隧道变色温照明控制系统设计

王阳　秦会斌　胡叶舟

摘要 色温影响人们的视觉功效、反应时间和舒适度。用LED取代传统的高压钠灯，并改进只依据亮度控制的照明方案，设计了一种可变色温的隧道智能照明控制系统。系统由洞外环境采集模块、洞内调光驱动模块和隧道管理中心的工业控制计算机组成。环境采集模块以STM32F103为核心处理器，搭配各传感器，上位机根据隧道洞外环境参数的变化对调光驱动模块下发调光策略，调光驱动模块输出两路PWM信号实现无极调控隧道内灯具亮度、色温。该系统简单、经济、稳定可靠，有助于提高驾驶员的视觉舒适感，减少安全隐患，比只调控灯具亮度方案节能18%以上。

关键词 色温；隧道照明；STM32F103；PWM；无极调光

DOIDOI：10.11907/rjdk.173344

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2018）009015705

英文标题Design of Tunnel Color Temperature Lighting Control System

--副标题

英文作者WANG Yang，QIN Huibin，HU Yezhou

英文作者单位（Institute of Electron Devices & Application，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

英文摘要Abstract：Color temperature affects people's visual effects，reaction time and comfort.With LED replacing the traditional high-pressure sodium lamp，we improve the lighting scheme which is only based on the brightness control and design a variable color temperature tunnel intelligent lighting control system.The system consists of an acquisition module outside the tunnel，a dimming drive module inside the tunnel，and an industrial control computer in the tunnel management center.The environment acquisition module takes STM32F103 as the core processor and collocates with each sensor.The host computer distributes the dimming strategy to the dimming drive module according to the change of the environment parameters outside the tunnel.The dimming drive module outputs two PWM signals to achieve the brightness，Promise of color temperature regulation.The system is simple，economical，stable and reliable，and it helps to improve the driver's visual comfort and reduce the potential safety hazard.Compared with lighting regulation only focused only on the brightness of the system has 18% higher energy saving.

英文關键词Key Words：color temperature；tunnel lighting；STM32F103；PWM；dimming without level

0引言

2016年交通运输行业发展统计公报显示，全国公路隧道为15 181处、14 039.7km，其中特长隧道815处、3 622.7km，长隧道3 520处、6 045.5km[1]，创造一个安全、高效、舒适、经济的隧道交通环境对高速公路建设非常重要 [2]。实现公路隧道的智能化[3]，首先要解决灯光照明的智能控制。在传统高速公路隧道运营中，无论天气变化、车流量大小，隧道照明灯总是保持常亮状态，这必然造成电能浪费。近几年，隧道照明控制主要是利用电力载波技术或RS485总线、光纤环网等通信方式，通过调节灯具的功率控制亮度[4]。这种方式可在一定程度上节能降耗，但不彻底，而且忽略了隧道洞外自然环境与洞内灯具色温的变化，驾驶员易产生视觉疲劳，存在一定的安全隐患[5]。

本文提出一种可变色温的隧道智能照明控制系统，将物联网、嵌入式等技术在隧道照明中加以应用，提高隧道的智能化程度。通过嵌入式设备精准采集隧道洞外光环境，使上位机更加清晰、直观地展现洞外亮度、色温变化。上位机与各子系统采取RS485或光纤的通讯组网方式，根据光环境的实时变化信息采取相应的调光策略，准确可靠控制照明灯具，提高驾驶员的视觉舒适度、保障行车安全，实现“二次节能”。

1系统总体架构

系统由环境采集模块、隧道管理中心工业控制计算机、多组调光驱动模块和变色温灯具组成。环境采集模块主要采集隧道洞外环境的光强、色温、温湿度和经纬度，工业控制计算机对环境参数处理分析，对调光驱动模块下发调光命令，每一组调光驱动可负载控制隧道内一段区间的变色温灯具。基于光纤环网的系统结构如图1所示。

