论文部分内容阅读
摘 要：隧道照明系统的安全运行是高速公路安全运营的重要保证，为了提高高速公路隧道照明系统的安全性、稳定性及节能性，该文设计了一套基于ZigBee网络的LED隧道照明系统。利用ZigBee无限网络构建可动态调节LED亮度的智能控制系统。在系统的控制方面采用模糊控制算法，依据隧道内亮度及车流量等变量值，动态调整隧道内LED照明灯的亮度。同时开发上位机的监控，对系统工作状态进行实时监控，保证系统安全运行。
关键词：模糊控制 ZigBee 隧道 照明
中图分类号：U453 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（b）-0053-02
近年来，随着高速公路车流量的不断增加，对高速公路交通工程及沿线设施提出了越来越高的要求。在高速公路路段中，隧道是一种特殊路段，特殊的结构决定了照明系统是不可或缺的一部分，照明系统是保障高速公路隧道行车安全的核心部分，因此，研究隧道照明系统对于提高高速安全运行具有重要意义。截止目前高速公路隧道每公里照明率达到87%，然而照明控制系统的管理还是比较落后，自动化程度不高。在国外，隧道照明控制系统的研究比较早，技术也比较成熟，早在20世纪60年代，就已经将自动控制技术应用到了照明系统，原理是根据对隧道内外参数变化实时调节隧道照明强度，并制定了相关的规范。随后研究者又发现使用LED灯具进行照明每年可以节省大量的电费，且可以降低排放，使用LED灯具，不仅展现了隧道照明的安全性和稳定性，同时在节能方面也发挥了突出作用。在我国目前的隧道照明系统中，不能根据环境实时调节控制依旧占主体，该方式虽然控制简单，但随着隧道数量的增加，将会带来巨大的能源浪费。因此，研究一套安全节能的隧道照明系统对于促进隧道照明系统的发展，降低能源的消耗具有重要意义。
1 ZigBee技术及网络构架设计
1.1 ZigBee技术
ZigBee技术是一种无线传感器网络技术，具有低功耗、结构简单及低成本等特点，具有独立的网络结构和通信协议。该设计无线通信的硬件和软件设计都是以ZigBee协议栈为基础，ZigBee协议栈由IEEE802.15.4标准的媒体访问控制层（Medium Access Layer）、物理层（Physical Layer）、网络层（Network Layer）及应用支持层（Application Support）4层构成[3]。
ZigBee网络结构可以分为星型网络、树状网络及网状网络。在星型网络结构中，有一个协调设备和各终端节点设备构成，各终端节点设备都可以协调设备通信，但各个节点之间无法通信。树状网络中比星型网络多了一个路由节点，可以实现更多的终端节点与协调器之间的通信。网状网络与前两种结构不同的是，在网状结构的网络中任何节点之间均可以通信，功能更加强大，网络覆盖面积较前两种更大。根据该设计的功能特点，选用星型网络拓扑结构最为合适。
1.2 隧道照明系统构架设计
该次照明系统主要分为两个模块：（1）终端无线通讯子模块，该模块负责采集LED灯及传感器运行时的实时参数，同时负责终端节点进行无线组网通讯。（2）分段控制箱子模块，该子模块负责与所在分段所有终端无线模块进行数据传输，并收集灯具的传感器采集的参数，同时接受来自后台服务器的控制指令。具体的系统构架如图1所示。
2 基于模糊神经网络的隧道照明控制算法
2.1 模糊控制原理
模糊控制算法是一种非线性的模仿人类思维活动的一种智能控制算法，对被控对象无需建立数学模型，根据人在生产中的经验进行控制，具有良好的鲁棒性和适应性，非常适合具有非线性的复雜系统控制。模糊控制器的模型并不是由简单的数学模型，而是由一些模糊的条件语句构成的语言形式，因为模糊控制就是要模拟人的控制经验，以模糊集合、模糊语言及模糊逻辑为控制算法的数学工具，由计算机来实现的智能控制。
模糊控制系统与一般的数字控制系统相类似，只不过控制器采用模糊控制器。在计算机与模拟环节采用AD、DA模块进行转化实现，通过检测装置实现闭环的反馈控制。系统主要分为模糊控制器、输入输出接口、检测装置、执行机构及被控对象。
2.2 模糊规则库的建立
根据公路照明细则，可得隧道照明的亮度取决于洞外亮度及车速、流量等参数。以隧道照明单向交通为例，将车速分为40、80 、100 、120 km/h，将车流量分为350、650、950、1 200 veh/（h.ln）这4类，将洞外照明分为1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 cd/m2这5类，将各个输入进行模糊子集划分，建立知识库。
