董岳林 姚運(yùn)良

摘 要 我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開(kāi)高速公路網(wǎng)的組建，其中山嶺隧道的開(kāi)通數(shù)量逐年增加，隧道由于其半封閉管狀結(jié)構(gòu)，洞內(nèi)外亮度差異巨大，需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)亮度過(guò)渡的變化的控制系統(tǒng)，保障駕駛員行車(chē)安全，由此提出隧道照明無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng)。從照明光源、LED 調(diào)光模式、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)等層面確定隧道照明設(shè)計(jì)的整體框架，從而確立基于Zigbee無(wú)線(xiàn)隧道照明網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以此達(dá)到隧道照明控制的效果。

關(guān)鍵詞 公路隧道;照明控制;Zigbee技術(shù);亮度調(diào)節(jié)

引言

隧道由于其特殊的地理位置，大幅縮短行車(chē)距離、提高運(yùn)輸效益、資源空間的節(jié)省和對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較小。但由于其筒狀構(gòu)造是的光線(xiàn)在其內(nèi)亮度變化較大，容易給駕駛員帶來(lái)“黑洞”和“白洞”效應(yīng)，造成行車(chē)危害，引發(fā)交通事故。隧道照明系統(tǒng)是保證駕駛員行車(chē)時(shí)心理和生理健康的關(guān)鍵措施，而合理的照明控制策略以及依此策略的照明調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是保證照明系統(tǒng)安全可靠、高效節(jié)能的重要素。

要想設(shè)計(jì)出一個(gè)安全、穩(wěn)定、節(jié)能的隧道照明系統(tǒng)，首先應(yīng)該從大的結(jié)構(gòu)層面上對(duì)隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)。總體方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在保證安全、穩(wěn)定的前提條件下，節(jié)能是被主要看重的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。按照這一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，本文采用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和遵守公路隧道照明細(xì)則的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到以下亮度無(wú)級(jí)控制、燈具經(jīng)濟(jì)效益好，日常管理方便，省事省工省力，進(jìn)而展望公路隧道照明控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1隧道照明的LED設(shè)計(jì)

1.1 隧道照明系統(tǒng)照明光源的選擇

在隧道照明控制系統(tǒng)當(dāng)中，一個(gè)好的隧道照明燈源應(yīng)該能夠滿(mǎn)足在特定的環(huán)境下安全駕駛對(duì)于光效、光衰減、光通量、光色、成本以及壽命等的一系列要求。合適的照明燈源不僅能夠?yàn)樗緳C(jī)的安全駕駛提供良好的保障，同時(shí)也能夠做到很好的節(jié)能效果，為隧道的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)減小負(fù)擔(dān)，同時(shí)還能夠保證在隧道正常運(yùn)營(yíng)狀況下的汽車(chē)尾氣造成的煙霧中保持良好的能見(jiàn)度。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)隧道燈具主要有表1幾種及常見(jiàn)系數(shù)

從上表中可得LED燈的一系列系數(shù)均優(yōu)于其他照明燈具，白光LED燈光源參數(shù)可達(dá)到150lm/W，光效高，顯色性能優(yōu)于以上幾種燈具。LED燈源由半導(dǎo)體材料制成的照明燈源，隨著LED 技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED的技術(shù)難點(diǎn)不斷被克服，使得LED 燈作為新一代光源被越來(lái)越多的運(yùn)用到新建設(shè)的隧道照明系統(tǒng)，已經(jīng)建設(shè)好的隧道照明系統(tǒng)近些年也在做著各種隧道照明改造的嘗試[1]。

1.2 光源調(diào)光模式的選擇

隧道作為一種半封閉管狀結(jié)構(gòu)，在駛?cè)牒婉偝?，人眼?lái)不及適應(yīng)明暗變化，“黑洞”和“白洞”效應(yīng)會(huì)由之產(chǎn)生，駕駛員心理和生理會(huì)因此受到影響，危害行車(chē)安全，所以整個(gè)隧道照明的控制策略顯得尤為重要。目前，LED光源的調(diào)光模式主要有無(wú)極調(diào)光、燈管陣列控制以及燈群組控制三種方式。

其中的無(wú)級(jí)調(diào)光模式主要是通過(guò)控制輸出電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn) LED光源256級(jí)亮度調(diào)節(jié)，調(diào)光的級(jí)數(shù)多，在視覺(jué)上達(dá)到平滑穩(wěn)定的效果，非常適合隧道照明系統(tǒng)的要求。因此在隧道照明設(shè)計(jì)當(dāng)中LED光源采取無(wú)級(jí)調(diào)光模式。作為一種先進(jìn)的調(diào)光模式經(jīng)歷了多年的技術(shù)演變，目前市場(chǎng)上主要存在模擬、可控硅和PWM三種模式。

