李 杰 ，盧 穎 ，李 磊

（1.西安工業(yè)大學(xué)陜西西安710000；2.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)陜西西安710065）

由于高速公路隧道和車(chē)輛行駛的特殊性，隧道內(nèi)部需要能夠提供合適的光照[1-2]強(qiáng)度以保證駕駛員及車(chē)輛的安全穩(wěn)定通行，同時(shí)隧道內(nèi)的照明用電費(fèi)用也占據(jù)了高速公路運(yùn)營(yíng)成本的很大比例，尤其是在隧道入口段，安全照明和電能浪費(fèi)這兩個(gè)問(wèn)題尤為突出。目前國(guó)內(nèi)的隧道照明系統(tǒng)當(dāng)中絕大部分高速公路隧道照明仍都采用高壓鈉燈，由于鈉燈技術(shù)限制，很難實(shí)現(xiàn)隧道無(wú)級(jí)調(diào)光，照明控制方案大多采用人工手動(dòng)控制和時(shí)序控制兩種方式，雖然操控簡(jiǎn)單，但會(huì)在運(yùn)營(yíng)中造成大量不必要的能源耗費(fèi)。因此，研究并提出安全節(jié)能的隧道照明系統(tǒng)對(duì)于促進(jìn)隧道照明系統(tǒng)的發(fā)展，節(jié)能減排具有重要意義。本文針對(duì)具有廣闊應(yīng)用前景的LED燈，結(jié)合隧道洞口外光照亮度、車(chē)流量等因素實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)LED燈的照明亮度，研究隧道洞口照明自動(dòng)調(diào)控技術(shù)，在充分保證駕駛員進(jìn)入隧道入口段能安全通行的同時(shí)，最大程度地減少隧道照明的人力及電力消耗[3-5]。

1 LED燈功率與光照關(guān)系模型

1.1 LED照明燈

LED照明燈作為一種新型能源，與傳統(tǒng)照明燈具相比，具有壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、功耗低、啟動(dòng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。為了充分發(fā)揮LED照明設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，需要在照明調(diào)光的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的隧道外實(shí)時(shí)亮度值、車(chē)流量、車(chē)速等對(duì)LED燈進(jìn)行連續(xù)調(diào)控，使其在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行柔和調(diào)光，以滿(mǎn)足公路隧道照明的設(shè)計(jì)規(guī)范要求[5-6]。課題采用模組式LED燈作為隧道照明裝置。

1.2 關(guān)系模型的分析和建立

模型主要包含兩方面的含義：一是調(diào)控設(shè)備的輸入，即隧道外環(huán)境光照與采集的電信號(hào)之間的關(guān)系模型[7]；二是調(diào)控設(shè)備的輸出，即輸出電信號(hào)與LED照明燈照明強(qiáng)度之間的關(guān)系模型。對(duì)于隧道外環(huán)境光照的采集，本設(shè)備選擇TI公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的OPT101型感光芯片[8]，OPT101是集成光電二極管和芯片內(nèi)置的跨阻放大器，輸出電壓隨著外界環(huán)境的光強(qiáng)線(xiàn)性增大。放大器為單電源或者雙電源設(shè)計(jì)。集成光電二極管和跨阻放大器在單一芯片上，能減少常見(jiàn)的漏電流誤差，噪聲和由于雜散電容引起的增益峰值等問(wèn)題。根據(jù)OPT101的芯片手冊(cè)和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際測(cè)試結(jié)果可知：當(dāng)外界環(huán)境的光照亮度為Xin時(shí)，感光芯片輸出電壓Yin與輸入照度之間的關(guān)系為

