0 引言
公路中的隧道照明不同與一般的道路，需要進(jìn)行24小時(shí)不間斷的照明，研究表明，一條中等長(zhǎng)度的隧道每天的耗能達(dá)到800 kW/h,電費(fèi)開支與能源消耗成為高速公路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)必須面對(duì)的問題。公路的隧道作為高速公路中的特殊路段，內(nèi)外的光亮度差值較大，環(huán)境不一致，高度與側(cè)向凈寬有限，使得如何在保證車輛的行駛光照強(qiáng)度下進(jìn)行隧道照明節(jié)能，成為目前的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。近些年，我國(guó)的各大院校與研究所開展了ZigBee無線模塊針對(duì)隧道智能照明的大量研究，出現(xiàn)了很多優(yōu)秀的研究成果，已經(jīng)有很大一部分開始應(yīng)用在實(shí)際的隧道控制中。
1 智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
隧道智能照明系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，智能化程度較高的控制系統(tǒng)不但可以保證隧道中有效的照明節(jié)能還可以降低事故的在隧道中的發(fā)生率。
本文采用了ST 公司的STM32F103VBT6，這種芯片具有靈活的時(shí)鐘配置模式與低功耗模式，方便在隧道照明控制中使用。核心處理器中加載了經(jīng)過模糊推理的規(guī)則模型對(duì)隧道照明進(jìn)行智能化控制。系統(tǒng)框架圖如下圖1所示。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖
節(jié)點(diǎn)的智能照明控制器受到中心控制器發(fā)來的命令后，為了能夠更為穩(wěn)定的傳輸，本文使用了CAN總線進(jìn)行通信協(xié)議的解析，LED電源本文采用的是INVENTR 公司的恒流驅(qū)動(dòng)電源來實(shí)現(xiàn)，這種電源的輸入電源是90~350 V，可以通過DC進(jìn)行連接LED燈的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，本文的硬件設(shè)計(jì)主要工作在ZigBee無線模塊的硬件設(shè)計(jì)與核心智能照明控制器的設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，包括核心芯片的外圍支撐電路與電源模塊。ZigBee無線模塊傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸模塊設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與芯片外圍電路的支撐設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。
圖2 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖
T1 公司推出的CC2430是一種高性能的2.4GHz的射頻收發(fā)器，內(nèi)部鑲嵌了一顆小巧的8051控制器，內(nèi)部有靈活閃存空間，采用CMOS工藝，適合工作在隧道照明的控制中。本文使用這種芯片與CC2591 芯片組合使用構(gòu)造無線收發(fā)模塊，這樣就不需要增加額外的電路進(jìn)行RF匹配。
圖3 ZigBee 無線收發(fā)模塊電路
上圖3中，R1 與R2作為晶振提供電阻提供了32 MHz的晶振電路。主時(shí)鐘是通過外部的晶振XTAL1 與兩個(gè)負(fù)載電容C14\C15 提供的，CC2591的HGM為引腳、EN引腳、連接到CC2430的閑置I/O口，CC2591可以根據(jù)電平值進(jìn)行工作狀態(tài)的調(diào)控，降低功耗。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為功耗最多的模塊要通過220 V 的交流電進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換供電，下圖是電源的模塊電源轉(zhuǎn)換電路供給無線網(wǎng)絡(luò)芯片工作：
圖4 模塊電源控制部分
圖4是使用5 V的電源后再通過一個(gè)低壓的差線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為3.3 V的模塊電壓供電。
圖5 中心控制器的液晶顯示電路
如上圖5所示，采用模擬串行通信與ARM芯片相連，連接的引腳分別為：SDD、SCL、SI分別連接到了STM32的引腳上，采用點(diǎn)陣數(shù)為128*64的液晶顯示模組，內(nèi)置EPL;65132方便與微處理器相連接。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
高速公路中的隧道照明控制各個(gè)模塊的運(yùn)行如下圖所示，系統(tǒng)通電后，初始化ZigBee無線模塊傳感網(wǎng)絡(luò)的ZigBee無線數(shù)據(jù)采集與照明網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后開始實(shí)時(shí)的進(jìn)行洞內(nèi)與洞外數(shù)據(jù)的ZigBee無線數(shù)據(jù)采集，ZigBee無線數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸后傳到控制中心，傳輸中心的模糊控制模塊進(jìn)行控制規(guī)則的構(gòu)造，通過規(guī)則調(diào)控LED燈的功率。
圖6 系統(tǒng)控制流程