PWM調(diào)光是通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)器施加數(shù)字脈沖信號(hào)，反復(fù)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制燈源實(shí)際功率，從而達(dá)到調(diào)光的目的。根據(jù)人眼的特性，100Hz以上的PWM信號(hào)不會(huì)使人感到閃爍感，調(diào)節(jié)脈沖寬度進(jìn)而影響光源亮度。因此PWM調(diào)光至少要有256級(jí)調(diào)節(jié)，這就要求電源具有高于25.6KHZ以上的帶寬，從而使得每一級(jí)的脈沖都能夠達(dá)到100Hz的要求，然后通過(guò)具有PWM功能的芯片對(duì)LED光源的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)隧道照明的無(wú)級(jí)調(diào)光要求。

1.3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)選擇

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，具有簡(jiǎn)單計(jì)算能力和通信能力的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算。傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)有感知、處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)哪芰?，?duì)獲得的數(shù)據(jù)反饋至系統(tǒng)中心，再由系統(tǒng)中心對(duì)數(shù)據(jù)處理，對(duì)隧道燈具進(jìn)行調(diào)光控制。本設(shè)計(jì)中Zigbee技術(shù)趨于成熟，應(yīng)用廣泛，具有低復(fù)雜度、低功耗、低速率、短延遲、低成本、大容量等特點(diǎn)，符合隧道照明系統(tǒng)搭建網(wǎng)絡(luò)的需求，

2隧道無(wú)線(xiàn)照明系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)組成。其中所含的內(nèi)部設(shè)備有隧道燈具控制器（SZ10系列集中管理器）、集中管理器、系統(tǒng)中心單元組成（系統(tǒng)中心由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與軟件監(jiān)控平臺(tái)組成）[2]。

2.1 隧道燈具控制器

SZ10系列單燈控制器可預(yù)留接口，實(shí)現(xiàn)人體感應(yīng)控制燈、光照度控制燈、雨雪量采集控制燈、溫濕度采集控制燈等等。

2.2 集中管理器

可進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，如單燈控制可對(duì)指定節(jié)點(diǎn)路燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)調(diào)光操作、群燈控制對(duì)任意分組進(jìn)行開(kāi)關(guān)和調(diào)光操作自動(dòng)巡檢，自動(dòng)檢測(cè)已綁定的節(jié)點(diǎn)路燈。

2.3 系統(tǒng)中心

由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與軟件監(jiān)控平臺(tái)組成。通過(guò)系統(tǒng)控制軟件對(duì)不同集中管理器下的隧道燈具控制器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)、包括參數(shù)配置、隧道環(huán)境參數(shù)、控制命令信號(hào)發(fā)送、現(xiàn)場(chǎng)燈具狀態(tài)收集等。

隧道燈具節(jié)點(diǎn)處的無(wú)線(xiàn)傳感器用來(lái)采集隧道內(nèi)的亮度、車(chē)速和車(chē)輛數(shù)目，將參數(shù)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后發(fā)送至集中管理器，通過(guò) GPRS 方式與系統(tǒng)中心通信，系統(tǒng)中心對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理，將處理后的信息顯示在后臺(tái)，讀取路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)燈光亮度變化和通斷，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，監(jiān)測(cè)和報(bào)警應(yīng)答等操作[3]。

3結(jié)束語(yǔ)

公路隧道照明的科學(xué)化能夠大大降低隧道行車(chē)事故，保證駕駛員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。照明系統(tǒng)中合理的燈具選取、調(diào)光模式和信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)不僅可以降低能源損耗，而且極大保障駕駛員在隧道視覺(jué)效應(yīng)對(duì)生理和心理的作用影響。采用基于Zigbee的隧道照明無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)，由于其時(shí)效化、準(zhǔn)確化和科學(xué)化等積極特點(diǎn)，在未來(lái)的公路隧道照明系統(tǒng)中將被廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡耀祖，李麗玲，李宏俊，等.照明節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2008，19（2）：1-6.

[2] 王旭升.基于ZigBee的智能建筑燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2011，（12）：22-25.

[3] 國(guó)兵，劉圳，李靈愛(ài).公路隧道節(jié)能照明研究現(xiàn)狀與展望[J].照明工程學(xué)報(bào)，2017，28（1）：102-106.

[4] 孫海艷，陳偉.于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（11）：183-186.

作者簡(jiǎn)介

董岳林（1986-），男，陜西咸陽(yáng)人;學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司。

姚運(yùn)良（1995-），男，安徽淮南人;學(xué)歷：研究生，現(xiàn)就職單位：長(zhǎng)安大學(xué)。