神華科學技術研究院有限責任公司 黃 維

1.引言

隧道作為地面交通的一部分有其特殊性，司機駕駛汽車經過隧道時會有本能的不安全感，為了消除司機的不安全感，必須借助于合理的隧道照明，使司機能夠快速適應照明環(huán)境并容易看清路面狀況。為了從節(jié)能出發(fā)，使隧道各個區(qū)段的照明狀況時刻跟隨洞外實際亮度的變化而變化，實現(xiàn)照明的實時節(jié)能控制，同時又不增加額外的通信、控制線纜，本文采用基于LonWorks電力線通信技術的隧道照明網絡。

2.隧道照明概述

本照明系統(tǒng)參照國家交通部發(fā)布的《公路隧道設計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)，將整個隧道從入口到出口劃分為接近段、入口段(Dth)、過渡段(Dtr)、中間段、和出口段[1][2]，各階段亮度不同，如圖1所示。

圖1 隧道照明段劃分

在隧道照明系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計中，對于具體某一天，洞外亮度L20(S)是個定值，于是隧道內各個區(qū)段的照明狀況在一天中也保持不變。而在本文中，在隧道接近段的起點S處安裝測光節(jié)點，調光節(jié)點收到亮度級數信息和交通量信息計算出各自的調光等級，輸出對應的調光電壓來控制亮度連續(xù)可調的電磁感應無極燈。這樣，整個隧道的照明亮度就隨洞外亮度整體提高或下降，相比《規(guī)范》推薦的做法具有實時性和節(jié)能效果。

3.照明控制系統(tǒng)網絡

本照明控制系統(tǒng)采用基于LonWorks電力線通信技術的測控網絡。LonWorks總線支持電力線通信，無需另外鋪設通信電纜，如雙絞線[3-5]。LonWorks電力線網絡的接線也十分簡單，且當需要增加測控設備時，只需將節(jié)點就近連接在原有的電力線上。本照明控制網絡由220V的電力線作為傳輸介質，電力線上掛接有三類節(jié)點，分別是測光節(jié)點、車輛檢測節(jié)點和調光節(jié)點，如圖2所示。

入口測光節(jié)點安裝在接近段的起點S，測量該處自然光照度。車輛檢測節(jié)點安裝在隧道口和隧道內部車流平穩(wěn)的區(qū)域。一個調光節(jié)點控制一組電磁感應無極燈。入口測光節(jié)點獲得的亮度信息連同車輛檢測節(jié)點輸出的車速、交通量信息等一起發(fā)送給對應的調光節(jié)點。調光節(jié)點根據內部程序輸出相應的調光電壓(0-5V)，對入口段、過渡段燈具進行連續(xù)調光。中間段調光節(jié)點只接收車輛檢測節(jié)點的輸出信息。出口測光節(jié)點安裝在出口洞外，獲得的亮度信息發(fā)送給出口段調光節(jié)點。節(jié)點使用“網絡變量”相互通信。

圖2 照明控制網絡結構

4.智能節(jié)點硬件設計

智能節(jié)點由LonWorks處理模塊和功能模塊組成。LonWorks處理模塊是設計LonWorks節(jié)點的一個通用模塊，它由PL3120(CPU)，通信耦合電路等組成，類似于普通單片機硬件設計的最小系統(tǒng)。功能模塊(功能板)由電源電路、應用電路等組成。在智能節(jié)點的開發(fā)中，處理模塊只需設計一次，與不同的功能模塊結合就構成了相應的智能節(jié)點，如測光節(jié)點、車輛檢測節(jié)點和調光節(jié)點等。這樣設計能實現(xiàn)通用模塊的即插即用，達到高效、低成本開發(fā)和便于維護的目的。圖3是智能節(jié)點硬件結構圖：

