大功率LED隧道智能照明控制系统设计

大功率LED隧道智能照明控制系统设计

【摘要】本文分析了原有高速公路照明控制存在的问题，采用大功率LED 智能照明控制系统的组成，给出了上位机软件设计结构图、控制终端设计框图及改造后的效果。

【关键词】隧道照明；智能控制；控制终端；LED

0 前言

随着我国高速公路的发展，特别是山区高速公路需穿越大量的隧道，为了确保车辆通行的安全，需配置大量的照明，隧道的运行成本越来越高。为了实现隧道照明降低用电量、避免洞内、洞外光差，确保车辆安全、实行分段照度控制、提高照明灯具的使用寿命，提高隧道照明安全稳定运行、便于日常维护管理等。采用光效好，无污染的冷光源节能的大功率LED灯作为隧道照明灯具，并采用智能控制系统实现隧道照明控制是技术发展的必然，是节能减排的需要，也是实现高速公路安全运行的必然。

1 智能照明控制系统的组成

隧道照明系统采用分布式控制，通讯采用RS485通信，系统组成如图1所示。系统主要由上位控制计算机、控制终端设备和现场采样设备组成。上位机与中间层、现场层设备之间通过RS485通信总线进行信息的传递，实现数据的上传和下达。上位机是大功率LED隧道照明控制的心脏，也是系统的控制中心和信息处理中心，负责系统的决策、指令发送、数据采集、显示和存储系统数据等任务。控制终端主要实现LED照明灯具的控制，采集照明灯具的温度和照明通过的电流、调节照明灯的工作电流等。同时把相应的参数上传到上位机，并执行上位机发出的相应得控制命令，对照明进行及时的调控。采样设备主要由通行车辆检测器、光亮度检测器和车速检测器，用来采集隧道通过的车辆、隧道洞内洞外光亮度、运行车速等相关的现场实时数据。

2 上位机软件设计

隧道智能照明控制系统上位机软件结构按结构层次可以划分为人机对话界面层、现场数据采集层、隧道现场车辆检测通信层，软件系统结构框图如图2所示。人机对话界面为操作员工提供简单方便的操作平台，有系统的主界面和相应的对话框。现场数据处理层是计算机处理采样数据的，计算机中的数据包括终端采集的原始数据，中间处理数据和计算好的输出的最终数据，分别保存在上位机不同的储存器中。数据处理层需计算判断的数据很多、计算函数复杂多样，有采样原始数据的采集函数，有计算中间数据的各种相关的关系函数和计算最终数据需要的调用函数等。隧道检测通信层是软件的现场间隔层，是系统的输入输出口，负责对各种信号的进行采集和把最终结果输出控制照明灯具。三层软件结构紧密相连，实习系统软件的全部功能。上位机软件结构按使用功能的不同可分为：

数据采集模块、数据备份模块、数据分析处理模块、隧道照明控制模块、系统设备自检和用户管理维护模块。

系统要进行数据采集，先要和终端采集设备进行相因的通信连接。在完成通信连接后，再编写采集各种信号参数的函数就可以进行相应的数据采集。大功率LED隧道照明智能控制系统的运行过程中，有许多数据需要备份保存，以备以后需要的时候进行相应的查询。隧道智能照明控制系统对照明控制的方法是：把加强照明和基本照明分开，按照明强度把它分成六级，在根据时间的顺序和不同的补偿的方式综合对灯具采用不同的排列组合进行控制，从而对隧道照明的亮度进行调节。

3 终端控制模块设计

高速公路隧道环境比较差，所以采用的隧道照明控制系统的控制终端必须可以对数据进行精确的测量、对照明灯具进行准确的控制并且通信必须可靠，数据上传和下达必须正确。要实现以上的目标，控制终端硬件电路必须高可靠设计和软件算法必须优化设计处理，抗干扰能力强。

