隧道照明自动控制系统的设计

隧道照明自动控制系统的设计

摘要：介绍了一种基于本地控制器STM32的隧道照明自动控制系统设计,主要阐述了系统总体结构,给出了采集单元和驱动单元的硬件结构,对隧道照明自动控制系统的整体控制进行了软件说明。提出隧道照明自动控制系统能根据隧道口的光照亮度、车流量和车速等参数来合理地调节隧道内的照明亮度,从而让驾驶员安全地通过隧道。

关键词：隧道照明; 信号采集; 控制单元; 驱动单元; 软件设计

0 引言

进入隧道的驾驶员一般容易产生“明适应”和“暗适应”的视觉问题,容易引发交通事故。据统计,发生在隧道口的交通事故绝大多数是由于洞口亮度变化不当而引起的追尾问题。因此,隧道照明控制系统必须能够根据隧道口的光照亮度、车流量和车速等参数来合理地动态调节隧道内的照明亮度,使其变化更加符合人眼对亮度的适应变化曲线,从而让驾驶员安全地通过隧道[1]。

本文设计了隧道照明自动控制系统,采用STM32F103RBT6作为采集系统的核心控制器,通过连接不同功能的传感器进行相关数据的采集,并进行处理,最后输出给每个驱动单元,实现隧道灯亮度的实时调节。

1 系统的总体设计

隧道照明控制系统一般包括采集单元、控制单元、通信单元、驱动单元及与之配套的隧道照明灯具[2-3],如图1所示。信号采集单元首先把系统需要的洞外亮度、经过隧道的车流量及车速的信息传输给本地控制器,本地控制器再依据调光控制程序,将输入的参数转换成隧道内各照明

段所需的亮度值,并得出各个驱动单元所需的控制信号,把得出的调光控制指令发送给各段所对应的驱动单元,进而控制各照明段的灯具亮度,实现实时、连续的调光。

图1 隧道照明控制系统总体结构

2 硬件设计

2.1 采集单元的设计

2.1.1 光照采集

洞外亮度是指在公路隧道接近段的起点S处,距离地面1.5 m高,正对洞口方向20°视场范围内实测所得的平均亮度[4]。目前市场上常见的传感器为光敏传感器和照度传感器,本文选择GY-30照度传感器进行光照信息的采集[5]。该传感器内置BH1750FVI芯片,内部包括低功耗3.3 V稳压器和通信电平转换,内部包含A/D转换器,能够直接输出数字信号,是一种支持I2C总线接口的环境光强度传感器集成电路。

2.1.2 车速和车流量的采集

对于车速和车流量信号的检测,目前常用的有电磁线圈检测法、视频检测法、光电检测法、红外检测法、雷达检测法等。光电检测、红外检测和雷达检测的检测精度相对低,抗干扰能力差;视频检测法的成本高,实时性差,检测精度与软硬件设计有关[6]。因此,线圈式检测的方法相比之

下更适合隧道口环境下对车辆各指标的采集。本文选择线圈式检测法[7],其原理是先把环形线圈按一定的要求埋设在隧道口,再把其连接到紧邻控制器的VD108B车检器上;当有车辆通过隧道时,环形线圈就能检测到车辆信息,并传输给其连接的车检器,经过车检器的处理,输出标准TTL信号,再传输给本地控制器STM32,完成信号传输。

车速和车流量的计算需要两组线圈式检测装置,当车辆通过铺设在前端的环形线圈1时,线圈就会发送一个检测信号,并经过车检器1发送给控制器,同时控制器的计数器开始计数;当车辆经过环形线圈2时,再发送一个检测信号,经车检器2发送给控制器,此时计数器停止计数。之后经过两线圈之间的实际距离和时钟脉冲信号的周期通过一定的计算方法得出所需的车速和车流量。

2.1.3 采集单元的设计

隧道照明控制系统采集单元的硬件连接如图2所示。

图2 隧道照明控制系统采集单元的硬件连接

图2中,照度传感器GY-30采用IIC总线方式进行通信;车检器VD108B 输出TTL信号,直接与控制器STM32进行通信(PC6/7设置为输入管脚)。

2.2 控制单元

在LED隧道照明控制系统中,控制单元负责向采集单元下达采集指令,并接收采集单元传输的采集信号,经过对采集信号的处理,输出调光控制指令,并传输给驱动单元,进行隧道灯的亮度调节[8]。普通小型隧道的照明分为入口段、过渡段、中间段、出口段4个照明段[9],这就要求控制器能够同时连接4个驱动单元,并能够同时输出4路调光信号,每一段隧道灯所对应的驱动单元接收相应的调光信号,实现各自的亮度控制。本文选择控制器STM32F103RBT6作为控制的核心芯片,具备IIC通信功能,能够同时输出4路PWM信号,程序运行快,功耗低[10]。

2.3 驱动单元

由于STM32F103RBT6不能对LED灯进行直接控制,所以必须选用其他硬件对LED进行驱动,将主控制器输出的调光信号(PWM占空比)转化为相应的电压值,从而达到调光所需的亮度值,实现调光的目的。本文选择型号DRIVE-SW12的LED恒流驱动模块[11],输入电压8～30 V,模块共5个接口,接口SW12为PWM信号输入端,接口V+和V-用来连接输入电压,D+和D-连接所控制的隧道LED灯具。

驱动单元电路连接如图3所示。

图3 驱动单元电路连接

3 软件设计

软件部分包括初始化配置、采集单元信号的接收与发送、调光控制及控制信号的输出等,每部分都包括用来定义声明和接口的头文件以及用来实现软件功能的源文件。隧道照明系统整体控制流程如图4所示。

图4 隧道照明系统整体控制流程

系统启动后,在各部分连接均正常的情况下,本地控制器向采集单元发出指令,读取照度传感器实时采集的洞外光照和车检器检测到的车辆信

号,并经过处理得到控制所需的输入参数,即洞外亮度、车速、车流量。之后调用调光控制程序进行数据处理,并输出调光指令,隧道LED驱动电源模块接收相应的调光信号,实现各照明段灯具亮度的控制。依据JTJ 026.1—1999《公路隧道通风照明设计规范》[12],调光控制程序将采集的数据与标准数据进行比较,根据两者的变化得出不同占空比的PWM信号。设计中采用STM32通用定时器TIM3的4个通道进行4路PWM信号的输出,TIM3所对应的4个通道CH1～CH4分别对应一个寄存器,输出模式下每个寄存器里的值与TIM3里的CNT值进行比较,并根据对比的结果产生相应的动作。因此,通过修改寄存器的值就可以控制输出不同频率的PWM 波。通过软件置“1”或“0”,控制定时器3的通道在GPIO端口的映像,使CH1～CH4产生的PWM分别从控制器的PB4、PB5、PB0、PB1端口输出。需要特别注意的是,PB4默认的调试状态

要先关闭部分调试才可以使用。

4 结语

根据实际隧道照明控制系统中所需的控制参数,设计了一套适用于小型隧道的照明控制系统,可根据实时采集的洞口亮度等信号,合理动态地调节隧道内各照明段的亮度值,从而实现按需照明。

参考文献：

[1] 贾宁,郭珊.智能LED隧道照明控制系统的设计与开发[J].科技通报,2014,30(5):121-124.

[2] 闰利栋,孙鸣蔚.基于GPRS的地铁隧道环境监测系统设计[J].电子科技,2015,28(12):129-131.