圖3 智能節(jié)點硬件結構圖

4.1 處理模塊(CPU模塊)硬件設計

LonWorks處理模塊是智能節(jié)點硬件結構中的核心部分，它是由智能收發(fā)器芯片PL3120(CPU)，接口電路(接收，發(fā)送)，耦合電路，時鐘，復位，服務等部分組成。PL 3120智能收發(fā)器把神經元芯片的核和電力線收發(fā)器核集成在一起。在芯片PL3120外部，用分立元件組成功率放大電路和信號衰減電路，用于通信信號的發(fā)射與接收。發(fā)射電路的輸出信號幅度為7伏，發(fā)射電流為1安培，使用C波段-130K赫茲作為通信信道。發(fā)射電路在功能上分成直流偏置、鏡像電流源、直流工作點鉗位和功率放大四個部分。信號接收電路主要由濾波和分壓兩個部分組成。PL3120的12個I/O口用于光強采集、開關動作、亮度調節(jié)等應用電路的接口。

4.2 測光功能模塊的硬件設計

測光節(jié)點安裝在隧道的入口和出口，對隧道外的環(huán)境亮度進行檢測。將環(huán)境亮度分成64個等級，最小亮度定為0級，最大亮度定為63級，則某一時刻檢測到的亮度即為0～63中的某一級。該時刻的亮度級數通過LonWorks電力線網絡傳輸到隧道內的調光節(jié)點。測光功能模塊由電源電路和光強數據采集電路兩部分組成。

A/D轉換器選用MCP3004。三個光照度傳感器的0—5V電壓輸出信號經過電壓跟隨器，作為ADC芯片MCP3004(U205)的三路輸入。ADC芯片MCP3004與處理模塊上的智能收發(fā)器PL3120的通信采用四線SPI接口，為了提高節(jié)點的可靠性和抗干擾能力，通過光電隔離的方法對節(jié)點的輸入輸出通道進行隔離。

4.3 調光功能模塊的硬件設計

調光節(jié)點接受來自測光節(jié)點的調光等級信號和車輛檢測節(jié)點的交通信息，根據節(jié)點內置的調光等級計算公式，計算出節(jié)點自身的調光等級。由該調光等級信號來控制數字電位器X9241的輸出電壓，配合可調式電子整流器來改變無極燈的光強。調光節(jié)點功能模塊由電源電路、數字電位器接口電路、開關量控制電路、節(jié)點編址電路組成。燈光亮度的調節(jié)通過調節(jié)數字電位器X9241的輸出電壓來實現(xiàn)。

在工業(yè)控制設備中，為了提高設備的可靠性和抗干擾能力，常常通過光電隔離的方法對設備的輸入輸出通道進行隔離。數字電位器X9241是一個I2C器件，SDA和SCL都是雙向I/O線，而光電耦合器件的光電轉換具有單向性，所以對每一個I/O線進行隔離必須采用2片光電耦合器，還需要一個方向控制線來控制數據傳輸方向。

5.智能節(jié)點軟件設計

5.1 節(jié)點軟件設計

以測光節(jié)點為例，介紹節(jié)點軟件設計。測光節(jié)點安裝在隧道接近段的起點S處，檢測隧道外的自然光照度，并對照度由弱至強分成0—63共64級。將照度信息(照度級數)以網絡變量的形式廣播給隧道內調光節(jié)點。

測光節(jié)點以設定的采樣頻率采樣，若采樣的照度與上一次廣播發(fā)送的數據相同，本次不廣播發(fā)布照度信息；反之，則以廣播方式向對應的調光節(jié)點和上位機發(fā)布照度信息。測光節(jié)點收到上位機要求其測光的命令，立即測光采樣一次，并發(fā)送亮度信息，并將定時器清零，重新開始計時。

