LED隧道照明自动调光系统的设计

LED隧道照明自动调光系统的设计

薛宇

辽宁省交通规划设计院有限责任公司

摘要：目前广泛使用的隧道照明灯具如HID灯和荧光灯等，由于技术上的原因，均不适宜长期调光控制。随着LED封装与应用技术的发展，LED在流明效率、显色性、功率等方面都有了较大提高，LED灯用于隧道照明已经成为发展趋势。到目前为止，已经有很多新建隧道采用了这种新光源，取得了较好的效果。而LED灯不仅节能环保，而且具有良好的调光性能，这为解决隧道调光照明提供了新的技术选择。隧道照明有了调光功能，就可以使隧道内亮度更好地适应洞外环境亮度的变化，降低或消除隧道的“黑洞”与“白洞”效应，为道路交通提供安全、舒适的照明环境。隧道照明的调光功能还可以减少或避免大量的照明用电浪费，节省能源。基于此，本文主要对LED隧道照明自动调光系统的设计进行分析探讨。

关键词：LED隧道照明；自动调光；系统的设计

1、前言

隧道内不同区域的亮度要求各不相同，它们与洞外亮度、交通流量、洞内废气的多少、行车速度、灯具的养护周期等诸多因素有关，甚至与路面的材料和洞壁的装修材料有关。此外，由于夜间电压波动较大，不但会增加灯具的耗电，而且更易损坏灯具，这也就意味着维护成本的增加。隧道LED照明调光控制器则可以很好地解决以上问题。隧道内照明的节能不是简单地开关某些灯具，而是要求在行车安全的基础上最大限度地节能，要求隧道内的灯具能够根据需要自动控制启停或调压，从而最大限度地降低能源消耗。

2、隧道LED照明调光整体方案

为了实现对每盏LED隧道灯进行任意调光控制，LED隧道灯需要具备唯一的地址编码。ＲS485总线由于具有通信距离长、可靠（差分方式）等优点，在工业控制领域具有广泛的应用。通常ＲS485总线上主控制器（也称主节点）和各从控制器（或叫从节点）之间普遍采用并联接法，由于驱动能力有限，通信节点不能过多，通信距离如果过长，也需要增加中继设备；另外，一个ＲS485网络一般只能有一个主节点，其余全为从节点，通信过程必须由主节点进行统一控制，通信效率较低，对于节点数量比较多的网络，不太适用；更主要的是，并联接法的各主从节点必须预先人为设定地址编码，才能实现双向通信。

对于LED隧道灯而言，由于实际隧道长短不一，灯具数量差异也较大，较长的隧道可以达到数公里、灯具数量达到千盏以上，隧道内不同位置的隧道灯（如入口段、过渡段、出口段）往往需要不同的调光规则，而隧道灯的地址编码显然不宜在出厂前就预先设定（这非常不利于后期的维修和更换），即使安装后在现场人工设定，也是一项非常麻烦的作业。因此，ＲS485并联组网方法应用于隧道调光照明会受到诸多限制。为解决上述问题，提出基于ＲS485总线的闭环串联回路通信架构，系统由主控制器、GPＲS无线通信模块、洞外亮度检测模块、ＲS485通信网络、若干LED隧道灯等组成，如图1所示。

图2灯节点结构组成

为实现上述功能，主控制器和灯节点均应具有2个独立的ＲS485总线接口，一个负责发送；另一个负责接收，如图2所示为灯节点的组成结构。灯节点由通信模块和灯体两部分组成，通信模块以MCU为核心负责接收、响应、执行和传递指令，通信模块提供2种调光接口：一是由D/A转换输出0～5V的模拟量控制信号；二是提供占空比可调的PWM控制信号，前者适用于压控恒流驱动，后者可以直接利用PWM信号对LED回路的开关管或者驱动IC进行调光控制。这种网络拓补结构可以使主控制器和每个灯节点的发送和接收串口分开独立使用，每个节点都可以随时接收和发送数据，每个节点都可以作为主节点，大幅提高了通信的效率。

系统主控制器实时采集洞外环境亮度（亮度检测传感器安装位置与方法须依据《公路隧道通风照明设计规范》进行），根据预设的调光控制程序适时向各节点发送调光指令。若发生灯节点故障等异常情况，通过GPＲS无线收发模块向远程监控中心发送报警指令。

对于隧道双侧布灯，由于双侧灯节点之间的距离一般都只有数米，因此两灯节点之间的ＲS485通信不会有问题；当隧道采用单侧布灯时，ＲS485通信回线可能会由于线路过长而无法正常工作，这时需要增加ＲS485中继设备，这里给出另一种无需中继的解决方案，即间隔连法，如图3所示，直接相连的2个灯节点距离增加1倍，灯节点编号不再连续排布。

图3隧道单侧布灯的间隔解法

3、主控制器设计

主控制器是隧道调光照明的控制核心，主要包括洞外亮度检测与处理模块、GPＲS模块、存储器、MCU、时钟、串口等，如图5所示。洞外环境亮度检测采用专用芯片BH1750，该芯片带有亮度检测窗口，检测亮度值在芯片内部经过A/D转换直接把十六位二进制照度数据存于寄存器内，MCU通过I2C总线直接读取亮度值，硬件电路简单，使用方便。GPＲS模块有2种通信模式：一是数据通信模式，可以把各灯节点调光数据从远程监控中心传给主控制器，并存储于内部非易失数据存储器内；二是短消息模式，该模式也可用于接收监控中心的指令，如在紧急或异常状况下，关闭或打开所有灯节点等；另外，主控制器也可以把故障灯节点的信息通过短消息发送给监控中心，以便于及时维修维护。主控制器内设有时钟电路及其后备电源，也可以根据不同时段采取灵活的调光控制方法。

主控制器内MCU与GPＲS模块通信采用ＲS232总线，时钟电路与洞外环境亮度检测模块采用I2C总线，与灯节点通信采用2个ＲS485总线，主控芯片采用ST公司STM32F103Ｒ8型32位AＲM微控制器，LQFP64封装，128KFlash，20KＲAM，具有3个USAＲT接口，2个I2C总线接口，可以满足本设计的要求。

4、LED照明智能调光系统在公路隧道运营中

应用的经济效益通过对高压钠灯回路控制、LED回路控制、LED隧道照明智能控制3种控制模式用电情况现场实测，LED照明智能控制系统（柔性调光）相比高压钠灯回路控制年节电约58%，相比LED回路控制年节电约36%，系统节电效果显著。同时，采用灯具功率统调的方式进行调光，大大提高了隧道内照明均匀度，据测算均匀度相比回路控制提高62.5%。因此，公路隧道采用LED照明智能调光系统，可最大限度挖掘隧道照明节能潜力，减少隧道照明功耗，降低电力运营费用，提高安全效率，从而达到节能减排、低碳环保。

5、结语

提出了一种基于闭环回路串行通信结构的LED隧道灯调光设计方案，灯节点可以通过执行主控制器指令自动生成地址编码，以此可以实现单灯独立调光控制。与其他调光方案相比，该方案可以针对业主要求、隧道具体自然地理条件和隧道设计规格修改调光控制规则，具有更大的灵活性，节能的潜力更大。当系统节点出现故障时，可以及时报警，确保隧道照明的安全性。

参考文献

[1]杨晓光，吕晓峰.隧道LED亮度智能无级控制系统节能分析[J].交通世界，2008，10（10）：104-106.

[2]韩直.LED公路隧道照明灯应用与技术条件研究[J].中国交通信息产业，2007，11（11）：30-31.