基于ZigBee的隧道照明智能控制系统研究与实现

(1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082； 2.湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙 410082；3.湖南沛科交通工程技术股份有限公司，湖南 长沙 400116)

随着国民经济的迅速发展，公路建设规模日益扩大，我国已成为世界上公路发展最快、隧道数量最多的国家。在隧道机电系统中，照明负荷约占总用电量的30%，隧道照明在交通能耗方面占了很大比例，但有很大的节能改造空间[1-3]。现阶段的隧道照明控制系统一般都采用有线调光控制或分回路控制方式，有线调光建设成本高、布线复杂、现场施工工艺烦琐，增加了施工的危险性[4-6]；采用回路通断和分组分级调光不能实现隧道亮度平滑控制，难以满足隧道安全行车的要求，且造成较大的电能浪费[7-9]；此外，系统缺乏灯具故障检测与主动报警机制，需人工巡查才能确定灯具故障和灯具位置，隧道照明维护效率低[10-11]。

近年来，随着物联网技术的发展，已经有一些具备短距离、小数据流量和低功耗特征的无线终端控制器应用于公路照明领域[12]。但现有的无线终端控制器功能简单，没有灯具故障自动检测与定位功能，不适用于隧道照明。为了解决上述隧道照明控制的关键问题，本文利用ZigBee无线自组网优势，设计了一种基于ZigBee无线技术的隧道照明智能控制系统。在湖南5条隧道的实际运行效果表明，该系统能够实现无线智能调光和灯具故障自动检测与主动报警功能，具有施工简单、节约能源等优点，且极大地提高了隧道照明的维护效率，与传统隧道照明相比节能率达到55%。

1 系统总体方案设计

1.1 无线网络拓扑设计

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率和低成本的双向无线通信技术[12]。本文采用128 KB闪存、8 KB SRAM、兼容8051内核的CC2530芯片进行ZigBee无线网络节点的硬件开发，采用TI公司的ZigBee协议栈进行无线网络节点的软件开发，ZigBee无线网络协议层如图1所示，用户只需在应用层定义所需要的功能，开发方便。

图1 ZigBee无线网络协议层

ZigBee具有星状、树状和网状3种网络拓扑结构[13]。综合考虑隧道长度、环境、隧道照明灯具布置等因素，本设计方案的ZigBee无线网络采用树状网络结构(如图2所示)，由协调器、路由器和终端控制器3种类型节点构成。实际使用中，协调器安装于隧道中间，一个树状支路控制一段隧道照明灯具。

1.2 隧道照明智能控制系统结构与功能

基于图2所示的ZigBee无线树状网络拓扑结构，设计的隧道照明智能控制系统结构如图3所示，由系统主控制器、协调器、路由器、终端控制器和LED灯具组成，图中n表示无线树状网络大小。系统主控制器采用工业控制计算机或者PLC控制器，通过RS485总线与多台无线协调器连接，构成隧道管理所级别的ZigBee无线隧道照明智能控制系统。

图2 ZigBee树状网络拓扑结构

图3 基于ZigBee无线技术的隧道照明智能控制系统结构图

该系统各个部分的功能如下。

① 主控制器运行调光控制算法，产生隧道灯具控制与调光命令，并通过无线协调器将命令发送到各个无线节点；收集各灯具运行状态与故障信息；同时，主控制器与隧道配电系统通信，采集配电参数，完成相应功能；还可以通过互联网与其他网络连接，组成高级监管平台与系统，实现隧道远程监管。

② 协调器具备三大功能：通过RS485总线接收上位机发来的命令或者返回灯具故障状态信息和节点故障状态信息；创建ZigBee无线网络，在网络内自动修改路由器、终端控制器ID号等组网参数；与所在网络中的每个无线节点进行无线通信，发布单灯或者群灯的调光命令、电源控制命令、灯具故障检测命令，获取灯具运行状态和故障信息。

③ 由路由器组成网络的无线分支，转发信息，延长网络的传播距离，同时，路由器还与LED灯具相连接，具备终端控制器的所有功能，因此，在硬件设计上路由器与终端控制器完全一样。终端控制器通过ZigBee无线通信方式与协调器进行通信，解析并处理协调器发来的控制命令，根据命令解析结果，相应地完成对所连LED灯具的调光控制、电源开关控制，或者返回灯具故障状态值与故障定位数据。路由器在终端控制器功能基础上，还具有转发命令信息和允许其他节点通过它接入到网络的功能。

