摘 要: 針對公路隧道照明的安全性、舒適性及節(jié)能性的要求,設計了一種無線隧道照明節(jié)能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以監(jiān)控計算機作為控制核心,以S7-200作為本地控制器,利用基于Zigbee技術(shù)的CC2430模塊搭建無線傳感器和LED燈具無線控制網(wǎng)絡。系統(tǒng)通過無線傳感器模塊采集車流量、車速以及洞內(nèi)外亮度信息,作為系統(tǒng)輸入控制參數(shù),經(jīng)過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制決策,輸出照明回路的控制命令,經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡傳輸至LED燈具模塊,通過燈具功率模塊實現(xiàn)隧道各段照明亮度實時調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵詞: 隧道照明; 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡; PLC; ZigBee
我國的高速公路建設事業(yè)在不斷發(fā)展,高速公路隧道亦日趨增加。車速的提高、交通流量的增大和車流密度的增加,給高速公路隧道的行車安全造成很大的威脅。尤其在進入高速公路隧道時,發(fā)生視野內(nèi)光線的明暗急劇變化,人的視力驟然下降,使行車通過隧道時,存在著極大的危險性。因此,隧道照明對隧道行車安全極其重要。如果僅依靠加強隧道照明,提高隧道內(nèi)的亮度,會增加運營費用。因此,在安全行車的前提下,如何提高隧道的運營效率,降低能源消耗,成為隧道照明技術(shù)研究迫切需要解決的問題?;谒淼勒彰靼踩凸?jié)能的要求,本文研究設計了一種無線隧道照明嵌入式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以監(jiān)控計算機為控制核心,建立基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡和無線控制LED燈具模塊,將具有學習能力的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型應用在隧道照明控制系統(tǒng)中,根據(jù)洞外亮度、車速、車流量等參數(shù)的改變自動修改控制方案,實現(xiàn)實時隧道照明節(jié)能自動控制。
1 系統(tǒng)硬件設計
整個隧道照明無線控制系統(tǒng)由如下部分組成:監(jiān)測控制計算機、主機Zigbee收發(fā)模塊、Zigbee無線節(jié)點網(wǎng)絡、無線傳感器模塊、可編程控制器PLCS7-200、無線控制LED燈具模塊。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)工作流程如下:首先車輛傳感器采集車速和車流量信息,同時光強傳感器采集洞內(nèi)外亮度信息,經(jīng)過信號調(diào)理由Zigbee無線模塊CC2430處理后發(fā)送出去,通過通信節(jié)點網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)測控制計算機。監(jiān)測控制計算機通過無線模塊CC2430接收車速、車流量以及洞內(nèi)外亮度數(shù)據(jù)信息,作為系統(tǒng)控制輸入?yún)?shù),然后通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法進行控制運算得出各照明回路控制數(shù)據(jù),將控制數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)直接傳送給PLC,或經(jīng)Zigbee無線傳輸?shù)姆绞较葌魉偷紺C240模塊,然后通過RS-485總線將數(shù)據(jù)傳輸給本地控制PLC,PLC再控制功率控制模塊實現(xiàn)對照明回路的無極調(diào)光或開關(guān)控制。 1.1 PLC控制器S7-200 1.3 無線傳感器節(jié)點模塊 2 系統(tǒng)軟件設計 2.2 隧道照明控制方法
