王陽(yáng)　秦會(huì)斌　胡葉舟

摘要 色溫影響人們的視覺(jué)功效、反應(yīng)時(shí)間和舒適度。用LED取代傳統(tǒng)的高壓鈉燈，并改進(jìn)只依據(jù)亮度控制的照明方案，設(shè)計(jì)了一種可變色溫的隧道智能照明控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由洞外環(huán)境采集模塊、洞內(nèi)調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊和隧道管理中心的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成。環(huán)境采集模塊以STM32F103為核心處理器，搭配各傳感器，上位機(jī)根據(jù)隧道洞外環(huán)境參數(shù)的變化對(duì)調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊下發(fā)調(diào)光策略，調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊輸出兩路PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)控隧道內(nèi)燈具亮度、色溫。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定可靠，有助于提高駕駛員的視覺(jué)舒適感，減少安全隱患，比只調(diào)控?zé)艟吡炼确桨腹?jié)能18%以上。

關(guān)鍵詞 色溫；隧道照明；STM32F103；PWM；無(wú)極調(diào)光

DOIDOI：10.11907/rjdk.173344

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）009015705

英文標(biāo)題Design of Tunnel Color Temperature Lighting Control System

--副標(biāo)題

英文作者WANG Yang，QIN Huibin，HU Yezhou

英文作者單位（Institute of Electron Devices & Application，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

英文摘要Abstract：Color temperature affects people's visual effects，reaction time and comfort.With LED replacing the traditional high-pressure sodium lamp，we improve the lighting scheme which is only based on the brightness control and design a variable color temperature tunnel intelligent lighting control system.The system consists of an acquisition module outside the tunnel，a dimming drive module inside the tunnel，and an industrial control computer in the tunnel management center.The environment acquisition module takes STM32F103 as the core processor and collocates with each sensor.The host computer distributes the dimming strategy to the dimming drive module according to the change of the environment parameters outside the tunnel.The dimming drive module outputs two PWM signals to achieve the brightness，Promise of color temperature regulation.The system is simple，economical，stable and reliable，and it helps to improve the driver's visual comfort and reduce the potential safety hazard.Compared with lighting regulation only focused only on the brightness of the system has 18% higher energy saving.

英文關(guān)鍵詞Key Words：color temperature；tunnel lighting；STM32F103；PWM；dimming without level

0引言

2016年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，全國(guó)公路隧道為15 181處、14 039.7km，其中特長(zhǎng)隧道815處、3 622.7km，長(zhǎng)隧道3 520處、6 045.5km[1]，創(chuàng)造一個(gè)安全、高效、舒適、經(jīng)濟(jì)的隧道交通環(huán)境對(duì)高速公路建設(shè)非常重要 [2]。實(shí)現(xiàn)公路隧道的智能化[3]，首先要解決燈光照明的智能控制。在傳統(tǒng)高速公路隧道運(yùn)營(yíng)中，無(wú)論天氣變化、車流量大小，隧道照明燈總是保持常亮狀態(tài)，這必然造成電能浪費(fèi)。近幾年，隧道照明控制主要是利用電力載波技術(shù)或RS485總線、光纖環(huán)網(wǎng)等通信方式，通過(guò)調(diào)節(jié)燈具的功率控制亮度[4]。這種方式可在一定程度上節(jié)能降耗，但不徹底，而且忽略了隧道洞外自然環(huán)境與洞內(nèi)燈具色溫的變化，駕駛員易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，存在一定的安全隱患[5]。

本文提出一種可變色溫的隧道智能照明控制系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式等技術(shù)在隧道照明中加以應(yīng)用，提高隧道的智能化程度。通過(guò)嵌入式設(shè)備精準(zhǔn)采集隧道洞外光環(huán)境，使上位機(jī)更加清晰、直觀地展現(xiàn)洞外亮度、色溫變化。上位機(jī)與各子系統(tǒng)采取RS485或光纖的通訊組網(wǎng)方式，根據(jù)光環(huán)境的實(shí)時(shí)變化信息采取相應(yīng)的調(diào)光策略，準(zhǔn)確可靠控制照明燈具，提高駕駛員的視覺(jué)舒適度、保障行車安全，實(shí)現(xiàn)“二次節(jié)能”。

