足球比分直播

基于ZigBee隧道照明无线控制系统分析和设计.pdf

返回
基于ZigBee隧道照明无线控制系统分析和设计.pdf_第1页
第1页 / 共83页
基于ZigBee隧道照明无线控制系统分析和设计.pdf_第2页
第2页 / 共83页
基于ZigBee隧道照明无线控制系统分析和设计.pdf_第3页
第3页 / 共83页
基于ZigBee隧道照明无线控制系统分析和设计.pdf_第4页
第4页 / 共83页
基于ZigBee隧道照明无线控制系统分析和设计.pdf_第5页
第5页 / 共83页
点击查看更多>>
资源描述:
湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。名孓钵 日期砂产厂月咖学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口,在 年解密后适用本授权书。2、不保密团。请在以上相应方框内打“√”黧耄熟氓黧筘冕影蓦别磁磁砰哆醐叫¨肌“硕十学位论文第1章绪论1.1课题的概述1.1.1课题的来源本课题是湖南省交通厅和湖南省高速公路管理局以及常吉高速公路隧道群工程部三方委托湖南大学承担的课题高速公路通风照明节能控制系统的研究设计。本论文是针对隧道照明节能安全的要求研究设计隧道照明节能无线控制系统。1.1.2课题的问题的提出我国山地、丘陵和高原面积约占国土总面积的69%,过去在山区修建公路,由于建设资金严重短缺,多以盘山绕行为主,公路建设非常缓慢。改革开放以来,随着国民经济的迅速发展,公路交通建设规模日益扩大,技术进步达到新的水平,公路隧道建设不仅在山区和丘陵地区公路建设中日益引起人们重视,而且在东部江河桥隧跨越也得到很大发展。据统计,1979年我国公路隧道通车里程仅为52km/374座,而2002年中国已经成为世界上隧道最多、发展最快的国家。随着2004年12月“7918”国家高速公路网的实施,山区高速公路与隧道群建设进入了高峰。至2007年年底,全国公路隧道为4673处,比上年末增加885处。其中,特长隧道83处,长隧道607处,中隧道758处,短隧道3225处。安全、环保、高效、节能作为公路工程建设追求的目标,在公路隧道运营管理中尤显突出。公路隧道作为道路的特殊构造物,为了保证行车环境条件,长大公路隧道运营必不可缺的隧道照明等基本设施运营费用相当昂贵。通过对隧道较多的广东、福建、浙江、重庆等地隧道管理部门的调查表明,隧道通风与照明费用己成为公路隧道运营中的一笔沉重负担。同时,隧道照明系统的安全性和节能性存在着此消彼长的矛盾,如何解决这个矛盾便成为照明工程师和交通安全工程师的共同目标。在安全行车的前提下,如何提高隧道的运营效率、降低能源消耗,成为隧道建设和运营单位迫切需要解决的问题。近年来能源危机成为世界各国发展面临的一个主要问题。我国的第十一个五年规划,向全党、全国提出了明确要求,要把节约资源作为基本国策,发展循环经济,保护生态环境,加快建设资源节约型、环境友好型社会,促进经济发展与人口、资源、环境相协调。提出了“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少lO%等目标,这是中国首次明确提出提高资源生产率和减少污染排放强度目标。节能目标作为“十一五’’规划经济社会发展两个主要目标之一,并将其作为建设资源节约型社会基于ZigBee隧道照明无线控制系统研究和设计的核心目标,说明党中央对节能工作的高度重视。这是针对资源环境压力日益加大的突出问题提出来的,体现了建设资源节约型、环境友好型社会的要求,是现实和长远利益的需要,具有明确的政策导向。1.1.3课题的研究意义公路隧道作为高等级公路的特殊路段,具有隧道洞内外亮度差极大,空气污染严重,侧向净宽较小且高度有限,没有扩展活动的余地和噪声高等特点,加上车辆迅速增长,使高等级公路的优越性大大减弱,交通问题显得十分突出,通行能力、行车速度、交通安全性能客观上比其它路段差,事故发生率,交通能耗及对环境的污染成倍增加。在此情况下要保证来往车辆的顺利通行,避免交通事故的发生,隧道照明系统显得尤为重要。