為測光節(jié)點設置了一個“心跳”網絡變量，每15分鐘進行一次。若連續(xù)兩次沒有“心跳”，視為該節(jié)點發(fā)生故障。

在本數據采集節(jié)點中筆者用到同步串行(neurowire)I/O和移位(bitshift)I/O對象。MCP3004芯片的通信接口為SPI接口，是一個半雙工串行A/D轉換器，與提供了同步串行(neurowire)I/O和移位(bitshift)I/O接口對象的Neuron芯片連接相當方便。MCP3004的轉換數據輸出是在地址被移入進來之后，地址移入和數據輸出都是轉換過程的一部分，在此期間MCP3004片選端一直要置低。而在一般情況下每調用一次neuronwire I/O函數片選端先被拉低，函數執(zhí)行完后又將片選端拉高，所以不能只使用全雙工neurowire I/O函數來寫控制字和讀取數據。我們使用兩個I/O對象(分別是bitshift和neurowire)來配合MCP3004的時序，即先用bitshift函數將控制字移入MCP3004，然后使用neurowire I/O函數讀取A/D轉換得到的數據，這里neurowire作為半雙工接口使用。A/D采樣子程序如下：

5.2 節(jié)點組網

要構成LonWorks網絡，需要利用LonMaker，NodeBuilder等工具對智能節(jié)點進行組網。限于篇幅，僅以測光節(jié)點和調光節(jié)點的組網為例進行探討。

在LonMaker里創(chuàng)建一個網絡“Lighting”，利用Visio為LonMaker網絡中添加一個開發(fā)目標設備(Development Target Device)，啟動NodeBuilder，同時創(chuàng)建一個工程項目。在NodeBuilder中，進行Neuron C語言編程，并且編譯下載該設備模板程序。此時能得到如下的系統(tǒng)組態(tài)結構圖(圖4)。

該組態(tài)圖中包含測關節(jié)點和調光節(jié)點兩個設備(Device1、Device2)和對應的兩個功能模塊，功能模塊中包含節(jié)點所定義的諸多網絡變量，例如nvLampLev(當前采得的亮度等級)、nvoLampLev(調光等級)等等。

將LonMaker軟件中節(jié)點開發(fā)程序Nodebuilder模板Nodebuilder Basic Shape的“connecteror”拖到繪圖區(qū)，用它把組態(tài)圖中測光節(jié)點的輸出網絡變量nvLampLev和調光節(jié)點的輸入網絡變量nvLampLev連接起來。只要測光節(jié)點(Device1)的nvLampLev改變，調光節(jié)點(Device2)的nvLampLev就能跟著改變。按照這種方式將測光節(jié)點和所有的調光節(jié)點“連接”起來，每當輸出網絡變量nvLampLev更新，就會以廣播的形式發(fā)送給每個調光節(jié)點，調光節(jié)點據此按照內部的程序驅動數字電位器輸出一定的電壓信號從而調節(jié)電磁感應燈的亮度。

圖4 LonMaker中節(jié)點組網界面

另外，測光節(jié)點上的輸出網絡變量nvoSwitch可根據需要與調光節(jié)點的輸入網絡變量nviLampSwitch連接。其它的網絡變量與上位機連接。

6.結語

基于LonWorks電力線通信技術的隧道照明控制系統(tǒng)通過下層現(xiàn)場總線與上層以太網相結合的組網模式，采用集中管理、分散控制的控制策略，提高了整個系統(tǒng)信息交互的可靠性。在控制系統(tǒng)的智能節(jié)點的設計上，硬件和軟件均采用了模塊化的思路，使得系統(tǒng)內部各個節(jié)點具有安裝調試簡易、維護方便、通用性強、組態(tài)靈活等特點，從整體上提高了系統(tǒng)的可靠性與擴展性。

[1]重慶交通科研設計院.公路隧道設計規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2004,9:68.

[2]重慶交通科研設計院.公路隧道通風照明設計規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2001,6:41.

[3]劉永生.Echelon公司的電力線載波通信技術[J].儀器儀表標準化與計量,2005(4):20-22.

[4]LonWorks技術介紹——原理和實踐概述(第二版)[M].Echelon公司.

[5]雷霖編著.現(xiàn)場總線控制網絡技術[M].電子工業(yè)出版社,2004,4.