1系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)由環(huán)境采集模塊、隧道管理中心工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、多組調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊和變色溫?zé)艟呓M成。環(huán)境采集模塊主要采集隧道洞外環(huán)境的光強(qiáng)、色溫、溫濕度和經(jīng)緯度，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境參數(shù)處理分析，對(duì)調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊下發(fā)調(diào)光命令，每一組調(diào)光驅(qū)動(dòng)可負(fù)載控制隧道內(nèi)一段區(qū)間的變色溫?zé)艟?。基于光纖環(huán)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1環(huán)境采集模塊硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境采集模塊以低功耗STM32F103微處理器為核心，搭配光照強(qiáng)度傳感器、顏色傳感器、溫濕度傳感器、GPS傳感器、通信模塊和DC電源模塊[6]。STM32F103微處理器采用ARM32位的Coretex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，含512K字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器[7]，64字節(jié)的SRAM，多達(dá)5個(gè)UART串口和2個(gè)I2C接口，有4個(gè)16位通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)PWM通道。環(huán)境采集模塊硬件如圖2所示。

傳感器模組主要采集參數(shù)有光照強(qiáng)度、RGB顏色、溫濕度和經(jīng)緯度信息，工作電壓均為3.3V。光照強(qiáng)度、顏色、溫濕度傳感器通過(guò)IIC總線與STM32F103微處理器通信，GPS傳感器通過(guò)串口與微處理器通信。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括RS485和以太網(wǎng)兩種通信方式，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)隧道長(zhǎng)度選擇其中一種通信方式。以太網(wǎng)模塊選用APOBICO的YIXIN_W5500，它集成了TCP/IP 協(xié)議棧，支持 10/100Mbps 的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，支持 8個(gè)獨(dú)立端口同時(shí)運(yùn)行。W5500 模塊工作電壓是3.3V，支持 3.3V或5V電源供電引腳。

系統(tǒng)選用220V轉(zhuǎn)12V的DC電源適配器為環(huán)境采集子系統(tǒng)硬件模塊供電。環(huán)境采集模塊內(nèi)部降壓電路選用線性電源芯片HT333、lm7805，電源電路如圖3所示。

2.2調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊硬件設(shè)計(jì)

調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊由STM32F103微處理器、多組調(diào)光芯片JCP10、光電耦合電路、數(shù)據(jù)傳輸模塊和DC電源模塊組成。STM32控制輸出多路PWM波，每?jī)陕稰WM波為一組，經(jīng)調(diào)光芯片JCP10輸出0～10V調(diào)光電壓作為變色溫?zé)艟叩陌?、黃兩路光源。一個(gè)調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)一段區(qū)間燈具。JCP10是專用于控制0～10V調(diào)光LED的驅(qū)動(dòng)芯片。輸入既可接單片機(jī)的PWM輸出，也可接可調(diào)電阻進(jìn)行控制，輸出 0-10V/100MA。JCP10內(nèi)部集成了運(yùn)算放大器和推挽式功率輸出電路，外圍零件極少，使用靈活。電流檢測(cè)模塊采用磁感線圈檢測(cè)燈具電路中強(qiáng)電的電流，通過(guò)模擬信號(hào)傳給STM32，在STM32中處理、計(jì)算得到電流值，最終反饋給上位機(jī)。調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊硬件框架如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1環(huán)境采集模塊軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境采集模塊核心是STM32微處理器，它負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS485或RJ45傳給上位機(jī)。光照強(qiáng)度傳感器和溫濕度傳感器將實(shí)時(shí)采集到的模擬信號(hào)經(jīng) A/ D轉(zhuǎn)換并處理后轉(zhuǎn)化成相應(yīng)格式的數(shù)字信號(hào)[8]，通過(guò)IIC協(xié)議傳給STM32最小系統(tǒng)。顏色傳感器將采集的R、G、B數(shù)值通過(guò)IIC協(xié)議傳給STM32。STM32計(jì)算色溫函數(shù)如下[9]：

3.2調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)

STM32F103有多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，其中有2個(gè)高級(jí)定時(shí)器和4個(gè)通用定時(shí)器，這6個(gè)定時(shí)器都是16位的。通用定時(shí)器可輸出4路互不影響的pwm信號(hào)。高級(jí)定時(shí)器可輸出3對(duì)互補(bǔ)pwm信號(hào)外加ch4通道，也就是一共7路[10]，這樣算下來(lái)stm32一共可生成30路pwm信號(hào)。本系統(tǒng)采用4個(gè)通用定時(shí)器生成16路pwm信號(hào)，可供8組調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)光。STM32主函數(shù)代碼如下：

int main（void）

{

SystemInit（）； /*系統(tǒng)時(shí)鐘初始化*/

GPIO_Config（）； /*GPIO端口初始化*/

TIM3_Config（）； /* 定時(shí)器初始化*/

while （1）

{

/* 接收外部USART中斷*/

}

}

3.3隧道管理中心工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)

