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作者：桂林电子科技大学信息科技学院 李盛龙、陈志华、黎佳
指导教师：刘涛

　　作品简介

　　§1 开发背景
　　随着现代经济的快速增长，使各国公路和隧道建设也大大增加。而且在城市化进程不断加快的过程中，越来越多的城市隧道也进入规划建设。公路隧道作为公路的一个特殊路段，其管状结构决定了洞内外亮度相差悬殊，降低了道路的通行能力，威胁到车辆的行车安全。为了提高这一瓶颈路段的通行能力，确保行车安全，需要科学设置灯光照明系统。
　　隧道照明与普通道路照明不同，最大体现在白天也要照明，白天的照明强度比夜间的反而更强，加上隧道照明不同于一般的道路照明，有其明显的特殊性，白天照明比夜间照明更加复杂，包含人对明暗的适应能力、明暗过渡的空间与照明等。
　　如汽车驾驶员在白天从明亮的环境接近、进入和通过隧道的过程中，将发生种种特殊的视觉问题：进入隧道前，由于隧道内外亮度差别极大，从隧道外部去看照明很不充分的隧道，入口处会看到一个“黑洞”;汽车由明亮的外部进入隧道后，由于亮度的急剧变化，会出现视觉“适应的滞后现象”;在隧道出口处，出现极强的眩光，产生一个很亮的洞口，降低驾驶员的可见度。因此，隧道照明必须解决好驾驶员进入隧道的视觉适应问题。
　　目前传统隧道照明，通常把隧道分为入口段、过渡段、中间段和出口段等四个段来设计照明。各段的长度和照度是从全年行车安全要求出发，对洞内最大照度的设计是以全年洞外最大亮度和最高行车时速来确定隧道内各段的灯具功率和灯具分布密度，控制方式过于简单，无法根据室外环境照度、交通流量、隧道内车辆行驶速度等参数实现照明的自适应控制，照明效果不佳，电能浪费严重。
　　本作品在传统照明的基础上加入智能控制环节，将模糊控制技术应用到隧道照明系统的设计中，使整个隧道照明能自动适应车速、车流量和洞外环境气象等影响因素的变化，减少不需要的照明浪费，以期最大限度地实现隧道照明的节能及智能。

　　§2 结构说明
　　本作品是基于STC15F2K61S2芯片为控制核心的系统，系统共包含一个主机及八个分机，其使用nRF24L01的2.4G无线控制系统，即主机分别独立控制各个分机，每个分机分别独立。主机(安装在隧道外部)通过对日光的采集，分别控制隧道内的各个分机的灯光对应不同的日光强度以实现灯光的渐变。

　　§3 功能及使用说明
　　通过光的渐变消除通过隧道的车辆驾驶员对灯光的适应，避免因视觉不清造成交通事故。
　　使用GSM来实现对各个隧道灯控系统的监控，返回系统主机(主机的电源，接收等是否正常)、分机(各个灯是否受控正常)的使用状况。　　

　　设计说明

　　§1 系统整体设计
　　隧道灯控系统是一个基于STC15F2K61S2芯片为控制核心的系统，系统共包含一个主机及八个分机，其使用nRF24L01的2.4G无线控制系统，即主机分别独立控制各个分机，每个分机分别独立(即一对多的无线控制)有效地解决的隧道布线繁杂性。系统工作原理框图如图1.1所示，由图可知，该系统由采集模块和控制模块两大部分组成，而控制模块又有自动控制模块及手动控制模块。
　　隧道照明控制通过上位机和本地控制器共同控制实现。上位机的照明控制有手动和自动两种控制模式，手动控制的优先权大于自动控制的优先权。手动方式是由操作人员自行指定上位机的输出结果;自动方式是上位机根据接收到的传感器信息，包括隧道口亮度、隧道内亮度、隧道口车速、隧道口车流量，通过照明控制程序计算输出各个照明回路的逻辑控制数据, 并通过GSM传到隧道各段本地控制器中。控制器根据上位机的控制数据开启或者关闭相应的子回路，从而控制照明回路的照明。
　　主机(安装在隧道外部)通过对日光的采集，分别控制隧道内的各个分机的灯光对应不同的日光强度以实现灯光的渐变，各分机分别返回各自的灯亮情况(是否正常灯亮)给主机。主机通过GSM把数据发送值班总台，实现无需专门人员去检查隧道的灯亮情况，只需在总台便可以得知各个隧道的灯控系统运行情况。　　