在白天,当车辆在驶入隧道的过程中,会出现“黑洞效应“,在驶出隧道时情况正好相反,会出现“白洞效应“;在夜晚,同样需要清楚地看到前方路况。因此需要在隧道内设置电光照明,使洞内亮度随洞外亮度相应变化,以消除司机的“暗适应”与“明适应“视觉问题,保证隧道通行车安全。近年来国内外高等级隧道交通事故时有发生,造成重大的生命财产损失,社会影响极为恶劣,足以引起高度重视。据数据统计,隧道洞口交通事故主要是追尾,而隧道洞口光线变化不当是产生交通事故的主要影响因素。因此研究设计合理稳定的隧道照明系统需要高度重视,保证隧道行车安全Ⅲ。随着我国经济的繁荣、城市的发展,以及城市的亮化工程的实施,数以万计的路灯在美化我们的城市,使我们的生活灯璧辉煌,但同时大量的电费也随之产生,成为国家一个沉重的包袱,而且大量的电力能源的浪费与目前国内一直宣传的环保节能相违背。据不完全统计照明耗电在各个国家的总发电量中占有很大的比例。目前,我国照明耗电大体占全国总发电量的10~12%。2008年我国总发电量为36360亿千瓦时度,照明耗电按全国年总发电量的l 0%计,年照明耗电达3636亿度,相当于三峡水力发电工程年发电能力840亿度的两倍左右4.33倍。随着我国经济快速发展,全国能源供需矛盾突显紧张,特别是去年全国性的拉闸限电现象,已严重影响不能停电行业的正常生产,这种情况下,更显出节电技术的经济效益和社会效益。24小时全天候的隧道照明,在整个照明用电占有相当的比例,节能空间较大,并且照明系统运营和维护费用相当高,因此,如何解决隧道照明系统的安全稳定性能和节能性能的此消彼长的矛盾成为照明工程师和交通安全工程师的共同目标【2】。1.2隧道照明控制技术发展状况1.2.1隧道照明控制方式公路隧道照明灯具控制方式主要有三种人工手动控制方式、分时段进行的硕士学位论文时序控制方式、自动实时控制方式,其又分为自动分级控制方式和自动无极调光控制方式。在公路隧道发展建设初期,由于技术的限制,对于隧道的照明运营一般设有统一的控制柜,由专人负责管理,根据不同的时间和天气由工人决定并手动控制灯具的开关数量。这种运营方式不仅控制的精度不够高没有反馈,而且提高了运营成本,特别是在一些偏远的隧道,由于建设控制房不易,专员负责更加不可能,为达到照明要求,只能全天开启大量灯具,这样一来不仅浪费了大量能源、提高了隧道运营成本,而且固定照明带来的效果也相当不好,是交通事故的巨大隐患。这种方式现在已经很少采用,主要用于公路等级低,隧道长度较短、照明级别少的隧道照明系统,由人工根据不同的时段及天气情况而开关不同的照明配电回路。分段时序控制方式则是采用时序控制器控制隧道照明的各个配电回路,根据不同季节一天中不同的时间段而开启闭合相应的照明回路,由于没有考虑到天气变化因素,洞内照明回路分级较少,洞内亮度难以与洞外亮度匹配,并且会带来路面照度不均匀、眩光、闪烁等有害现象,照明效果不太好,能源浪费亦比较严重,此种控制方式主要也是用于照明回路较少的中短隧道。随着自动控制技术的发展,隧道照明控制领域渐渐由自动控制系统占领。首先出现的是自动分级控制,系统分为基本照明,应急照明和加强照明,这种系统能够通过洞外的亮度检测仪器检测实际亮度值从而调整隧道内部的灯具开关数量,开启相应的加强照明回路,实现实时自动的洞内亮度调节,并且洞内广泛分布的照度检测仪器为隧道内实际亮度水平进行了有效监测,当出现由于灯具损坏等原因造成的洞内亮度水平不够时控制系统可以及时的进行报警。采取这种技术之后,不仅能够有效的使隧道照明满足国家规范要求,为司机提高良好的照明环境,而且因为在最大的限度内关闭了不需要的照明设备,该方法节约了很大的运营成本,特别是对于偏远隧道更是体现了它的强大优势,所以在各类公路隧道中得到了广泛应用。但是,由于采用了分级控制,即系统根据外界亮度水平分级的将照明设施进行关闭,比如照明回路逐级关灯方式,必然会带来路面照度不均匀、眩光、闪烁等有害现象,给交通安全埋下了隐患。其实这是跟照明设备的技术水平进行的一种折中。