2系统硬件设计

2.1环境采集模块硬件设计

环境采集模块以低功耗STM32F103微处理器为核心，搭配光照强度传感器、颜色传感器、温湿度传感器、GPS传感器、通信模块和DC电源模块[6]。STM32F103微处理器采用ARM32位的Coretex-M3内核，最高工作频率72MHz，含512K字节的闪存存储器[7]，64字节的SRAM，多达5个UART串口和2个I2C接口，有4个16位通用定时器，每个定时器有4个PWM通道。环境采集模块硬件如图2所示。

传感器模组主要采集参数有光照强度、RGB颜色、温湿度和经纬度信息，工作电压均为3.3V。光照强度、颜色、温湿度传感器通过IIC总线与STM32F103微处理器通信，GPS传感器通过串口与微处理器通信。数据传输模块包括RS485和以太网两种通信方式，实际应用中根据隧道长度选择其中一种通信方式。以太网模块选用APOBICO的YIXIN_W5500，它集成了TCP/IP 协议栈，支持 10/100Mbps 的网络传输速率，支持 8个独立端口同时运行。W5500 模块工作电压是3.3V，支持 3.3V或5V电源供电引脚。

系统选用220V转12V的DC电源适配器为环境采集子系统硬件模块供电。环境采集模块内部降压电路选用线性电源芯片HT333、lm7805，电源电路如图3所示。

2.2调光驱动模块硬件设计

调光驱动模块由STM32F103微处理器、多组调光芯片JCP10、光电耦合电路、数据传输模块和DC电源模块组成。STM32控制输出多路PWM波，每两路PWM波为一组，经调光芯片JCP10输出0～10V调光电压作为变色温灯具的白、黄两路光源。一个调光驱动模块负责调节一段区间灯具。JCP10是专用于控制0～10V调光LED的驱动芯片。输入既可接单片机的PWM输出，也可接可调电阻进行控制，输出 0-10V/100MA。JCP10内部集成了运算放大器和推挽式功率输出电路，外围零件极少，使用灵活。电流检测模块采用磁感线圈检测灯具电路中强电的电流，通过模拟信号传给STM32，在STM32中处理、计算得到电流值，最终反馈给上位机。调光驱动模块硬件框架如图4所示。

3系统软件设计

3.1环境采集模块软件设计

环境采集模块核心是STM32微处理器，它负责存储、处理传感器采集的数据，并通过RS485或RJ45传给上位机。光照强度传感器和温湿度传感器将实时采集到的模拟信号经 A/ D转换并处理后转化成相应格式的数字信号[8]，通过IIC协议传给STM32最小系统。颜色传感器将采集的R、G、B数值通过IIC协议传给STM32。STM32计算色温函数如下[9]：

3.2调光驱动模块软件设计

STM32F103有多达11个定时器，其中有2个高级定时器和4个通用定时器，这6个定时器都是16位的。通用定时器可输出4路互不影响的pwm信号。高级定时器可输出3对互补pwm信号外加ch4通道，也就是一共7路[10]，这样算下来stm32一共可生成30路pwm信号。本系统采用4个通用定时器生成16路pwm信号，可供8组调光驱动模块调光。STM32主函数代码如下：

int main（void）

{

SystemInit（）； /*系统时钟初始化*/

GPIO_Config（）； /*GPIO端口初始化*/

TIM3_Config（）； /* 定时器初始化*/

while （1）

{

/* 接收外部USART中断*/

}

}

3.3隧道管理中心工控机软件设计

工控机功能用于环境信息的采集、展示和数据的存储、计算，以及调光命令的下发，通過串口程序或Socket网络程序与下位机通信。数据展示即UI界面，采用C#语言；数据存储选用SqlServer数据库。环境信息采集有定时采集和实时采集两种工作模式，分别实现隧道洞外环境的周期性监测和紧急事件监测。定时采集模式提供3个可选周期，分别为30s、60s、300s，采集的数据实时保存到SqlServer数据库。照明调光功能默认采用智能调光模式，紧急状况下可选择人工模式[11]。调光策略参照JTGT D70/2-01-2014公路隧道照明设计细则制定，依据隧道洞外环境的色温、亮度和隧道设计时速实时调节隧道入口段、过渡段、中间段、出口段灯具的亮度和色温[12]。智能管理模式和手动管理模式流程见图6。