在電路設(shè)計(jì)中，輸入電壓Yin轉(zhuǎn)化為DA輸出電壓時(shí)，滿(mǎn)足以下關(guān)系

同時(shí)，單個(gè)LED燈的發(fā)光功率與輸入的DA電壓之間的關(guān)系滿(mǎn)足

根據(jù)式（3），可以得到數(shù)模轉(zhuǎn)換后的輸出電壓與單個(gè)燈發(fā)光功率之間的關(guān)系。根據(jù)LED燈發(fā)光二極管的兩條電特性曲線(xiàn)（即電壓電流曲線(xiàn)和電流照度關(guān)系曲線(xiàn)[9]，如下圖1所示），結(jié)合在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)單個(gè)LED燈的相關(guān)測(cè)試結(jié)果，該LED燈的發(fā)光功率與對(duì)應(yīng)的輸出亮度的關(guān)系為

因此，綜合以上兩式，即（3）和（4），可獲得數(shù)模轉(zhuǎn)換后的輸出電壓與單個(gè)燈發(fā)光亮度之間的關(guān)系，如圖1所示。

進(jìn)一步，根據(jù)上述理論分析和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合式（1）～（4）所描述的關(guān)系模型，針對(duì)本設(shè)計(jì)中的光照控制模式，可以得到以下結(jié)論：在外部光照變化的線(xiàn)性區(qū)（即Xin＞50lux），輸出光照強(qiáng)度Lout與輸入照度Xin的近似關(guān)系式為：

為了對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，項(xiàng)目組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將光照傳感器與單個(gè)LED照明燈分開(kāi)放置在不透光盒體中，人為調(diào)節(jié)光照傳感器盒體內(nèi)的環(huán)境亮度，同時(shí)利用光照計(jì)測(cè)量LED燈的輸出光照亮度[10]，獲得的環(huán)境光照與LED照度之間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，從表中的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，與上述理論分析結(jié)果較吻合，驗(yàn)證了上述理論分析和相關(guān)模型的正確性。另外，需要說(shuō)明的是，當(dāng)光照傳感器的外部光照處于非線(xiàn)性區(qū)（Xin＜50lux）時(shí)，由于串聯(lián)的發(fā)光二極管無(wú)法被電流打開(kāi)，即二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以，隨著電壓減小，電流驟降，導(dǎo)致輸出光照度急劇減小，此時(shí)Lout趨近于零。

表1 環(huán)境光照與LED照度的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)表

圖1 電壓與光照度關(guān)系模型

2 LED照明調(diào)控裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

課題所研究的LED調(diào)控設(shè)備系統(tǒng)包括信號(hào)采集傳感器，照明光自動(dòng)調(diào)控裝置LED光源3個(gè)部分。首先對(duì)傳感器采用的隧道外光照強(qiáng)度，車(chē)流量，車(chē)速等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，并根據(jù)處理的信號(hào)和光照強(qiáng)度與照明設(shè)備控制信號(hào)之間的模型，由主控制器控制輸出所需要的亮度調(diào)節(jié)控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的亮度控制。同時(shí)，還需要確定隧道入口的照明設(shè)備的分段控制策略[11]。本文設(shè)計(jì)一種采用“主-從”控制器級(jí)聯(lián)的LED光源自動(dòng)控制設(shè)備以便于擴(kuò)展，同時(shí)采用V-I變換高精度電流調(diào)光技術(shù)控制亮度輸出。

設(shè)計(jì)方案中該系統(tǒng)共包含5種工作模式。模式0：應(yīng)急模式（避免因系統(tǒng)故障導(dǎo)致隧道照明失控，能按照預(yù)案點(diǎn)亮LED燈）；模式1：人工模式（具備最大限度的控制權(quán)限）；模式2：亮度優(yōu)先（根據(jù)隧道外部亮度點(diǎn)亮內(nèi)部LED燈）；模式3：流量?jī)?yōu)先（根據(jù)車(chē)流量點(diǎn)亮內(nèi)部的LED燈）；模式4：備用模式。

2.2 控制器裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 “主-從”控制器設(shè)計(jì)