2.3 确定输入量与论域
此次设计采用两输入一输出的控制器进行模拟控制，e，ec为输入，△u为输出量，将基本论域区间设定为[-E，E]，[-C，C]，[-U，U]。模糊子集论域为[-n，-n+1，-n+2，…，0，…，n-1，n]，一般的选择误差论域值n1>5，误差变化率论域值n2>5，控制量论域值n3>5，n为的值越大，系统精度越高，计算量越大，系统就越复杂。
将3个空间分割为5个，NB负大，NS负小，ZE零，PS正小，PB正大，则输入量与输出量的模糊子集均为{NB，NS，ZE，PS，PB}。然后用描述方法对隶属度进行描述，选取普通的三角形隶属度函数，则误差值e的隶属函数图如图2所示。
2.4 模糊算法仿真
该次采用的模糊控制算法以车流量、车速、洞外亮度作为输入信号，照明亮度为输出。通过Matlab软件对算法进行模拟仿真，通过不断地调整训练次数和步长，其训练样本拟合图如图3所示。
3 隧道照明系统的系统设计
3.1 基于ZigBee隧道照明系统的硬件设计
由于LED灯具需要直流电供电，因此，需要将220 V的电压经过EMI滤波电路和整流电路转换成直流电，然后通过矫正电路来提高电源功率因数。每一组LED灯具组成一个无限网络，都可以完成控制信号的接受，将指令通过PWM模块实现灯光亮度的调节。
3.2 基于ZigBee隧道照明系统的软件设计
该文设计中，在底层安装传感器将隧道外的照明亮度、车流量以及车速等信息通过RF射频模块转发至整个无线网络的协调器和中控机中，中控机通过计算将光亮度的指令发到信号接收模块，输入到PWM模块，驱动LED的驱动电路，改变LED灯具的亮度，实现实时的调节。
4 结语
该文通过利用ZigBee无线网络完成控制信号的实时传输，在LED灯具的亮度控制上采用模糊控制算法，以隧道外的亮度、车速及车流量为信号输入，以LED灯具亮度为输出，动态的调节隧道照明。该系统对于隧道照系统的发展，具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 许景峰，翁季，胡英奎.基于采光光纤照明系统的隧道照明设计理论研究思路[J].灯与照明，2012（4）：21-24.
[2] 田军.公路隧道照明智能节能系统设计与研究[D].长安大学， 2015.
[3] 王少飞，涂耘，张琦，等.“低碳经济”背景下公路隧道照明节能策略[J].公路，2011（9）：226-233.
关键词：模糊控制 ZigBee 隧道 照明
中图分类号：U453 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（b）-0053-02
近年来，随着高速公路车流量的不断增加，对高速公路交通工程及沿线设施提出了越来越高的要求。在高速公路路段中，隧道是一种特殊路段，特殊的结构决定了照明系统是不可或缺的一部分，照明系统是保障高速公路隧道行车安全的核心部分，因此，研究隧道照明系统对于提高高速安全运行具有重要意义。截止目前高速公路隧道每公里照明率达到87%，然而照明控制系统的管理还是比较落后，自动化程度不高。在国外，隧道照明控制系统的研究比较早，技术也比较成熟，早在20世纪60年代，就已经将自动控制技术应用到了照明系统，原理是根据对隧道内外参数变化实时调节隧道照明强度，并制定了相关的规范。随后研究者又发现使用LED灯具进行照明每年可以节省大量的电费，且可以降低排放，使用LED灯具，不仅展现了隧道照明的安全性和稳定性，同时在节能方面也发挥了突出作用。在我国目前的隧道照明系统中，不能根据环境实时调节控制依旧占主体，该方式虽然控制简单，但随着隧道数量的增加，将会带来巨大的能源浪费。因此，研究一套安全节能的隧道照明系统对于促进隧道照明系统的发展，降低能源的消耗具有重要意义。
1 ZigBee技术及网络构架设计
1.1 ZigBee技术
ZigBee技术是一种无线传感器网络技术，具有低功耗、结构简单及低成本等特点，具有独立的网络结构和通信协议。该设计无线通信的硬件和软件设计都是以ZigBee协议栈为基础，ZigBee协议栈由IEEE802.15.4标准的媒体访问控制层（Medium Access Layer）、物理层（Physical Layer）、网络层（Network Layer）及应用支持层（Application Support）4层构成[3]。