1.3 模糊调光控制算法设计

系统模糊控制算法模型如图4所示，主控制器通过协调器收集相应隧道环境信息，如隧道洞内外亮度、车流量和车速等参数，将其转换成数字量作为模糊控制器的输入信号，通过模糊控制器进行模糊判断分析和去模糊化，生成调光控制策略；调光策略信息经串口通信发给协调器，由协调器无线转发给与LED照明灯具直接相连的无线节点，从而驱动 LED 驱动电源产生相应的线性0～10 V调光信号，或者适时地关闭部分加强照明灯具，实现LED照明灯具实时准确的亮度变化。

图4 系统模糊控制算法模型

2 协调器和无线节点的硬件与软件设计

2.1 硬件设计

本系统设计的硬件主要有基于兼容8051内核的CC2530芯片开发的协调器和无线节点。协调器硬件组成框图如图5所示，主要由220 V转12 V电源模块、12 V转5 V电源模块、12 V转3.3 V电源模块、485串口通信模块和CC230无线模块组成。

图5 ZigBee无线协调器硬件组成框图

无线节点模块框图如图6所示，主要由220 V转12 V电源模块、12 V转3.3 V电源模块、继电器模块、电流采集模块、模拟量调光模块和CC230芯片组成。

无线节点与LED灯具及其驱动电源直接相连，采用模拟量调光模块将幅值为3.3 V、占空比可调的PWM信号转换成0～10 V的灯具线性调光控制信号；通过继电器模块控制灯具电源的开关；使用电流采集模块采集流过灯具的电流，实现灯具故障的实时检测。

图6 ZigBee无线节点模块框图

2.2 软件设计

系统需要开发无线协调器、路由器和终端控制器3类节点的程序，均使用Z-STACK协议栈提供的函数进行开发。每类节点的程序首先都进行系统初始化，即初始化硬件抽象层、网络层、任务、变量与数组等[14]，使用函数osal init_system()实现操作系统初始化，内部包含初始化任务ID函数osalInitTasks()；然后执行函数osal_start_system()启动操作系统，使系统进入循环，不断对任务进行遍历执行。组网时，由协调器建立唯一的ZigBee无线网络，只有与之PAN ID一致的无线节点才能加入网络。3种类型节点都是调用static void GenericApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt)函数对收到的无线信息进行处理，调用afStatus_t AF_DataRequest()函数进行无线数据发送。

2.2.1 协调器的软件开发设计

协调器具备ZigBee自组网、发布智能调光命令、实时监测灯具故障状态和无线单灯控制器故障状态等功能，其软件主程序流程如图7所示。协调器初始上电后，首先执行系统初始化，然后通过主动扫描信道，向网络层发送一个信标请求命令(Beaconrequest command)，并且设置一个扫描期限(T_scan_duraTIon)，如果在扫描期限内没有检测到信标，即当前网络内没有其他协调器存在，则建立自己的ZigBee网络，一个网络内只允许一个协调器存在[15]。完成组网后，协调器中断开启。

无线数据接收中断由节点发起，用于向协调器返回节点的相关状态信息。串口数据接收中断由主控制器发起，在该中断服务子程序中，协调器使用串口回调函数static void GenericApp_CallBack(uint8 port,uint8 event)解析并处理数据。协调器与主控制器之间通过RS485串行通信接口连接，采用标准的Modbus RTU通信协议进行数据交换，使用3种功能码实现通信功能：

① 0x06功能码实现灯具组调光和单灯调光控制。主控制器发送命令、协调器响应命令的协议格式一样，如表1所示。

图7 协调器主程序流程图

位码含义作用XX协调器从设备ID从设备ID为XX的协调器接收、响应命令06功能码调光命令AA AA调光组号AA AA 为1002基本灯组调光,AA AA 为1003加强灯组调光,其他则单灯调光MM MM调光值取值范围0～100,对应0～10 V调光CRCL/CRCHCRC校验通信校验,提高通信可靠性