裝置主控制盒設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 主控制盒框圖

主控盒輸入信號(hào)由控制指令、220 VAC、車(chē)流量信號(hào)及光照強(qiáng)度信號(hào)組成[12]；輸出包括LED燈負(fù)載和下級(jí)從控制器；從控制器系統(tǒng)與主控制器類(lèi)似，輸入包含上級(jí)控制器的控制指令，輸出包括發(fā)往下級(jí)從控盒的整合信號(hào)及LED負(fù)載。

控制盒供電由外部提供，默認(rèn)配置為外部提供雙相220 V/50 Hz交流電源.每個(gè)控制盒為負(fù)載提供150 W的供電能力，能夠帶動(dòng)最多3個(gè)并聯(lián)50 W的LED模組，其中每個(gè)LED模組由18個(gè)3 W的LED燈珠串聯(lián)組成。上級(jí)控制信號(hào)UpCtrl和傳感器信號(hào)Car和Light送入控制芯片?？刂菩酒环矫鎸?duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，對(duì)LED燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)和亮度控制，另一方面生成控制信號(hào)DownCtrl發(fā)送至下一級(jí)。此外，AC/DC模塊作為電源變換模塊，為所有的電路（包括低壓部分和高壓部分）提供工作電源。

從控盒設(shè)計(jì)方案與主控盒類(lèi)似，唯一的區(qū)別是從控制盒只接收來(lái)自上級(jí)DownCtrl接口的信號(hào)，該信號(hào)由主控制器整合后輸出，已集成了外部傳感器所采集信號(hào)及上級(jí)控制器的指令信息。從控盒接收來(lái)自主控盒信號(hào)，并向下逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2.2 控制器調(diào)光電路

本文提出了一種高精度數(shù)字電流調(diào)光技術(shù)，該方法通過(guò)數(shù)字方式精確控制流過(guò)LED燈珠的電流強(qiáng)度來(lái)控制LED燈的亮度[13]。這種控制方式基于電流，而非電壓，從而解決了電壓控制亮度存在的電流精度不足的問(wèn)題，得到LED燈穩(wěn)定的照明亮度。

高精度數(shù)字電流調(diào)光技術(shù)的基本原理如下：首先，以FPGA或其它數(shù)字芯片作為控制核心，接收外部傳感器信號(hào)以及控制指令信息，經(jīng)運(yùn)算后以數(shù)字方式輸出，并經(jīng)DA變換形成控制電壓信號(hào)，其次，在LED燈負(fù)載端利用三極管的輸入及輸出特性，將LED燈珠串接到總的直流高壓和三極管集電極之間，LED亮度控制電壓信號(hào)加到三極管基極。三極管工作在放大區(qū)，當(dāng)三極管基極電壓發(fā)生變化時(shí)，集電極電流會(huì)隨著基極電壓發(fā)生線(xiàn)性變化，改變?cè)撾娏鞅厝粫?huì)引起LED燈照明亮度的相應(yīng)改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)LED照明亮度的目的。

實(shí)現(xiàn)上述數(shù)字電流調(diào)光的關(guān)鍵問(wèn)題之一是為L(zhǎng)ED燈負(fù)載提供具有高穩(wěn)定度的直流電源[14]。課題中，電源的設(shè)計(jì)如下：

220 V/50 Hz交流電通過(guò)保險(xiǎn)盒進(jìn)入EMC濾波，接下來(lái)進(jìn)入二極管橋整流，其輸出再通過(guò)濾波器獲取到稍微波動(dòng)的準(zhǔn)直流波形，接下來(lái)通過(guò)雙開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)管，輪流輸出高低電平并最終進(jìn)行一次濾波得到較穩(wěn)定的直流輸出，由此實(shí)現(xiàn)了LED燈負(fù)載的無(wú)級(jí)調(diào)光。

2.2.3 控制程序設(shè)計(jì)

