引言

　　高速公路作為交通和公共服務設施， 在我國現代化建設中發揮著極其重要的作用。 對于我國多山地區的高速公路，隧道和橋梁是高速公路建設中的重頭戲， 其隧道照明系統也就成為高速公路建設、運行和維護的重大經濟成本投入，對社會的經濟發展產生了負面影響。

　　隧道建設是實現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鍵。 目前，高速公路隧道照明系統是根據我國于 2000 年 1 月發布的 《公路隧道通風照明設計規范》（簡稱《規范》）進行設計的。 我們的設計是結合《規范》做 LED 隧道燈節能照明控制系統研究，實行“根據隧道內外光照強度自動調光；車近燈亮、車過燈滅；較長隧道分段照明”，以實現最大限度節能減排的社會效益及降低公路運行成本的經濟效益。

　　1.隧道智能照明系統簡介

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

　　③當有車輛來時負責點亮本段 LED 燈，并將此消息發送給它的下一個節點；④當節點收到上一個節點的消息時，如果過 2s 后仍未檢測到車輛經過，則發出報警。PC 上 位機的作用 ：①接受節點采集來的信息 ，并 顯示出來 ；②當上一個節點檢測到車輛經過， 而下一個節點直到 2s 后仍未檢測到車輛，那么上位機將發出報警，給實時監控人員。提示車輛可能因某種原因停在那一路段，并做相應的應急處理。控制方案如圖 1 所示：

　　2.系統設計方案

　　2.1 軟件部分

　　2.1.1 節點的軟件設計

　　節點作為這個系統最基本的單元，就像神經元對于我們人體的神經系統一樣。由此可見對于能否達到我們智能照明的目的，節點的開發是至關重要的。 本系統中除去隧道的入口段和出口段的節點，其余節點均是相同的。 對于節點的開發，我們采用 stm32f103vet6 這款芯片。 其特點是：①可以選擇固件庫開發，不必接觸底層寄存器，大大縮短開發周期，降低開發難度。②性價比高。③功能豐富，工控、小嵌入式均能勝任。

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

　　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

　　前文中提到節點與上位機的通信是通過 nrf24l01 實現的， 其中關鍵是對 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器芯片。 無線收發器包括：頻率發生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。 輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過 SPI 接口進行設置。 幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據傳送工作。

　　這里給出 24l01 的關鍵程序，（對于具體函數的的實現代碼，在此不再詳細敘述）

　　u8 NRF24L01_Write_Buf(u8 reg， u8 *pBuf， u8 u8s)；//寫數據區

　　u8 NRF24L01_Read_Buf(u8 reg， u8 *pBuf， u8 u8s)；//讀數據區

　　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)；//發送一個包的數據

　　u8 NRF24L01_RxPacket(u8 *rxbuf)；//接收一個包的數據

　　2.1.3 上位機的開發

　　對于上位機，我們采用 Visual Studio2010(簡稱 VS2010)進行開發。 上位機是本系統實現人機交互的關鍵部分。 其具體功能是：①顯示各個節點采集到的信息（溫度、適度、光照強度）；②顯示各個節點是否有車輛經過；③例如，當 n 號節點采集到有車輛經過，而經過 2s后 n+1 號節點仍未檢測到車輛經過，則在上位機界面發出報警。 ④當有多個節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。

　　開發的上位機界面如圖 2 所示；其程序流程圖如圖 3 所示：

　　2.2 硬件部分

　　節點主控芯片采用stm32f103vet6，其內核是ARMCortexTM-M332位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APA總線的外設。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，還包含標準和先進的通信接口：多達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調制，內部集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst協議；可以實現點對點或是1對6的無線通信；無線通信速度可以達到2M（bps）。NORDIC公司提供通信模塊的GERBER文件，可以直接加工生產，只需要為單片機系統預留5個GPIO、1個中斷輸入引腳，就可以很容易實現無線通信的功能，非常適合用來為MCU系統構建無線通信功能。

　　3.實際測試數據及性能分析

　　我們以已開發的2個節點做一些實際測試進行分析：第一種情況，n號節點和n+1號節點都檢測到有車輛經過；第二種情況，n號節點檢測到車輛，而n+1號未檢測到；第三種情況，當多個節點都檢測到車輛時，說明隧道內車流量過大。

　　由圖3和圖4所示，不難發現對于此演示模型可以實現：①車近燈亮，車過燈滅。②當前一個節點檢測到車輛，而經過2s后下一個節點未檢測到車輛則發出報警。③當車流量過大時，n號節點和n+1號節點控制各路段LED燈亮。④實時的采集周圍環境的溫度、濕度、光強度。

　　4.結束語

　　本文通過對節點的軟件部分和硬件部分的設計，已達到對過往車輛的檢測和周圍環境的信息采集。而當車輛因某些原因停靠時則發出報警信息，并將這些信息反饋給監控人員，監控人員以此來做出及時的應對措施。 當車流量過大時，各擁塞路段的節點根據環境的亮度只對該路段做亮度調整。

　　通過無線模塊，實現節點與上位機的通信。 以便監控人員能及時處理各種應急狀況（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省了安裝成本，縮短了安裝周期，同時也節省了系統運行和維護的成本。