隧道智能照明控制器的智能化控制涉及到的因素較多，各個(gè)因素之間存在著巨大的非線性，無法形成特定的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行智能控制。模糊控制是一種模糊數(shù)學(xué)與語言推理的一種控制方法，可以結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)形成一種具有反饋通道的閉環(huán)系統(tǒng)。模糊化的過程主要是輸入變量的值，通過數(shù)字的形式將輸入量轉(zhuǎn)化為語言變量值，每一個(gè)語言變量都是一個(gè)模糊子集，包括知識(shí)庫(kù)建立、推理決策、去模糊處理幾個(gè)部分。本文涉及到的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)包括洞外的亮度、車速、車流量等幾個(gè)參數(shù)。隧道的照明區(qū)段分為：入口段、過渡段、中間段、出口段幾個(gè)部分，各段的亮度值與車輛流量、車速相關(guān)。實(shí)際的車速與測(cè)量模型中的數(shù)據(jù)存在一定的偏差，本文使用車速變化的照明補(bǔ)償技術(shù)對(duì)其實(shí)行亮度補(bǔ)充，假設(shè)實(shí)際的車速為vx ，車速為80~100 km/h 時(shí)可以使用如下的公式進(jìn)行照明函數(shù)補(bǔ)償：
lx =4.5+ vx -80/20 ×4.5
上面的式子中lx 代表實(shí)際的照明值。同樣車流量的變化也將對(duì)照明控制產(chǎn)生一定影響。如果車速設(shè)置在100 km/h ，車流量設(shè)置在700~2400 輛之間的時(shí)候可以使用如下公式對(duì)其進(jìn)行照明補(bǔ)償：
k = n-700/1700 ×0.01+0.035
上面的式子中，n 為實(shí)際的交通流量，0.01分別是N ≥2400/h,N ≤700/h 對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)差，即0.045-0.035。
模糊推理機(jī)作為系統(tǒng)中的核心部分，能夠?qū)崿F(xiàn)照明控制的規(guī)則推理，是吸納推理后將規(guī)則通過核心控制器對(duì)周圍的LED 照明燈進(jìn)行控制。
下面是規(guī)則庫(kù)中的部分推斷出的規(guī)則：（1）白天模式、單向隧道、車速為40 km/h ，車流量小于700：結(jié)果：N0 =0,N1 =700,k0 =0,k1 =0.01,l1 =1.5,l0 =0
（2）白天模式、單向隧道、車速為40 km/h ，車流量700-2400：結(jié)果：N0 =700,N1 =2400,k0 =0.01,k1 =0.012,l1 =1.5,l0 =0
（3）白天模式、單向隧道、車速為40 km/h ，車流量大于2400：結(jié)果：N0 =2400,N1 =4800,k0 =0.01,k1 =0.012,l1 =1.5,l0 =0
（4）白天模式、單向隧道、車速為60 km/h ，車流量小于700：結(jié)果：N0 =0,N1 =700,k0 =0,k1 =0.015,l1 =1.5,l0 =1.5
（5）夜晚模式、單向隧道、車速為40 km/h ，車流量大于2400：結(jié)果：l1 =1.5,l0 =1.5
（6）夜晚模式、單向隧道、車速為60 km/h ，車流量大于2400：結(jié)果：l1 =2,l0 =2.5
（7）夜晚模式、單向隧道、車速為60km/h ，車流量700-2400：結(jié)果：l1 =2,l0 =1.5經(jīng)過判斷在每一隧道處將會(huì)形成不同數(shù)量的知識(shí)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則指導(dǎo)隧道中照明的智能控制。
4 實(shí)驗(yàn)分析
為了驗(yàn)證本文中方法可行性，本文基于MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于Windows xp操作系統(tǒng)，在MATLAB中裝在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與模糊推理程序，分被在不同的時(shí)間段與不同的隧道外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，主要從ZigBee模塊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)性能與控制的節(jié)能率對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試分析。下圖是在10個(gè)不同的時(shí)間段與10個(gè)不同隧道環(huán)境中無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)延時(shí)圖。
圖7 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)延時(shí)圖
圖7可見，在不同的隧道與不同的時(shí)間段的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中，數(shù)據(jù)發(fā)送的延時(shí)都保持在0.15 s左右，證明本網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)越穩(wěn)定，延時(shí)率較低。
經(jīng)過模糊推理規(guī)則控制的隧道智能照明控制器系統(tǒng)，最大的優(yōu)點(diǎn)就是比傳統(tǒng)的24 h燈光照明能耗更低，下圖是在10個(gè)不同的隧道中使用兩種方法測(cè)試的某日的能耗對(duì)比圖。
圖8 能耗對(duì)比圖
圖8可見，經(jīng)過本文的方法與24 h不間斷照明的控制方法對(duì)比后，不同隧道的平均能耗都降低18%，有很強(qiáng)的實(shí)用性。