課題采用FPGA核心實(shí)現(xiàn)LED燈的亮度控制。整個(gè)程序及代碼開(kāi)發(fā)環(huán)境為QuartusII，采用verilog語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件由a.解析指令；b.模式執(zhí)行；c.指令下發(fā)；d.狀態(tài)輸入；e.燈亮度幾大模塊組成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 調(diào)光能效測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室中以一臺(tái)主控制器為樣本在滿(mǎn)載狀態(tài)下進(jìn)行256級(jí)調(diào)光驅(qū)動(dòng)效率測(cè)試。測(cè)試方法如下：環(huán)境溫度約+25℃、相對(duì)濕度5%～95%，使控制器滿(mǎn)載（接150 W LED模組），通過(guò)串口發(fā)送指令。使控制器工作于人工操作模式并設(shè)置為不同亮度[16]；用功率計(jì)測(cè)量控制器的輸入功率和輸出功率，計(jì)算驅(qū)動(dòng)效率，能效測(cè)試結(jié)果如表2所示。

對(duì)該結(jié)果做進(jìn)一步分析、處理，可以得到如圖3所示的效率曲線(xiàn)（亮度控制字（HEX）代表不同的亮度等級(jí)控制），可得到控制器的驅(qū)動(dòng)效率與輸出功率間是非線(xiàn)性關(guān)系，且亮度等級(jí)越高，驅(qū)動(dòng)效率越高。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

針對(duì)本次設(shè)計(jì)的LED燈光調(diào)控系統(tǒng)，為進(jìn)行節(jié)能對(duì)比測(cè)試，分別使用兩塊網(wǎng)絡(luò)電表來(lái)監(jiān)測(cè)處于同一供電回路的一盞受控150 W LED燈和一盞常亮LED燈的耗電量。電表與電表、電表與DTU間通過(guò)RS485連接。其中，電表型號(hào)為SDM640，量程5A，支持Modbus-RTU協(xié)議[15]，使用導(dǎo)軌安裝方式固定于配電箱內(nèi)掛在隧道頂部，測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)DTU和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器。隧道現(xiàn)場(chǎng)安裝照片如圖4所示。

表2 能效測(cè)試結(jié)果

圖3 控制器亮度設(shè)置與驅(qū)動(dòng)效率關(guān)系圖

圖4 隧道現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

測(cè)試時(shí)間3個(gè)月，每小時(shí)耗電量數(shù)據(jù)通過(guò)后臺(tái)軟件操作DTU讀取后存儲(chǔ)于云服務(wù)器上。由導(dǎo)出數(shù)據(jù)可得，測(cè)試期間，受控?zé)粝啾葘?duì)照燈，節(jié)能效果明顯。此外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)期間的工作模式進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：常亮對(duì)照燈日耗電量平穩(wěn)，每日約4.17度；受控?zé)羧蘸碾娏颗c其工作模式緊密相關(guān)。故障模式下日耗電量最高，其次是亮度優(yōu)先模式，車(chē)流量?jī)?yōu)先模式在該隧道車(chē)流量較小情況下最為省電。受控?zé)艄ぷ饔诹炼葍?yōu)先模式時(shí)，在白天耗電量較高，接近于每小時(shí)最大耗電量0.123度，夜晚（環(huán)境亮度很低）時(shí)耗電量很低（不高于0.01度）；在該模式下輸出功率150 W時(shí)，將比對(duì)照燈節(jié)電約53.0%，耗電量對(duì)比如圖5和圖6所示。

圖5 累計(jì)耗電量對(duì)比

圖6 日耗電量對(duì)比

由測(cè)試結(jié)果可知，該LED照明自動(dòng)調(diào)光裝置工作穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)達(dá)到了課題要求，且長(zhǎng)期應(yīng)用時(shí)有很好的節(jié)能效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的LED自動(dòng)調(diào)光控制設(shè)備可根據(jù)隧道外光照亮度和車(chē)流量自動(dòng)調(diào)整隧道內(nèi)亮度，在燈具布置合理的情況下可最大限度地做到隧道內(nèi)、外亮度的平滑過(guò)渡，在實(shí)現(xiàn)“按需照明”，確保隧道交通安全的同時(shí)，最大程度地降低了隧道照明的能源浪費(fèi)，從而降低高速公路隧道的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本。