当今在隧道照明中普遍采用的高压钠灯,因为高压钠灯具有光效高、寿命长,且所发出的桔黄色的光线,具有强透雾功能,但高强度气体灯启动响应比较慢,要进行连续亮度调节必须通过调整电压实现,会比较困难,而且会巨大增加成本,并且难以实现;另外荧光灯由于技术限制在还很难实现连续亮度调节;大功率LED灯具照明不是很成熟,其连续调光控制成本较高。即使存在着不少缺陷,但分级自动控制方式仍是目前阶段国内最为流行的控制技术【3】。随着照明灯具技术的不断发展,出现了自动无极调光控制方式。这是新兴的一种控制方式,它在自动分级控制的基础上,采用根据外界实际亮度水平,连续基于ZigBee隧道照明无线控制系统研究和设计对灯具进行调光,使灯具发出不同亮度水平的光能,这样就完全的克服了分级控制所带来的照明均匀性问题,这个技术在目前阶段来说应用还不是很普遍,原因是能满足连续调光要求的灯具还不普遍,一般来说价格比较昂贵,因此通常只在高等级的隧道中采用这种方法。就国内来说只有为数极少的隧道比如厦门蔡尖尾山隧道采用了这种控制方式。这种控制技术是未来隧道照明技术的发展趋势,对隧道照明灯具研究设计上提出了很高的要求,并且在控制系统设计上提供了新的思路【4J。1.2.2隧道照明控制系统隧道照明控制系统主要可以分为以下2大种类【5】1.计算机集散控制系统,集中管理,分散控制。这种控制系统是最常见的一种控制方式,由中央计算机管理整个系统,作为系统的集中处理单元。各照明控制室由PLC控制,PLC根据采集洞外的亮度值,可以自动控制隧道入口段、适应段、过渡段、出口段的亮度,也可以将采集的洞外亮度值传送到中心计算机,由中心计算机来决策隧道各段的亮度值。这种控制系统的好处在于可以充分发挥控制的分散性和管理决策的集中性,不利的方面在于它不能完全脱离中心计算机的控制,一旦中心计算机出现故障,整个系统将瘫痪,很容易导致隧道没有照明而造成交通事故。这种控制方式由中心控制室对现场设备进行控制与管理,控制线路长,造价相对高,比较适合于短隧道。2.分布式计算机控制系统。这种控制系统依靠某种现场总线为核心,实现无中心控制。从目前所应用的现场总线来看,模块化分布式控制系统主要分为3种1基于现场总线的Lonworks,Device,SymensPr06bus的Micr010n,dacNet,can总线也有比较多的应用。2基于以太网和Modbus通信协议的Openline系列。3基于0ptomux和Modbus通信协议的MicroDAC,OpenDAC,0pen【T系列。从国内监控系统的应用来看,第1种使用的较多一些,主要基于现场总线的Lonworks系列、Pro肋us的microlon系列以及DacNet系列等。这种分布式控制系统的好处在于各部分相对独立,某部分出现故障并不会影响其他部分,系统仍然可以运行。这种控制方式适合于长隧道的分布式现场总线控制模式,施工方便,造价较低,而且可靠性较高。这种基于现场总线的控制系统又分为全分布式控制和集中式现场总线控制。全分布式现场总线控制模式,中心控制室对现场设施不直接控制,由现场各种控制设施的控制器进行控制【4J。从隧道监控系统的结构形式看,多年前我国高速公路隧道监控系统基本上是照搬国外的系统模式。如成渝高速公路中梁山、缙云山隧道采用了Honeywell和PEEK公司的系统。前几年,一些国内科研机构和公司逐步推出自己的隧道监控系统,其系统结构多为星形拓扑结构,中控室对各子系统的控制采用点对点的通信方式,系统的开放性、可靠性、互操作性差,安装维护复杂,难以形成系列化硕士学位论文产品。近年来,一些国内科研机构和公司又推出了可靠性高、抗干扰能力强和易操作的现场总线技术,由于各厂家现场总线的技术标准不统一,其开放性、可扩展性较差。近一两年,正在兴起被誉为工业控制、通信技术领域一次革命的工业以太网技术,因其系统的开放性、兼容性、可靠性、易操作性高,且建设和维护费用低,而得到广泛应用。因此,将工业以太网技术应用于隧道群监控系统,提高公路隧道监控系统的技术水平和可靠性,已是当务之急。1.3智能照明灯具控制技术研究现状最初的智能照明控制系统,出现在舞台等娱乐行业的灯光控制。之后,面向工业和民用的建筑照明系统得到了快速的发展。