　　本地控制器主要完成以下功能：① 收集本段区域内检测设备检测的信息，包括光强传感器和车辆测速传感器等;② 对收集的信息进行预处理并存储在本地的存储单元内;③ 将本地控制内处理好的信息数据上传给监控计算机;④ 接收监控计算机各种控制命令，并将控制命令和设备运行状态比较后，对功率控制模块发出相应的控制命令。
　　在下面的章节中将逐一讲解其硬件的设计与电路实现。

　　§1.1 主控制电路设计
　　主控制采用STC15F2K61S2芯片为控制核心及其外围电路组成，该单片机片内大容量2048字节SRAM，强抗干扰，超低功耗。主要完成环境亮度及车速采集，接收及控制各分机工作情况等功能。主控制器原理框图如图1.2所示。　　

　　§1.2 主机模块电路设计
　　主机模块共包含三个模块，分别是电源管理模块、数字光强度检测模块和无线控制模块。研制的智能节能隧道灯控产品，相对于传统的隧道照明，无论是哪个模块的设计，都应当选择功耗低的器件完成。电源稳压模块采用MAX778L芯片，低电压输入，3V/3.3V/5V /可调输出，升压型DC-DC转换器。太阳能充电模块采用CN3083芯片，其可以用太阳能板供电的单节锂电池充电管理。光强度检测模块采用BH1750FVI芯片，不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定。无线控制模块采用Nordic公司所推出的2.4-2.45GHz的nRF24L01单片射频收发芯片。

　　§1.2.1 电源管理模块电路设计
　　电源管理设计包括低功耗线性稳压器和锂电池的充电管理设计。作为隧道灯控设备，要充分考虑整个系统的低功耗设计，尽可能选用低功耗器件，为了尽量减少系统的功耗，主机供电电源采用3.7v可充电锂电池，输出电压经过MAX778L电源芯片后线性稳压成3.3V直流电压，满足了单片机、GSM、BH1750FVI、nRF24L01的供电电源。电源稳压电路如图1.3所示。　　

　　太阳能充电管理设计，采用CN3083芯片，其可以用太阳能板供电的单节锂电池充电管理。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。内部的8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能板等电流输出能力有限的电压源供电的锂电池充电应用。CN3083只需要极少的外围元器件，非常适合于智能节能应用的领域。充电管理电路如图1.4所示。　　

　　§1.2.2 数字光强度检测模块电路设计
　　传统光敏电阻的光电特性呈非线性，因此不适宜作检测元件，在自动控制中它常被用作丌关式光电传感器。光敏电阻需要用A/D转换器将其信号转换为数字信号，电路复杂，费用高。而且，光敏电阻进行光强度采集不够理想。针对光敏电阻的诸多缺点，提出了一种利用16位高精度数字光强度传感器BH1750FVI进行光强度检测仪的设计方案，利用I2C总线接口数字型光强度传感器，可以避免A/D转换系统带来的误差，可在NOKIA5110液晶显示器上进行测量数值的显示。该系统具有光强度采集精度较高、实时性较强等优点，并且电路设汁较为简单，容易实现与集成。数字光强度检测模块如图1.5所示。　　

　　§1.2.3 无线控制模块电路设计
　　本系统为了实现隧道不同灯光的控制，选用了2.4-2.45GHz的ISM频段，该通信频段为个人无线通信频段，使用不受限制。目前市面上已经有2.4-2.5GHz的ISM频段的单片射频收发芯片，极大的简化了设计流程。该部分的设计采用Nordic公司所推出的nRF2401来实现射频信号收发，它是一款功能强大的单片射频收发芯片，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
　　主机内部的无线收发设计从三个方面考虑：一是射频芯片与控制器的接口电路;二是PCB设计过程中由于频率比较高，要充分考虑电磁兼容的问题;三是2.4GHz的天线设计。nRF24L01芯片与单片机的接口电路框图如图1.6所示，图中单片机(STC15F2K61S2)作为主机通过SPI接口与nRF24L01芯片相连接，由于单片机(STC15F2K61S2)内部不带SPI接口，可通过普通IO口模拟SPI接口方式对nRF2401芯片进行时序的控制，从而写入相应寄存器的设置值及数据的传输。　　

