基于物联网技术的公路隧道智能照明系统

时间：2024-04-25

梁兆健

甘肃陇原信息科技有限公司甘肃兰州 730000

1 隧道照明系统结构

1.1 隧道照明现状

照明控制系统是隧道运营中能耗最高的部分，也是与行车安全性最密切相关的部分。目前我国的公路隧道照明管理系统仍面临许多问题，例如旧机电设备、低功耗照明设备少和智能控制能力差。这些问题和技术缺陷的存在与我国高质量公路，特别是高速公路的快速发展形成鲜明对比和矛盾[1]。

1.2 隧道照明发展趋势

在过去的公路隧道照明管理系统中，难以满足隧道的实时照明需求，导致出现了过度照明和低效照明的现象。隧道智能照明控制系统引入了物联网技术，可根据季节和隧道内外不同的光照强度实时动态调整隧道照明，有效地应对了照明过度和照明效率低下的问题，实现隧道照明的现代化。

2 公路隧道智能照明系统设计方案

基于物联网技术的公路隧道智能照明系统的总体方案图如图1所示。该系统的核心是嵌入式控制系统。

图1 公路隧道智能照明系统整体方案

物联网控制系统接受分布式控制，嵌入式控制子系统分布在隧道中的各个位置，其主控制器接受ARM9来收集有关隧道中照明，交通流量和能耗的数据，并配备了无线传输模块，将收集的数据实时发送到远程终端。远程终端接收到前端收集到的数据后，对模糊控制算法的分析得出实时的隧道照明系统控制量，分段进行隧道照明控制[2]。

3 嵌入式控制系统设计

嵌入式控制系统是整个控制终端的核心部分，为实现实时收集和处理数据的可能性，选择了ARM9微处理器作为嵌入式系统的基本处理器。ARM9通过访问地址访问光传感器以获取隧道每个位置的光强度数据，同时偶尔访问智能电表以收集隧道照明能耗数据，并通过串行端口访问线圈检测器终端以获取交通流信息。嵌入式系统收到必要的数据后，将数据存储在本地存储中，数据将根据TCP/IP通信协议传输到远程服务器终端，以分析和控制远程服务器。

4 隧道照明模糊控制算法

模糊控制算法是智能隧道照明控制的基本控制算法。根据模糊控制算法的原理，当自然光强度较低时，有必要在隧道的进出口处包括较少的照明设备。相反，当来自外部的自然光较强时，应仅在隧道的入口和出口处打开更多的照明设备。在隧道的中部，人眼逐渐适应了昏暗的环境，目前主要根据交通流量来控制光的强度，以达到节能的目的。通常在不同的时间段内，隧道中的车辆数量会发生变化，并且不同的天气状况会对车辆数量产生更大的影响。为满足光强度，一般根据最大车辆数量来设计家用隧道的光强度，如果对隧道的照料保留了最大的设计光，则导致大量的功率损耗。

5 数据采集系统

5.1 车流量数据采集

交通流量数据的收集主要是使用环形线圈传感器完成的，该传感器大多埋在路面下方。通过感应线圈检测交通流量和速度是监视公路车辆工作条件的重要部分之一，利用该传感器，可获得诸如道路流量、道路占用率和道路的被监视部分的速度之类的数据，这些数据可用作估算道路车辆的体积和拥堵的重要基础。当车辆通过环形线圈时，线圈中感应出电流，线圈的电感发生变化，检测器检测到电感和检测电路的变化，线圈中电流的振荡频率被转换成脉冲，计算脉冲数[3]。一对感应线圈可埋在条带的一部分中，当车辆通过两个感应线圈时，检测器计算两个线圈之间的时间差，以转换车速以实现车速检测。

5.2 能耗数据采集

为达到节省照明能源的目的，首先需要收集有关隧道照明能源消耗的数据，嵌入式系统应与电力收集系统通信，并读取隧道照明消耗的实时电力数据。智能电表是监视电力数据的最直接的设备，安装在隧道照明的线路输入处，可实时收集和计数照明电路上的电流、功率和能耗。智能电表可实时实现电参数的采集和平均统计并存储采集的数据，嵌入式系统可以根据设备的通信协议请求数据。智能电表可以根据不同的地址定义访问不同位置的电表信息，对所提供信息的反馈。嵌入式系统比较模糊控制前后的能耗，从而依次确定是否达到了节能的目的。

5.3 光照度数据采集

隧道中亮度数据的收集主要用于实现基于STM32控制器设计的，布置在不同位置的光传感器。光传感器通常安装在隧道的每个部分中，内置系统通过地址访问并要求每个传感器在隧道的每个位置接收光，卷数据及存储和传输数据。光传感器的功能不仅完成光数据的收集，还可收集环境的温度和湿度，系统选择的护理传感器使用Modbus协议通过串行端口与嵌入式系统进行通信。总线上最多可连接250个光传感器，嵌入式系统可按地址要求这些传感器收集有关整个隧道照明的数据。