部隧道的LED照明灯具构建成一个无线控制网络，每个LED灯具都是网络中的一个节点，并且具有唯一的网络ID号，照明灯具经 CC2430无线模块接受调光控制指令，通过 脉宽调节模块输出各种宽度的脉冲，通过 LED灯具的控制驱动模块，调节灯具的电压或电流输出，进行LED照明灯具的调光控制。
4 隧道照明无线控制软件设计
照明系统通电初始化各个模块，构建高速公路隧道照明的无线传感器和灯具网络，把各个节点接到网络中，调用隧道各段无线传感器模块，收集车辆数据及洞内外亮度数据，把数据经无线通信节点或传输给本地控制器由工业以太网上传到监控计算机，看是否在本地控制器手动控制状态，假如在在手动控制状态（系统出现故障或检修维护），程序进行手动控制，把手动控制指令传到相应的无线LED灯具节点，进行手动控制调光操作；不是手动控制的话则下一步检测隧道状态是否正常，如果不正常，就报警，并且调用特殊状态程序，经过无线网络广播指令，使各个节点灯具处于全开状况；正常的话就下一步检测监控计算机是否正常，正常则调用远程监控计算机隧道照明模糊控制程序进行数据处理运算，否则调用本地控制器基本控制程序，然后输出隧道照明调光控制命令。经ZigBee无线网络节点将控制命令数据发送至相应的 LED灯具节点，并执行调光控制命令；系统的监控计算机监控界面可显示传感器数据信息及隧道状态信息；在监控计算机和本地控制器出现故障或无线网络中断时，无线LED灯具无法接收到调光控制命令时，由于无线灯具节点在硬件上设计可实现自动全开灯具照明的控制，系统主程序如图3所示。
5 结束语
采用基于Zigbee的隧道照明无线控制系统，不仅降低设备的投资费用，系统设计先进、合理、使用维护方便，降低了高速公路的运行成本，提高了隧道车辆通行的安全性，减少了交通事故，值得大力推广。
【参考文献】
[1]胡耀祖，李丽玲，李宏俊，等. 照明节能技术发展趋势[J].照明工程学报，2008，19（2）：1-6.
[2]郑晅，王梦恕. 公路隧道照明新思路分析与探讨[J].公路，2006（11）：224-227.
[责任编辑：曹明明]