工控機(jī)功能用于環(huán)境信息的采集、展示和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算，以及調(diào)光命令的下發(fā)，通過(guò)串口程序或Socket網(wǎng)絡(luò)程序與下位機(jī)通信。數(shù)據(jù)展示即UI界面，采用C#語(yǔ)言；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用SqlServer數(shù)據(jù)庫(kù)。環(huán)境信息采集有定時(shí)采集和實(shí)時(shí)采集兩種工作模式，分別實(shí)現(xiàn)隧道洞外環(huán)境的周期性監(jiān)測(cè)和緊急事件監(jiān)測(cè)。定時(shí)采集模式提供3個(gè)可選周期，分別為30s、60s、300s，采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到SqlServer數(shù)據(jù)庫(kù)。照明調(diào)光功能默認(rèn)采用智能調(diào)光模式，緊急狀況下可選擇人工模式[11]。調(diào)光策略參照J(rèn)TGT D70/2-01-2014公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則制定，依據(jù)隧道洞外環(huán)境的色溫、亮度和隧道設(shè)計(jì)時(shí)速實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)隧道入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段燈具的亮度和色溫[12]。智能管理模式和手動(dòng)管理模式流程見(jiàn)圖6。

3.4調(diào)光策略

通常隧道照明分為入口段、過(guò)渡段、中間段、出口段[13]。隧道照明分區(qū)段設(shè)置是為滿足駕駛員視覺(jué)從高亮度向低亮度，或從低亮度向高亮度變化適應(yīng)的需求[14]。在隧道設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)渡段亮度宜按入口段亮度折減[15]；中間段亮度值與隧道的設(shè)計(jì)速度和車流量有關(guān)，在公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則中有固定的數(shù)據(jù)參考；出口段亮度宜與中間段亮度呈正相關(guān)。由此可見(jiàn)，在隧道照明研究中，入口段照明是關(guān)鍵。以下給出入口段調(diào)光策略，其它段色溫值與入口段色溫值一致，亮度不同。白天隧道洞外色溫低于6000K時(shí)調(diào)光策略見(jiàn)表1，洞外色溫高于6 000K時(shí)調(diào)光策略見(jiàn)表2，晚上調(diào)光策略見(jiàn)表3，表中L20（S）是隧道洞外環(huán)境亮度。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1環(huán)境采集模塊測(cè)試

為方便總結(jié)、分析數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)選取亮度、色溫可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)燈具作為數(shù)據(jù)采集對(duì)象。實(shí)驗(yàn)器材包括：系統(tǒng)環(huán)境采集模塊、工控機(jī)管理軟件、柯尼卡測(cè)量?jī)x。實(shí)驗(yàn)采用改變燈具黃、白光源電壓配比方式，以柯尼卡測(cè)量?jī)x所測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，與本系統(tǒng)上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。首先燈具黃色光源電壓保持0V不變，白色光源電壓從10V到0V均勻改變；之后白色光源電壓保持0V不變，黃色光源電壓從0V到10V均勻改變。測(cè)試數(shù)據(jù)曲線見(jiàn)圖7。

4.2系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)在貴州畢節(jié)隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。在隧道洞外布置了環(huán)境采集模塊，在隧道內(nèi)安裝了調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊和可變色溫照明燈具。在不同天氣環(huán)境、不同時(shí)段對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)和隧道內(nèi)燈具的亮度、色溫進(jìn)行了測(cè)試[16]。圖8是某天24小時(shí)的環(huán)境色溫、亮度數(shù)據(jù)，隨之變化的入口段燈具色溫、亮度數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9。經(jīng)周期性負(fù)荷測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，燈具的亮度、色溫隨洞外環(huán)境值實(shí)時(shí)變化，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

5結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種變色溫的公路隧道照明系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)隧道照明缺陷進(jìn)行改進(jìn)，給出了具體的亮度、色溫調(diào)節(jié)方案，可根據(jù)隧道洞外環(huán)境參數(shù)及隧道的設(shè)計(jì)時(shí)速對(duì)隧道燈具無(wú)極調(diào)控。系統(tǒng)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性好。在減少隧道安全隱患、改善駕駛員視覺(jué)功效方面有一定推廣價(jià)值。

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