引言

　　高速公路作為交通和公共服務(wù)設(shè)施， 在我國現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用。 對于我國多山地區(qū)的高速公路，隧道和橋梁是高速公路建設(shè)中的重頭戲， 其隧道照明系統(tǒng)也就成為高速公路建設(shè)、運行和維護(hù)的重大經(jīng)濟(jì)成本投入，對社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了負(fù)面影響。

　　隧道建設(shè)是實現(xiàn)高速公路的重要方法及手段。而有效的隧道照明是保證高速公路行車安全的關(guān)鍵。 目前，高速公路隧道照明系統(tǒng)是根據(jù)我國于 2000 年 1 月發(fā)布的 《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》（簡稱《規(guī)范》）進(jìn)行設(shè)計的。 我們的設(shè)計是結(jié)合《規(guī)范》做 LED 隧道燈節(jié)能照明控制系統(tǒng)研究，實行“根據(jù)隧道內(nèi)外光照強(qiáng)度自動調(diào)光；車近燈亮、車過燈滅；較長隧道分段照明”，以實現(xiàn)最大限度節(jié)能減排的社會效益及降低公路運行成本的經(jīng)濟(jì)效益。

　　1.隧道智能照明系統(tǒng)簡介

　　高速公路 LED 隧道燈節(jié)能照明控制系統(tǒng)，其組成由運行于 PC 上位機(jī)和分布于隧道內(nèi)的各個路段的節(jié)點組成。各節(jié)點的作用：①負(fù)責(zé)某一路段信息的采集（溫度、濕度、光強(qiáng)）；②通過傳感器（金屬檢測器、超聲波傳感器等）來檢測有無車輛經(jīng)過；

　?、郛?dāng)有車輛來時負(fù)責(zé)點亮本段 LED 燈，并將此消息發(fā)送給它的下一個節(jié)點；④當(dāng)節(jié)點收到上一個節(jié)點的消息時，如果過 2s 后仍未檢測到車輛經(jīng)過，則發(fā)出報警。PC 上 位機(jī)的作用 ：①接受節(jié)點采集來的信息 ，并 顯示出來 ；②當(dāng)上一個節(jié)點檢測到車輛經(jīng)過， 而下一個節(jié)點直到 2s 后仍未檢測到車輛，那么上位機(jī)將發(fā)出報警，給實時監(jiān)控人員。提示車輛可能因某種原因停在那一路段，并做相應(yīng)的應(yīng)急處理。控制方案如圖 1 所示：

　　2.系統(tǒng)設(shè)計方案

　　2.1 軟件部分

　　2.1.1 節(jié)點的軟件設(shè)計

　　節(jié)點作為這個系統(tǒng)最基本的單元，就像神經(jīng)元對于我們?nèi)梭w的神經(jīng)系統(tǒng)一樣。由此可見對于能否達(dá)到我們智能照明的目的，節(jié)點的開發(fā)是至關(guān)重要的。 本系統(tǒng)中除去隧道的入口段和出口段的節(jié)點，其余節(jié)點均是相同的。 對于節(jié)點的開發(fā)，我們采用 stm32f103vet6 這款芯片。 其特點是：①可以選擇固件庫開發(fā)，不必接觸底層寄存器，大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)難度。②性價比高。③功能豐富，工控、小嵌入式均能勝任。

　　這里我們僅以某節(jié)點的一個初步模型做示范，而實際應(yīng)用中還需要在此基礎(chǔ)上添加一些輔助部件（如金屬檢測器、LED 燈具等）。主函數(shù)的程序，用 Keil4 編寫出相應(yīng)的程序代碼，包括相應(yīng)的外部部件信號的初始化，關(guān)鍵程序代碼如下：

　　while(NRF24L01_Check())//檢測不到 24L01{delay_ms(500)；LED1=！ LED1；//DS0 閃爍}.....while(1){.....tmp_buf[4]=CAR；if(CAR==0){LED0=1；countdown=10； //燈亮 20s}}.....