　　§1.3 分机模块电路设计
　　STC11F04E单片机用于控制nRF2401射频芯片，其中包括对该芯片的工作模式、中心频率和发射功率等进行设置。根据nRF2401射频芯片特点可知，STC11F04E单片机的IO口与nRF2401芯片连接管脚进行连接，包括CE、CS、DR1、PWR_UP、CLK1、DATA六个管脚，STC11F04E单片机和nRF24L01芯片都采用3.3V供电，所以数据通信接口方面无需电平转换。通过控制器程序可以很好的将nRF2401芯片的收发模式、配置模式、空闲模式和关断模式运用到系统中来。分机模块原理框图如图1.7所示。　　

　　§2 系统控制流程
　　系统主程序流程如图2所示。首先系统上电初始化各个模块，启动各处传感器模块，采集车辆及洞内外亮度信息，并将信息通过nRF24L01传输到监控计算机，判断系统是否处于本地控制器手动控制状态，如果是在手动控制状态(系统出现故障或检修维护)，则程序结束，由手动控制面板实现照明回路的控制;否则下一步检测隧道状态是否正常，不正常，则报警，并且调用特殊状态程序;正常则下一步检测总线通信是否正常，正常则调用远程监控计算机控制程序，否则调用本地控制器基本控制程序，然后输出回路控制命令。利用触摸屏显示隧道状态信息，同时将本地隧道状态信息发送给监控计算机。　　

　　§3 系统稳定性设计
　　§3.1 硬件抗干扰措施
　　(1)接地技术
　　将电源的地线分成数字地和模拟地：数字地主要是主控制器电路。模拟地主要是电源的智能管理电路。数字地和模拟地可以通过一个电感连接在一起，可以极大的避免数字信号与模拟信号的相互干扰。
　　(2)电源线布置
　　对于高频电路的电源走线要求尽可能短，由于本系统的电流并不是很大，对导线宽度要求不是很严格，实际中电源走线采用20mil的线宽。在每个单元电路模块的电源附近接上10uF和0.1uF的电容，有效的抑制该模块电路对其它模块的干扰。

　　§3.2 软件抗干扰措施
　　除了采用硬件措施抗干扰外，在软件处理方面也要充分考虑系统稳定性设计，防止在系统运行的过程中出现死机或程序执行不正确。采取了以下措施：(1) 程序设计的过程中设有对硬件运行状态的监控，可供查询;(2) 将主控制器的表格及常用数据同时固化到ROM和自带的E2PROM中，防止重要数据的丢失;(3) 本系统选用的是STC15F2K61S2，该系列单片机内置看门狗，将该技术引入到系统中来，定时器每隔一定时间进行喂狗，防止程序跑飞或死机。

　　作品特色

　　隧道照明在交通照明中占据了很大比重，在全球都为节能减排而讨论对策的背景下，研究隧道照明节能系统有着非常重要的意义。
　　本作品设计在参考《公路隧道通风照明设计规范》的基础上改进传统的道路隧道照明，得出适合驾驶员视觉要求的隧道照明节能控制，充分利用太阳能节能，利用计算机和智能控制器(STC15F2K61S2芯片)展开隧道照明的自适应节能控制，可操作性强。隧道灯光亮度根据隧道内外情况采集反馈，安装在隧道内的照度仪会根据情况自动切换。主机能通过GSM把数据发送值班总台，实现无需专门人员去检查隧道的灯亮情况，只需在总台便可以得知各个隧道的灯控系统运行情况,更为智能化和人性化。
　　在满足规范要求照明效果的同时，还实现了灯具的调光，灯具的自动故障检测以及灯具的自动光衰检测三大功能，这三大功能的实现，充分的发挥了隧道灯控的技术特点，进一步提高了隧道灯控的节能效果，同时也大大的降低了隧道的维护成本，为今后的特长隧道照明的智能化应用提供了新的发展思路。
　　实验测试结果表明，该作品涉及具有安装布网便捷，维护方便、实用性强、可靠性高等特点。隧道灯控系统具有一定的独特性，可广泛的运用于隧道照明及车库照明中，具有很好的创新性和实用性，有很好市场前景。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2469