随着人们生活品质的提高,和环境保护、资源节省意识的增强,对照明的智能化控制要求也越来越高。智能照明系统要求控制有效、直观,实现实时监控,能够根据需求进行调光【61。智能照明控制系统随着城市化建设的发展而不断衍生出适合各类场合的应用协议,总得来说实现网络化、精确化、实时化是经济和技术发展的必然趋势。智能照明控制系统对控制网络的要求有1控制网络能够实现点对点及多点到多点的通信。2通过编程,能够对网络内的节点进行分组控制。3能传输开关、亮度、故障分类等信号,利于节能和故障检测。4简洁的组网方式,方便维护,扩展性好。5尽可能选择标准协议,在不同厂家的产品间实现互操作。6强抗干扰能力和较远的传输距离。智能照明系统的主流协议及其应用特点如下。1.3.1 RS.485RS.485是最常用的串行通信接口标准,在电气控制领域应用广泛。RS.485只有物理层协议,采用差分传输方式传输,其最大传输距离与传输速率成反比,在9600bps速率下无中继器最大传输距离约为2000米。Rs.485总线支持的节点数目与节点使用的收发器特性有关,如采用SN751 76最多可以接32个节点,采用MAX485最多可连接128个节点。RS.485通信具有设计简单,成本低廉等优点,但是Rs.485只支持主从结构,而不能实现点对点的通信。因此RS.485总线只适合于简单照明系统的集中控制,而不适合使用在复杂的分布式灯光智能控制场合。此外,RS.485只有物理层标准,没有高层定义,因此难以实现不同厂家之间的产品互联【71。1.3.2 ACN和AIrc.NetACN和Art-Net都是娱乐行业调光网络协议,是上世纪90年代一些灯光控制基于ZigBee隧道照明无线控制系统研究和设计设备厂商为了使各自产品兼容而制定。它能够在不同厂家的产品之间进行数据传输,实现分组控制和调光,现在普遍使用在娱乐舞台的灯光控制方面。ACN全称Advanced Contr01 Network,是美国国家标准协会ANSIEI.17标准。它定义了通信系统的组件标识符、协议数据单元、设备管理协议、会话数据传输协议和设备描述语言等。它允许单一网络传输不同种类的调光控制指令和其他数据,并且可以连接不同厂商的设备。Art.Net协议是基于TCP/IP协议的l 0BaseT以太网协议,在欧洲有广泛的设备商支持。这两种协议都是基于舞台灯光设计的背景产生的,所以对灯的调光和分组控制种类较多,对于道路电子镇流器的开关和调光控制来说,许多资源就容易被浪费。1.3.3 EIB协议EIB又称欧洲安装总线,是欧洲占主导地位的楼宇自动化标准。它是一个两线制的总线智能控制系统,一般使用双绞线连接成网络。它支持组地址控制,能够实现一对多和多对一的控制。EIB网络支持点对点通信,每个接入的设备地位相同,最多支持15条线,每条线255个,共65025个节点,与ZigBee网络容量相当,但是网络结构没有ZigBee灵活,而且传输速率只有9.6kbps。它的另一个缺点是当网络节点要求有输入时,输入单元将数据转变为EIB总线信号在总线上广播,所有输出单元接收并判断接收数据。这在一定程度上延缓了数据传输速率。并且由于EIB在价格方面的原因,在家庭照明系统中的应用不多,大部分应用在大型的会展中心和会议礼堂等地。1.3.4 C.Bus和Dynet协议C.Bus协议是澳大利亚在90年代初制定的照明数字化管理系统,每个单元节点均有微控制器,通过非屏蔽双绞线连接。节点之间可以不通过主节点而直接通信。它支持总线型、树型、星型等拓扑,不支持环形拓扑。每个网络内最多有1 00个节点,传输距离最远为1000米,组网比较灵活。Dynet协议是澳大利亚邦奇电子工程公司在其产品Dynalite智能灯光控制系统中使用的协议,支持点对点通信,每个子网都可以通过网桥与主网相连。每个子网可连接64个设备,每个主网可以连接64个子网,也就是说网络最多支持4096个设备。主网传输速率为57.6kbps,子网速率9.6kbps。这两种协议在调光上各有特色,但是它并不支持其他厂商的设备,这也限制了它们的发展。而zigBee的众多研发厂商都公布了其免费的协议,加速了ZigBee的推广。