3.4调光策略

通常隧道照明分为入口段、过渡段、中间段、出口段[13]。隧道照明分区段设置是为满足驾驶员视觉从高亮度向低亮度，或从低亮度向高亮度变化适应的需求[14]。在隧道设计时，过渡段亮度宜按入口段亮度折减[15]；中间段亮度值与隧道的设计速度和车流量有关，在公路隧道照明设计细则中有固定的数据参考；出口段亮度宜与中间段亮度呈正相关。由此可见，在隧道照明研究中，入口段照明是关键。以下给出入口段调光策略，其它段色温值与入口段色温值一致，亮度不同。白天隧道洞外色温低于6000K时调光策略见表1，洞外色温高于6 000K时调光策略见表2，晚上调光策略见表3，表中L20（S）是隧道洞外环境亮度。

4系统测试

4.1环境采集模块测试

为方便总结、分析数据，实验选取亮度、色温可调的标准灯具作为数据采集对象。实验器材包括：系统环境采集模块、工控机管理软件、柯尼卡测量仪。实验采用改变灯具黄、白光源电压配比方式，以柯尼卡测量仪所测数据为标准，与本系统上位机读取数据进行比较。首先灯具黄色光源电压保持0V不变，白色光源电压从10V到0V均匀改变；之后白色光源电压保持0V不变，黄色光源电压从0V到10V均匀改变。测试数据曲线见图7。

4.2系统测试

本系统在贵州毕节隧道进行了现场测试。在隧道洞外布置了环境采集模块，在隧道内安装了调光驱动模块和可变色温照明灯具。在不同天气环境、不同时段对环境数据和隧道内灯具的亮度、色温进行了测试[16]。图8是某天24小时的环境色温、亮度数据，随之变化的入口段灯具色温、亮度数据见图9。经周期性负荷测试，系统工作稳定，灯具的亮度、色温随洞外环境值实时变化，符合设计规范。

5结语

本文设计了一种变色温的公路隧道照明系统，对传统隧道照明缺陷进行改进，给出了具体的亮度、色温调节方案，可根据隧道洞外环境参数及隧道的设计时速对隧道灯具无极调控。系统简单经济、稳定可靠、实时性好。在减少隧道安全隐患、改善驾驶员视觉功效方面有一定推广价值。

参考文献参考文献：

[1]孙发恩.高速公路隧道照明控制系统设计与研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[2]李居昌.公路隧道建设任重而道远[J].中国公路，2005（22）：100101.

[3]交通运输部.2016年交通运输行业发展统计公报[R].201700122，2017.

[4]何素梅，傅锦良，吴海彬.LED隧道照明自动调光系统的设计[J].电子测量与仪器学报，2015，29（4）：622629.

[5]左小磊.关于光源色温对隧道照明效果影响的研究[D].大连：大连海事大学，2015.

[6]刘一婷，杨恒，张正炳.基于ZigBee的仓库监控系统设计[J].物联网技术，2013（4）：3335.

[7]李坤明，杨光友，李军.低功耗无线传感器网络终端节点的硬件设计与实现[J].湖北工业大学学报，2015（4）：912.

[8]李振.基于LabVIEW和ZigBee的温室智能控制研究[D].昆明：云南农业大学，2015.

[9]王敏.基于色温估计自动白平衡算法研究与实现[D].天津：天津大學，2011.

[10]STM32--PWM输出总结[EB/OL].http：//www.eeworld.com.cn

[11]田军.公路隧道照明智能节能系统设计与研究[D].西安：长安大学，2015.

[12]刘辉，翁季，杜峰.LED光源在公路隧道照明设计中的创新[J].灯与照明，2015（3）：2426.

[13]董华.LED隧道照明智能控制系统设计[D].广州：华南理工大学，2016.

[14]张乾.公路隧道照明智能控制系统的设计[D].大连：大连海事大学，2016.

[15]张雄，都震林，高玉顺.高速公路照明节电与无极调光的应用及分析[J].桥隧工程，2015（1）：276278.

[16]杨志峰，郑梽浩，辜晗光，等.色温可控性在公路隧道LED照明光环境中的应用研究[J].桥隧工程，2017（9）：156158.

责任编辑（责任编辑：杜能钢）