ZigBee网络结构可以分为星型网络、树状网络及网状网络。在星型网络结构中，有一个协调设备和各终端节点设备构成，各终端节点设备都可以协调设备通信，但各个节点之间无法通信。树状网络中比星型网络多了一个路由节点，可以实现更多的终端节点与协调器之间的通信。网状网络与前两种结构不同的是，在网状结构的网络中任何节点之间均可以通信，功能更加强大，网络覆盖面积较前两种更大。根据该设计的功能特点，选用星型网络拓扑结构最为合适。
1.2 隧道照明系统构架设计
该次照明系统主要分为两个模块：（1）终端无线通讯子模块，该模块负责采集LED灯及传感器运行时的实时参数，同时负责终端节点进行无线组网通讯。（2）分段控制箱子模块，该子模块负责与所在分段所有终端无线模块进行数据传输，并收集灯具的传感器采集的参数，同时接受来自后台服务器的控制指令。具体的系统构架如图1所示。
2 基于模糊神经网络的隧道照明控制算法
2.1 模糊控制原理
模糊控制算法是一种非线性的模仿人类思维活动的一种智能控制算法，对被控对象无需建立数学模型，根据人在生产中的经验进行控制，具有良好的鲁棒性和适应性，非常适合具有非线性的复雜系统控制。模糊控制器的模型并不是由简单的数学模型，而是由一些模糊的条件语句构成的语言形式，因为模糊控制就是要模拟人的控制经验，以模糊集合、模糊语言及模糊逻辑为控制算法的数学工具，由计算机来实现的智能控制。
模糊控制系统与一般的数字控制系统相类似，只不过控制器采用模糊控制器。在计算机与模拟环节采用AD、DA模块进行转化实现，通过检测装置实现闭环的反馈控制。系统主要分为模糊控制器、输入输出接口、检测装置、执行机构及被控对象。
2.2 模糊规则库的建立
根据公路照明细则，可得隧道照明的亮度取决于洞外亮度及车速、流量等参数。以隧道照明单向交通为例，将车速分为40、80 、100 、120 km/h，将车流量分为350、650、950、1 200 veh/（h.ln）这4类，将洞外照明分为1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 cd/m2这5类，将各个输入进行模糊子集划分，建立知识库。
2.3 确定输入量与论域
此次设计采用两输入一输出的控制器进行模拟控制，e，ec为输入，△u为输出量，将基本论域区间设定为[-E，E]，[-C，C]，[-U，U]。模糊子集论域为[-n，-n+1，-n+2，…，0，…，n-1，n]，一般的选择误差论域值n1>5，误差变化率论域值n2>5，控制量论域值n3>5，n为的值越大，系统精度越高，计算量越大，系统就越复杂。
将3个空间分割为5个，NB负大，NS负小，ZE零，PS正小，PB正大，则输入量与输出量的模糊子集均为{NB，NS，ZE，PS，PB}。然后用描述方法对隶属度进行描述，选取普通的三角形隶属度函数，则误差值e的隶属函数图如图2所示。
2.4 模糊算法仿真
该次采用的模糊控制算法以车流量、车速、洞外亮度作为输入信号，照明亮度为输出。通过Matlab软件对算法进行模拟仿真，通过不断地调整训练次数和步长，其训练样本拟合图如图3所示。
3 隧道照明系统的系统设计
3.1 基于ZigBee隧道照明系统的硬件设计
由于LED灯具需要直流电供电，因此，需要将220 V的电压经过EMI滤波电路和整流电路转换成直流电，然后通过矫正电路来提高电源功率因数。每一组LED灯具组成一个无限网络，都可以完成控制信号的接受，将指令通过PWM模块实现灯光亮度的调节。
3.2 基于ZigBee隧道照明系统的软件设计
该文设计中，在底层安装传感器将隧道外的照明亮度、车流量以及车速等信息通过RF射频模块转发至整个无线网络的协调器和中控机中，中控机通过计算将光亮度的指令发到信号接收模块，输入到PWM模块，驱动LED的驱动电路，改变LED灯具的亮度，实现实时的调节。
4 结语
该文通过利用ZigBee无线网络完成控制信号的实时传输，在LED灯具的亮度控制上采用模糊控制算法，以隧道外的亮度、车速及车流量为信号输入，以LED灯具亮度为输出，动态的调节隧道照明。该系统对于隧道照系统的发展，具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1] 许景峰，翁季，胡英奎.基于采光光纤照明系统的隧道照明设计理论研究思路[J].灯与照明，2012（4）：21-24.
[2] 田军.公路隧道照明智能节能系统设计与研究[D].长安大学， 2015.
[3] 王少飞，涂耘，张琦，等.“低碳经济”背景下公路隧道照明节能策略[J].公路，2011（9）：226-233.