系統(tǒng)PLC模塊選用西門子公司S7-200系列CPU224CN(AC/DC/RELAY),并擴展了CP243-1模塊(工業(yè)以太網(wǎng)模塊)、EM222CNRELAY模塊(繼電器輸出模塊)。主要完成以下功能[1]:(1)收集本段區(qū)域內(nèi)檢測設備檢測的信息,包括光強傳感器和車輛傳感器等;(2)對收集的信息進行預處理并存儲在本地的存儲單元內(nèi);(3)將本地控制器處理好的信息數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控計算機; (4)接收監(jiān)控計算機各種控制命令,并將控制命令和設備運行狀態(tài)比較后,向功率控制模塊發(fā)出相應的控制命令;(5)本地控制器設有手動控制模塊,手動操作界面采用觸摸屏SIMATIC TP 170A,當通信中斷且無線傳感器網(wǎng)絡故障或系統(tǒng)故障或維護時,可采用手動控制,且手動控制優(yōu)先;(6)存儲基本控制程序以及特殊程序。當與監(jiān)控計算機通信中斷時,可啟用本地控制器的基本控制程序進行自動控制。特殊程序包括交通事故處理程序、火災處理程序等。本地控制PLC,一方面通過工業(yè)以太網(wǎng)形成環(huán)網(wǎng),與其他本地控制器及監(jiān)控計算機進行通信;另一方面通過無線模塊CC2430接收檢測設備信息,同時可通過CC2430與其他本地控制器進行通信。
1.2 Zigbee無線模塊CC2430
Zigbee無線連接技術(shù),具有低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離傳輸、高安全可靠性、高網(wǎng)絡容量等特點。系統(tǒng)采用基于Zigbee技術(shù)的CC2430無線模塊,實現(xiàn)系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸和控制。CC2430是Chipcon公司提供的全球首款具有支持Zigbee協(xié)議的SoC 解決方案[2]的芯片:在單個芯片上整合了Zigbee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器,具有21個可編程I/O引腳,通過軟件設定一組SFR寄存器的位和字,可使這些引腳作為通常的I/O口,也可作為連接ADC、計時器或USART部件的外圍設備I/O口使用。將CC2430的I/O設置成USART,通過MAX3485電平轉(zhuǎn)換芯片后,以RS-485總線形式與S7-200進行通信,其具體接口如圖2所示。
系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)(車速、車流量、洞外亮度)都是通過無線傳感器節(jié)點模塊進行采集,然后發(fā)送至DSP控制器。無線傳感器節(jié)點模塊主要由車輛探測器、信號調(diào)理整形電路、光強傳感器、Zigbee無線模塊CC2430組成,如圖3所示。
系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定、性價比高、工程應用方便的感應線圈式檢測器來檢測車速和車流量信息。無線傳感器模塊由環(huán)形線圈、耦合振蕩電路和信號調(diào)理整形電路組成[3]。通過檢測由環(huán)形線圈構(gòu)成的耦合電路的振蕩頻率來判斷車輛信息。耦合振蕩電路采用如圖3所示的電容反饋三點式振蕩電路。圖中,2個反接的穩(wěn)壓管HZ4C2抑制正弦振蕩信號輸出在-5 V~+5 V范圍內(nèi),耦合變壓器原副邊匝數(shù)比為1∶1,二極管P6KE12CA 用于消除由靜電等原因引起的瞬間電壓影響。正弦振蕩信號經(jīng)過比較器MC34072AP整形成脈沖方波信號,然后輸入到CC2430模塊的微處理器的計數(shù)單元。
隧道洞內(nèi)外環(huán)境亮度傳感器采用TAOS公司的TSL2561[4],是一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。芯片內(nèi)部集成了積分式A/D轉(zhuǎn)換器,采用數(shù)字信號輸出,因此抗干擾能力比同類芯片強。該芯片可用于各類顯示屏的監(jiān)控,各種環(huán)境照明控制等。TLS2561具有標準的I2C總線接口,微控制器可通過I2C訪問內(nèi)部寄存器,對其操作控制。TSL2561與CC2430硬件接口電路如圖3所示。
無線傳感器節(jié)點模塊中仍采用基于Zigbee技術(shù)的無線模塊CC2430作為數(shù)據(jù)無線射頻收發(fā)器,其外圍電路如圖2所示,與車輛傳感器及光強傳感器TSL2561的接口如圖3所示。
1.4 無線控制LED燈具模塊