按实现不同功能要求为标准，控制终端有两种：检测终端、控制终端。按隧道照明灯为标准，检测终端分有外部检测和内部检测，外部检测主要是有隧道外部照明亮度检测、隧道内部照明亮度检测、隧道车流量检测和隧道内车辆速度检测。在系统出现故障如照明灯具损坏或线路有问题时，系统必须发出报警信号并让高速公路值班人员知道，安排人员处理。系统必须采集LED故障的电流、电压和照明灯具温度等参数。电流、电压和灯具温度测量是终端内部检测。控制终端可以对输出部分进行相应的调光占空比控制，就可以对LED隧道照明灯具的亮度进行相应的调节，实现隧道照明的智能控制。所以控制终端除了要进行参数采集和照明灯亮度控制外，还要和上位机数据交换，控制终端框图如图3所示。

控制终端所需的信号都是由的检测设备和检测电路检测后再送到终端的，测量设备将检测信号采样后并进过相应的电路转换为电压信号，再通过终端微处理器对检测电压信号分别进行相应的逻辑运算，再将计算数据的结果通过通信接口传给上位机，上位机再对计算数据根据控制软件进行相应还原后送到上位机软件界面上。为了避免隧道照明智能控制系统的上位机控制太多控制终端而出现通信混乱，上位机的通信控制方式是采用呼号连接的方法，上位机对每一个控制终端发出的指令都有一个相应的ID号，通信时ID号为传递数据的第一个字节，控制终端在接受数据是，把接收到的第一字节和自己的ID号进行比较判断是否一致，若相同，则和上位机的进行通信联系，并改变控制终端的工作状态；假如ID 号不相同则控制终端不接收信号，控制终端保持自身的工作状态而不受上位机的影响。控制终端设备是通信从机，根据系统设置的通信协议，在上位机没有发出控制指令，控制终端和上位机不能进行数据传送。在上位机发出通信指令后，控制终端可以给上位机发送数据，控制终端先将通数据和ID号捆绑后一起通过通信端口发送给上位机，上位机这样可以知道信息的来自哪一台控制终端。隧道照明灯具相连接的控制终端工作流程，和对车辆速度速、车辆的流量，隧道外照明亮度和隧道内照明亮度进行分别控制的过程大致相同，控制终端进行复位后，上

位机检测程序不断的检测通信数据总线的工作状态，检测到有终端发送数据后，终端马上采用中断工作方式，根据时间先后对接收的数据进行电流、电压、温度测量和进行照明亮度控制的性质进行相应的识别，进行不同的照明亮度控制。

4 结束语

因为LED灯采用直流驱动容易实现调光，采用大功率LED灯作为隧道照明控制的灯具。采用了根据隧道照明各段对光度需要的不同，用占空比控制调光函数，用隧道外照明亮度、车流量、车辆速度的变化综合计算出隧道各段照明亮度所对应的不同占空比来进行照明智能控制，克服了隧道照明控制调光的不连续的难题。采用的隧道照明控制简单，可以利用计算机编程语言进行控制软件编程。设计中采用了隧道内部照明亮度作为检测反馈量，达到隧道照明与隧道外部环境亮度的协调。设计了大功率LED隧道照明智能控制系统的上位机软件框架，上位机软件主要由外部控制终端数据采集、上位机数据备份、数据分析处理、光照度调节控制等模块组成。该软件可以进行自动监测功能、数据快速处理、数据备份维护和通信等功能，软件采用模块化设计，随时可以根据用户不同的隧道照明要求而进行修改完善和扩充。软件有智能控制、手动控制和应急控制三种照明控制模式，用户操作简单方便，软件人机界面友好。上位机与控制终端的通信一对一的数据交换方式通信，确保了通信的可靠性。系统采用抗干扰设计，终端设计分别从硬件和软件上进行了相应的滤波处理，提高了终端检测数据的精确性。

采用大功率LED隧道照明智能控制系统，不仅提高了高速公路的安全性，也降低了高速公路的用电量和提高了照明设备的使用寿命，降低了设备的维护工作量。

【参考文献】

[1]张驰，王洵，徐沛娟.公路隧道LED节能熊明及控制系统试验研究[J].新技术新工艺，2009（9）：67-70.

[2]周正兵，吕晓峰.隧道LED照明节能80%的原因分析[J].交通建设与管理，2008（4）：79-82.