　　2.1.2 無線通信模塊的工作原理

　　前文中提到節(jié)點與上位機(jī)的通信是通過 nrf24l01 實現(xiàn)的， 其中關(guān)鍵是對 nrf24l01 的初始化。 nRF24L01 是一款工作在 2.4-2.5GHz世界通用 ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。 無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。 輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過 SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。 幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。

　　這里給出 24l01 的關(guān)鍵程序，（對于具體函數(shù)的的實現(xiàn)代碼，在此不再詳細(xì)敘述）

　　u8 NRF24L01_Write_Buf(u8 reg， u8 *pBuf， u8 u8s)；//寫數(shù)據(jù)區(qū)

　　u8 NRF24L01_Read_Buf(u8 reg， u8 *pBuf， u8 u8s)；//讀數(shù)據(jù)區(qū)

　　u8 NRF24L01_Read_Reg(u8 reg)；//讀寄存器

　　u8 NRF24L01_Write_Reg(u8 reg， u8 value)；//寫寄存器

　　u8 NRF24L01_Check(void)；//檢查 24L01 是否存在

　　u8 NRF24L01_TxPacket(u8 *txbuf)；//發(fā)送一個包的數(shù)據(jù)

　　u8 NRF24L01_RxPacket(u8 *rxbuf)；//接收一個包的數(shù)據(jù)

　　2.1.3 上位機(jī)的開發(fā)

　　對于上位機(jī)，我們采用 Visual Studio2010(簡稱 VS2010)進(jìn)行開發(fā)。 上位機(jī)是本系統(tǒng)實現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵部分。 其具體功能是：①顯示各個節(jié)點采集到的信息（溫度、適度、光照強(qiáng)度）；②顯示各個節(jié)點是否有車輛經(jīng)過；③例如，當(dāng) n 號節(jié)點采集到有車輛經(jīng)過，而經(jīng)過 2s后 n+1 號節(jié)點仍未檢測到車輛經(jīng)過，則在上位機(jī)界面發(fā)出報警。 ④當(dāng)有多個節(jié)點均檢測到車輛時則說明“車流量大”，此時各路段均點亮路燈。

　　開發(fā)的上位機(jī)界面如圖 2 所示；其程序流程圖如圖 3 所示：

　　2.2 硬件部分

　　節(jié)點主控芯片采用stm32f103vet6，其內(nèi)核是ARMCortexTM-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APA總線的外設(shè)。該芯片包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C和SPI、3個USART、1個USB和1個CAN。

　　因此，只需要將溫度傳感器、濕度傳感器、金屬傳感器等與stm32f103vet6連接即可。

　　nRF24L01采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst協(xié)議；可以實現(xiàn)點對點或是1對6的無線通信；無線通信速度可以達(dá)到2M（bps）。NORDIC公司提供通信模塊的GERBER文件，可以直接加工生產(chǎn)，只需要為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留5個GPIO、1個中斷輸入引腳，就可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為MCU系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能。

　　3.實際測試數(shù)據(jù)及性能分析

　　我們以已開發(fā)的2個節(jié)點做一些實際測試進(jìn)行分析：第一種情況，n號節(jié)點和n+1號節(jié)點都檢測到有車輛經(jīng)過；第二種情況，n號節(jié)點檢測到車輛，而n+1號未檢測到；第三種情況，當(dāng)多個節(jié)點都檢測到車輛時，說明隧道內(nèi)車流量過大。

　　由圖3和圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)對于此演示模型可以實現(xiàn)：①車近燈亮，車過燈滅。②當(dāng)前一個節(jié)點檢測到車輛，而經(jīng)過2s后下一個節(jié)點未檢測到車輛則發(fā)出報警。③當(dāng)車流量過大時，n號節(jié)點和n+1號節(jié)點控制各路段LED燈亮。④實時的采集周圍環(huán)境的溫度、濕度、光強(qiáng)度。

　　4.結(jié)束語

　　本文通過對節(jié)點的軟件部分和硬件部分的設(shè)計，已達(dá)到對過往車輛的檢測和周圍環(huán)境的信息采集。而當(dāng)車輛因某些原因停靠時則發(fā)出報警信息，并將這些信息反饋給監(jiān)控人員，監(jiān)控人員以此來做出及時的應(yīng)對措施。 當(dāng)車流量過大時，各擁塞路段的節(jié)點根據(jù)環(huán)境的亮度只對該路段做亮度調(diào)整。

　　通過無線模塊，實現(xiàn)節(jié)點與上位機(jī)的通信。 以便監(jiān)控人員能及時處理各種應(yīng)急狀況（車輛因故停靠、路段擁塞等）。 對于已修建好的隧道來說，通過無線的方式無疑節(jié)省了安裝成本，縮短了安裝周期，同時也節(jié)省了系統(tǒng)運行和維護(hù)的成本。