無線控制LED與傳統(tǒng)的高壓鈉燈、熒光燈不同,其亮度控制簡單有效,可以在燈亮度的0~100%之間進行快速調(diào)節(jié),而不會影響LED燈壽命。根據(jù)隧道照明的需求,改變LED亮度,具有巨大的節(jié)能潛力。但目前已采用LED的隧道中,對LED燈的布置和控制方式仍是按傳統(tǒng)的高壓鈉燈方式進行,不能將LED燈的亮度調(diào)節(jié)和功耗調(diào)節(jié)簡單的優(yōu)勢發(fā)揮出來。而本系統(tǒng)將LED電源模塊和Zigbee無線通信模塊相結(jié)合控制LED燈具亮度,其燈具模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。LED點陣燈具電源模塊將交流輸入經(jīng)橋式整流電路整流成直流,在經(jīng)電流型或電壓型DC-DC模塊后,提供穩(wěn)定、合適的LED輸入電壓或電流;將燈具模塊增加CC2430無線通信模塊,可以將所有的LED燈具組成一個無線控制網(wǎng)絡,每個LED燈都是網(wǎng)絡中的一個節(jié)點,都有唯一的網(wǎng)絡ID。一方面燈具模塊可以通過CC2430無線模塊接收調(diào)光控制命令,結(jié)合DC-DC模塊,調(diào)節(jié)電壓或電流輸出,從而實現(xiàn)對LED燈具的調(diào)光控制;另一方面可以將燈具的狀態(tài)信息,如功耗、工作情況、執(zhí)行指令情況發(fā)送到通信網(wǎng)絡上,上傳至監(jiān)控計算機。
2.1 系統(tǒng)主程序流程
系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。首先系統(tǒng)上電初始化各個模塊,啟動各處無線傳感器模塊,采集車輛及洞內(nèi)外亮度信息,并將信息通過無線通信節(jié)點或傳輸給本地控制器由工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送出去,判斷系統(tǒng)是否處于本地控制器手動控制狀態(tài),如果是在手動控制狀態(tài)(系統(tǒng)出現(xiàn)故障或檢修維護),則程序結(jié)束,由面板實現(xiàn)照明回路的控制;否則,檢測隧道狀態(tài)是否正常。如果不正常則報警,并且調(diào)用特殊狀態(tài)程序;如果正常,則檢測工業(yè)以太網(wǎng)通信是否正常;如果正常,則調(diào)用遠程監(jiān)控計算機控制程序,否則調(diào)用本地控制器基本控制程序,然后輸出回路控制命令。利用觸摸屏顯示隧道狀態(tài)信息,同時利用以太網(wǎng)或無線模塊將本地隧道狀態(tài)信息發(fā)送給監(jiān)控計算機。
2.2.1傳統(tǒng)照明控制方法
目前,國內(nèi)的隧道照明的控制方式都是利用燈具的不同排列組合和現(xiàn)場控制器提供的自動或手動控制信號對照明燈進行邏輯控制,使其產(chǎn)生所需光強分布的亮度。雖然這些控制方法的控制程序和線路設計簡單,燈具選擇靈活,維修保養(yǎng)容易,但控制系統(tǒng)主要存在以下2個問題:
(1)隧道照明系統(tǒng)在設計階段采用保守預估的方法[5],考慮光源衰減,乘以0.6~0.7的系數(shù),并且對洞外亮度、車速、車流量等參數(shù)都以最大值來設計系統(tǒng),使在運行過程中,各段照明照度卻始終處于最大值狀態(tài)。因此,隧道照明系統(tǒng)具有較大的節(jié)能改進空間。
(2)隧道照明系統(tǒng)未采用洞內(nèi)亮度反饋控制,既不知道照度是否滿足要求,不利于行車安全,造成電能浪費。
2.2.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制調(diào)光法
模糊控制是以模仿人的模糊綜合判斷推理來處理常規(guī)方法難以解決的模糊信息處理難題的方法,能對那些復雜的具有非線性、甚至根本無法建立精確數(shù)學模型的系統(tǒng)進行有效而精確的控制,但不具備學習自適應能力;而神經(jīng)網(wǎng)絡以生物神經(jīng)網(wǎng)絡為模擬基礎,具有自適應和自學習能力,但不善于表達基于規(guī)則的知識。因此,將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合構(gòu)成的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡充分利用了兩者的優(yōu)點,彌補了各自的不足,能很好地解決隧道照明控制的問題。