隧道智能照明远程监控系统的设计与实现

古鑫蕤

摘 要：文章首先分析了我国隧道智能照明发展情况，提出构建一种基于Zigbee的智能LED隧道照明远程监控系统，其次就此智能照明远程监控系统的设计、实现与验证展开了具体分析，明确了此系统在满足照明需求的同时，具有显著的节能降耗效果，可供参考。

关键词：LED灯 Zigbee通信技术 远程监控系统

1.我國隧道智能照明发展情况

我国隧道照明系统发展较晚，在20世纪90年代初仅仅是停留在在隧道中安装简单照明设施的阶段，但在我国隧道建设事业的高速发展的背景下，智慧照明时代也随之到来，早期传统型隧道智能照明控制（见图1），打破了传统手控格局，但此种智能控制过程是相对复杂的、控制范围小，在自动化和安全舒适性上需要更进一步。

基于物联网技术的发展，智能照明远程监控系统成为可能，物联网无线通信技术众多，包括Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等等，其中Zigbee技术具有低复杂度、低功耗、低速率、短延迟、低成本、大容量等特点，完全符合隧道照明系统搭建网络的需求。因此，文章提出一种基于Zigbee的智能LED隧道照明远程监控系统，与早期传统型隧道智能照明控制系统相比，此系统无需铺设控制线、通信速率较高可达到250Kbps、区域控制器安装位置可随意指定，所需数量较少，由此在满足隧道照明要求、保证安全行驶的同时，还能实现合理节能，切实满足隧道安全、高效、绿色运营要求。

2.隧道智能照明远程监控系统的设计

2.1隧道智能照明远程监控系统功能需求

（1）无线通信：隧道智能照明远程监控系统通过无线接收下位机发送的指令、信号，并利用无线通信向调光控制器发送调光指令、向照度采集装置发送指令。

（2）数据处理：根据洞内亮度、车速、车流量等数据的分析处理结果，通过ZigBee通信模块发送控制命令给照明监控终端，实现对照明系统的远程智能控制。

（3）人机交互：可实时显示隧道各个路段环境参数，提供数据查询、存储以及图表输出等功能，可辅助管理者决策。

（4）运营模式选择：隧道智能照明远程监控系统需具备3种运营模式：自动控制、手动控制、定时控制，以应对不同的隧道运营情况。

2.2隧道智能照明远程监控系统总体结构

隧道隧道照明系统主要包括中间段照明、入口段照明、过渡段照明（进口、出口）、出口段照明，不同区段的亮度、车速、车流量等因素均存在差异，因此为兼顾行车安全与节能，需分路段调节LED灯亮度，并对每隔路段的照明设备运行情况进行监视。

隧道智能照明远程监控系统主要分为了4大模块：（1）环境参数检测模块，具体检测参数包括：洞内外亮度、洞内外烟雾浓度以及车流量、平均车速；（2）ZigBee无线通讯模块，上传环境数据；（3）LED照明监控终端：根据控制系统指令调节LED灯运行状态；（4）LED隧道灯服务器控制系统：接收、处理各路段环境参数，发送命令至照明监控终端，实现对LED灯亮度的实时调控。

由于隧道是一个线性工程，存在诸多无线网络节点，本系统中ZigBee组网采用簇树拓扑结构，无线模块包括3类设备：（1）中心节点：负责网络创建、数据传输、控制；（2）路由节点：负责数据转发，可延长无线通信距离；（3）终端设备：负责上传环境参数、接受命令。在无线通讯模块中，当终端节点通过路由节点组网失败，会自动寻找其他路由节点组网，实现了大面积通讯，后期维护更为便利。

2.3隧道智能照明远程监控系统设计

2.3.1硬件设计

如图2所示为嵌入式服务器硬件框图。

本服务器系统主控芯片选用的是Samsung ARM11处理器S3C6410芯片，采用了64/32位内部总线架构，由AXI、AHB和APB总线组成，可运行至667MHz，系统配有以太网卡DM9000；系统人机交互接口配有7寸tft液晶屏；ZigBee无线通讯模块采用TI Zigbee SOC CC2430芯片。

2.3.2软件设计

本系统采用QT多线程编程，主线程、次线程分别负责制定自动控制模式控制策略与无线数据实时通讯。本系统控制方式包括3种：手动、自动、定时控制，手动控制主要用于设备的安装与日常维护；自动控制用于各路段LED灯亮度调节；定时控制则按时间段单独控制各路段照明。

服务器控制系统接入电源，初始化各模块，ZigBee无线通信模块组网，隧道各节点入网，载入相关参数、配置，间隔1min读取环境参数，判断隧道照明是否正常，若发现异常则会立即报警；若未发现异常，则会判断系统处于何种控制模式下，手动控制模式只采集信息，不下发调节命令；定时控制模式，比较当前时间决定是否控制；自动模式，根据信息分析处理结果，下发命令至LED照明监控终端进行自动调节。隧道灯服务器控制系统程序流程如下：首先初始化系统各个模块，每隔1min采集车辆以及洞内外亮度信息，然后检测隧道状态是否正常，不正常则报警，正常即检测系统是哪种状态，可定时控制LED隧道灯亮度，或通过自动控制，根据当前车辆信息、洞内外亮度信息制定策略，以此控制LED隧道灯亮度。

3.系统实现与验证

为验证本隧道智能照明远程监控系统的节能效果，根据上述框架搭建测试平台，采用50W单盏LED灯充当隧道照明灯，通过程序切换轮流进行隧道各分段照明，每分段运行1min，一个周期为8min。

假设隧道运行状态下，白天、夜晚洞外亮度分别为300～3000cd/m2。车流量设4个状态随机变化：①N=0；②01000。车辆通过速度设3个数值随机变化：①60km/h；②80km/ h；③100km/h。

现设置3种隧道照明控制方案：

（1）方案一：传统照明，即隧道各分段照明功率恒定，按洞外亮度3000cd/m2、车流量100

（2）方案二：白天采用隧道智能照明远程监控系统控制（自动控制模式），隧道各分段照明明功根据洞外亮度、车流量、车辆通过速度实时变化；

（3）方案三：夜晚采用隧道智能照明远程监控系统控制（定时控制模式），此时间段洞外亮度一直，因此可直接采用定时控制模式。

上述3种方案分别模拟运行8h，得到耗电量分别为0.071度、0.044度、0.019度，方案二、三分别节省电能38%、73%，节能效果显著。

4.结束语

综上所述，隧道智能照明已成为了现代隧道建设中不可或缺的一项关键系统，逐渐增多的隧道交通安全事故与巨大的隧道照明成本对隧道智能照明控制提出了更高的要求，文章基于物联网时代下展开隧道智能照明远程监控系统的研究，提出了一种基于Zigbee的智能LED隧道照明远程监控系统，满足了隧道照明的安全、稳定、节能要求，为我国交通事业健康、稳定发展提供了重要的技术支持。

参考文献：

[1]洪细旋.LED隧道照明智能控制系统[J].机电工程技术，2017（S1）：317-318.

[2]何鹏，董敏娥.基于智能模糊控制的隧道照明系统研究[J].制造业自动化，2009（09）： 107-110.