② 0x03功能码读取灯具故障状态和无线节点的故障状态。主控制器发送读取故障状态命令格式如表2所示，协调器响应命令的协议格式如表3所示。

表2 主控制器发送读取故障状态命令的协议格式

表3 协调器响应读取故障状态命令的协议格式

③ 0x0F功能码实现单个灯具电源开关控制。主控制器发送单灯电源开关命令格式如表4所示，协调器响应命令的协议格式如表5所示。

表4 主控制器发送灯具电源开关控制命令的协议格式

表5 协调器响应灯具电源开关控制命令的协议格式

2.2.2 无线节点的软件开发设计

路由器和终端控制器的主程序流程基本一致，如图8所示，设计上的不同之处在于路由器除了具备对灯具进行智能调光和电源开关控制、定时检测灯具故障状态的功能外，还具有扩展无线网络、转发无线消息至终端节点的功能。路由节点上电后，先执行系统初始化，然后扫描信道内是否有与之PAN ID一致的协调器或路由器存在，有则请求入网。入网成功后，协调器给路由节点分配网络短地址[14]。当路由节点收到终端发来的入网请求时，先确认终端节点的合法入网信息，再与之建立网络连接。路由器采用中断方式接收协调器发来的无线数据并进行解析，根据不同的功能需求做出不同的响应，如对所连接的灯具进行调光或者电源开关控制、定时检测灯具的故障状态信息、将故障及定位信息反馈给协调器；如果是转发无线数据给相应的终端节点，路由器则从网络帧的转发列表中查找下一跳节点的地址并将无线信息转发出去。

终端节点上电后，扫描信道内是否有与之PAN ID一致的协调器或者路由器存在，有则请求入网，入网成功后，终端节点获得一个网络短地址[15]。终端控制器采用中断方式接收协调器发来的无线数据并进行解析，根据不同的功能需求做出不同的响应，对所连接的灯具进行调光或者电源开关控制，并定时检测灯具的故障状态信息，将信息实时反馈给协调器。

3 系统应用实例

系统设计以湖南省益娄高速某隧道左洞为应用背景，隧道全长397 m，双车道单向通行。隧道内实际照明布置场景如图9所示，系统由主控制器、协调器、若干个路由器、终端控制器和LED灯具组成；主控制器安装在隧道电控室，每盏灯配备一个ZigBee无线节点。

图8 无线节点的主程序流程图

实际应用时，隧道被控灯具分为加强灯组和基本灯组。系统在隧道内的实际运行效果如图10所示，实现了加强灯组的单灯电源开关控制(间隔亮灯)和智能调光，从而创造合理的隧道视觉环境，确保车辆行驶安全，并达到节能的目的。

图10 隧道智能调光模式运行效果

隧道从2018年1月20日开始进行改造，已于2018年3月底完成改造，并实现了所有照明回路的能耗监测。采用智能调光控制模式和传统照明模式下的照明能耗数据如表6所示，智能调光模式下的数据采集条件为：主控制器运行模糊调光控制算法，灯具通过无线通信实现调光、单灯电源开关控制，采用LED照明灯具，采集2018年4月7～16日的数据；传统照明模式下的数据采集条件为：主控制器仅以洞外亮度为控制参数进行分级回路控制，灯具通过有线连接方式调光，采用LED照明灯具，采集2018年1月1～10日的数据。

表6 隧道照明能耗数据采集表 单位：度

由表6数据可得出隧道智能调光较传统调光模式的照明能耗对比值为

(127.09-57.17)/127.09=55.02%

(1)

即系统能够实现隧道照明的优化与节能，节能率可达到55.02%。

4 结束语

基于ZigBee无线技术研究设计了隧道照明智能控制系统，根据隧道特点及其实际的功能需求，设计开发了协调器、路由器和终端控制器，实现了对隧道内照明灯具的电源开关控制、平滑调节亮度和故障检测，并利用单灯控制功能对不同类型的隧道灯具进行回路分组开关控制，从而简化了隧道照明的供配电系统。无线调光与有线调光相比，不需要布设调光电缆，降低了公路隧道照明系统的建设成本，缩短照明系统的施工周期。此外，基于ZigBee无线网络技术的灯具故障检测功能取代人工排查故障，能够提高隧道照明及灯具的故障维护效率，降低隧道安全运营风险。系统在多条隧道中的实际运行效果验证了系统的有效性和可靠性。该系统能够显著降低隧道照明能耗，确保隧道行车安全，具有实际工程应用价值。