本系統(tǒng)采用的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡調(diào)光法是在實時自動直接控制調(diào)光方案的基礎上,以洞外亮度、車速及車流量作為控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù),通過基于專家經(jīng)驗的模糊規(guī)則判斷,輸出照明回路的調(diào)光命令,實現(xiàn)實時自動調(diào)節(jié)隧道照明亮度;同時將洞內(nèi)亮度反饋給系統(tǒng),進行比較學習,再將行車人員的反饋信息樣本輸入系統(tǒng),通過神經(jīng)網(wǎng)絡學習,不斷修改和完善控制規(guī)則,提高了隧道照明的安全性、適應性,且可大大節(jié)省照明運營電能的成本。
2.3 隧道照明模糊神經(jīng)網(wǎng)絡
2.3.1 隧道照明模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型構(gòu)造
本方案采用結(jié)構(gòu)等價型模糊神經(jīng)網(wǎng)絡,即根據(jù)模糊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),決定等價結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡,使其每個節(jié)點對應模糊系統(tǒng)的一部分,如模糊化或模糊推理等過程。本方案主要用于自適應控制,因此采用了多層前向BP網(wǎng)絡, 共由(A)~(E)5層組成。其中,(A)層為輸入層,接收語言變量的輸入,輸入量為車速、車流量和洞外亮度;(B)層為隸屬函數(shù)生成層,實現(xiàn)模糊化操作;(C)層為規(guī)則前件匹配層,計算每條規(guī)則的適用度;(D)層為規(guī)則結(jié)論層,對相同的規(guī)則后件進行綜合;(E)層為輸出層,實現(xiàn)反模糊化操作,輸出量為回路的調(diào)光數(shù)值。
2.3.2 隧道照明模糊神經(jīng)網(wǎng)絡程序設計
模糊神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法包括自組織學習階段和有教師學習階段。自組織學習階段的任務主要是進行模糊控制規(guī)則的自組織、輸入輸出語言變量各語言值隸屬函數(shù)參數(shù)的預辨識,以得到一個符合該被控對象的模糊控制規(guī)則和初步的隸屬函數(shù)分布。而有教師學習階段的任務主要是利用訓練樣本數(shù)據(jù)實現(xiàn)輸入、輸出語言變量各語言值隸屬函數(shù)的最佳調(diào)整。BP神經(jīng)網(wǎng)絡,基于誤差傳遞算法,須通過學習樣本與教師樣本得出輸出層誤差,通過每層的誤差傳遞調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡,改變輸出誤差,以使輸出誤差小于給定誤差指標。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡程序設計及訓練流程如圖6所示。
本文提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的無線隧道照明控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。系統(tǒng)以監(jiān)控計算機、PLC控制器和CC2430作為基本的硬件實現(xiàn)平臺,采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡作為隧道照明調(diào)光控制算法,系統(tǒng)通過基于CC2430模塊的無線傳感器模塊采集車流量、車速及洞內(nèi)外亮度信息作為系統(tǒng)的輸入?yún)?shù),系統(tǒng)進行控制運算后輸出照明調(diào)光控制命令,通過Zigbee無線網(wǎng)絡傳輸至LED燈具模塊,結(jié)合功率控制器實現(xiàn)無線照明調(diào)光控制。隧道照明的狀態(tài)信息能通過觸摸屏顯示,并且還可以通過以太網(wǎng)或CC2430模塊無線發(fā)送至監(jiān)控計算機,實現(xiàn)對隧道照明的監(jiān)控和管理。實驗證明,系統(tǒng)可靠,自適應性強,不僅能滿足隧道照明的安全要求,而且提高了隧道照明的舒適度,其運營成本較低,節(jié)能效果明顯,該方案具有較高的實用性和推廣價值。
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