引言

　　高速公路作為交通和公共服務(wù)設(shè)施， 在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用。 對(duì)于我國(guó)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(yùn)行和維護(hù)的重大經(jīng)濟(jì)成本投入，對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了負(fù)面影響。

　　隧道建設(shè)是實(shí)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(guó)于 2000 年 1 月發(fā)布的 《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 我們的設(shè)計(jì)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(shí)行“根據(jù)隧道內(nèi)外光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)光；車近燈亮、車過(guò)燈滅；較長(zhǎng)隧道分段照明”，以實(shí)現(xiàn)最大限度節(jié)能減排的社會(huì)效益及降低公路運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)效益。

　　1.隧道智能照明系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　高速公路 LED 隧道燈節(jié)能照明控制系統(tǒng)，其組成由運(yùn)行于 PC 上位機(jī)和分布于隧道內(nèi)的各個(gè)路段的節(jié)點(diǎn)組成。各節(jié)點(diǎn)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(guò)傳感器（金屬檢測(cè)器、超聲波傳感器等）來(lái)檢測(cè)有無(wú)車輛經(jīng)過(guò)；

　　③當(dāng)有車輛來(lái)時(shí)負(fù)責(zé)點(diǎn)亮本段 LED 燈，并將此消息發(fā)送給它的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；④當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息時(shí)，如果過(guò) 2s 后仍未檢測(cè)到車輛經(jīng)過(guò)，則發(fā)出報(bào)警。PC 上 位機(jī)的作用 ：①接受節(jié)點(diǎn)采集來(lái)的信息 ，并 顯示出來(lái) ；②當(dāng)上一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到車輛經(jīng)過(guò)， 而下一個(gè)節(jié)點(diǎn)直到 2s 后仍未檢測(cè)到車輛，那么上位機(jī)將發(fā)出報(bào)警，給實(shí)時(shí)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(jì)方案

　　2.1 軟件部分

　　2.1.1 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

　　節(jié)點(diǎn)作為這個(gè)系統(tǒng)最基本的單元，就像神經(jīng)元對(duì)于我們?nèi)梭w的神經(jīng)系統(tǒng)一樣。由此可見對(duì)于能否達(dá)到我們智能照明的目的，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)均是相同的。 對(duì)于節(jié)點(diǎn)的開發(fā)，我們采用 stm32f103vet6 這款芯片。 其特點(diǎn)是：①可以選擇固件庫(kù)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(jià)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(diǎn)的一個(gè)初步模型做示范，而實(shí)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(cè)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(hào)的初始化，關(guān)鍵程序代碼如下：

　　while(NRF24L01_Check())//檢測(cè)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(wú)線通信模塊的工作原理

　　前文中提到節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的通信是通過(guò) nrf24l01 實(shí)現(xiàn)的， 其中關(guān)鍵是對(duì) 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(wú)線收發(fā)器芯片。 無(wú)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(guò) 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(wú)線數(shù)據(jù)傳送工作。

　　這里給出 24l01 的關(guān)鍵程序，（對(duì)于具體函數(shù)的的實(shí)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(gè)包的數(shù)據(jù)

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

　　2.1.3 上位機(jī)的開發(fā)

　　對(duì)于上位機(jī)，我們采用 Visual Studio2010(簡(jiǎn)稱 VS2010)進(jìn)行開發(fā)。 上位機(jī)是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵部分。 其具體功能是：①顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的信息（溫度、適度、光照強(qiáng)度）；②顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)是否有車輛經(jīng)過(guò)；③例如，當(dāng) n 號(hào)節(jié)點(diǎn)采集到有車輛經(jīng)過(guò)，而經(jīng)過(guò) 2s后 n+1 號(hào)節(jié)點(diǎn)仍未檢測(cè)到車輛經(jīng)過(guò)，則在上位機(jī)界面發(fā)出報(bào)警。 ④當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)均檢測(cè)到車輛時(shí)則說(shuō)明“車流量大”，此時(shí)各路段均點(diǎn)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(diǎn)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(chǔ)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(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1對(duì)6的無(wú)線通信；無(wú)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(gè)GPIO、1個(gè)中斷輸入引腳，就可以很容易實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的功能，非常適合用來(lái)為MCU系統(tǒng)構(gòu)建無(wú)線通信功能。

　　3.實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)及性能分析

　　我們以已開發(fā)的2個(gè)節(jié)點(diǎn)做一些實(shí)際測(cè)試進(jìn)行分析：第一種情況，n號(hào)節(jié)點(diǎn)和n+1號(hào)節(jié)點(diǎn)都檢測(cè)到有車輛經(jīng)過(guò)；第二種情況，n號(hào)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到車輛，而n+1號(hào)未檢測(cè)到；第三種情況，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)都檢測(cè)到車輛時(shí)，說(shuō)明隧道內(nèi)車流量過(guò)大。

　　由圖3和圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)對(duì)于此演示模型可以實(shí)現(xiàn)：①車近燈亮，車過(guò)燈滅。②當(dāng)前一個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到車輛，而經(jīng)過(guò)2s后下一個(gè)節(jié)點(diǎn)未檢測(cè)到車輛則發(fā)出報(bào)警。③當(dāng)車流量過(guò)大時(shí)，n號(hào)節(jié)點(diǎn)和n+1號(hào)節(jié)點(diǎn)控制各路段LED燈亮。④實(shí)時(shí)的采集周圍環(huán)境的溫度、濕度、光強(qiáng)度。

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的軟件部分和硬件部分的設(shè)計(jì)，已達(dá)到對(duì)過(guò)往車輛的檢測(cè)和周圍環(huán)境的信息采集。而當(dāng)車輛因某些原因停靠時(shí)則發(fā)出報(bào)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(lái)做出及時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。 當(dāng)車流量過(guò)大時(shí)，各擁塞路段的節(jié)點(diǎn)根據(jù)環(huán)境的亮度只對(duì)該路段做亮度調(diào)整。

　　通過(guò)無(wú)線模塊，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的通信。 以便監(jiān)控人員能及時(shí)處理各種應(yīng)急狀況（車輛因故停靠、路段擁塞等）。 對(duì)于已修建好的隧道來(lái)說(shuō)，通過(guò)無(wú)線的方式無(wú)疑節(jié)省了安裝成本，縮短了安裝周期，同時(shí)也節(jié)省了系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的成本。