1.3.5 LONWORKS当今众多的智能系统网络控制方法中,LONwORKS网络技术是较为成熟,硕十学何论文应用最广泛的一种。它是美国ECHELON公司研发的一种控制网络的平台技术。所有的LONWoRKS设备之间的相互通讯都采用LoNTALK协议。它可以有选择地提供端到端的报文确认、证实和优先级发送。LONWORKS的最大特色在于它能够利用互联网资源,对~个现场设备控制局域网络实现远程控制,它适用于那些地域分布很广而又需要上层集中管理的企业类型,例如超市、大厦物业管理等等。LoNWORKS总线最大传输距离可以达到2.7km, 网络传输速率为300~1.25Mbps,具有容错和检错能力,容易扩充、修改和维护。1.3.6 DALIDALI是数字可寻址照明接口Dig“al Addressable Li曲ting Interface的缩写。它是由Philips、ORSAM等公司在1999年制定的工业协议,不具有复杂的控制协议,而只是灯控制系统的数据传输协议,支持其他通信协议,可以作为一个子系统工作,适用于需要不同灯光等级的照明系统。DALI协议采用异步串行通信协议,信息传输速率1.2kbps,半双工传输。定义16V9~22.5V为逻辑高电平,0V.6.5~6.5v为逻辑低电平。它使用主从控制模式,即一个主控制器和最多64个从控制器。DALL接口与单个电子镇流器的控制系统之间只需要两根信号线进行通信,可以寻址64个不同的电子镇流器单元,或者最多16个分组;主控制器既可以对某个单一镇流器进行控制,也可以对成组的镇流器进行控制,还可以通过广播的方式控制所有从镇流器。可进行双向通信,支持256级对数调光等级采用8位二进制,调光变化范围为0.1%~100%,以及故障检测。DALI协议较多地使用在电子镇流器的控制中。如果将zigBee组网技术作为DALI的上层网络,也就是说,将zigBee的末端设备作为DALI的主控制器,那么一个简单的星型zigBee网络理论上可以控制的单元将达到21664个。1.3.7 X.10协议X.10是基于电力线载波的照明系统控制协议。电力线在提供电源的同时,又可以作为网线传送控制命令,从而简化网络结构。网络内设备地址使用2位16进制编码,也就是说一个网络内最多可有有256个设备。可以执行开关、调亮、调暗、全亮、全暗指令。x·10是历史最悠久的家庭自动化产物之一,在美国市场占有率最高。但是它受电力线传输信号的速度限制和噪声干扰的影响,很难向高端技术发展。ZigBee无线通信技术与这些照明智能系统控制技术相比,具有无线传输、网络容量大、传输速率相对较高、协议和占用频段免费的优点,它与DALI标准的结合可以满足集中控制、大规模组网、近似线性调光等要求。并且,由于全球金属价格上涨、电缆回收利用率不高等原因,无线通信已经成为今后网络控制的发基于ZigBee隧道照明无线控制系统研究和设计展方向。因此,针对工业智能控制设计的ZigBee在照明控制系统中的应用前景更加广阔【41。1.4课题的研究内容本课题的主要研究内容是根据公路隧道通风照明设计规范要求研究设计了基于ZigBee无线技术的无线隧道照明节能控制系统。照明灯具采用可调光的LED光源,结合基于ZigBee技术的无线模块CC2430搭建无线灯具网络,以及控制系统输入参数采集的无线传感器网络;系统通过传感器网络采集洞内外亮度,车速车流量作为控制输入参数,经监控计算机和本地控制器PLC共同实现隧道照明的实时调光控制。拟解决的关键问题如下1LED作为隧道照明灯具的优势及节能效益分析。2基于CC2430的LED无线灯具的研究设计。3整个控制系统的搭建设计,包括上位机,本地控制PLC以及无线传感器及灯具网络的组网研究及设计。4隧道照明模糊控制程序研究与设计。1.5本章小结本章首先指出了课题的来源,及其研究的内容和意义,然后概述了高速公路隧道照明的控制技术的发展状况,以及智能灯具的控制技术的研究现状,最后针对课题的要求及其隧道照明的发展趋势指出课题研究拟解决的关键问题。硕士学位论文第2章隧道照明无线控制系统总体设计高速公路隧道照明控制系统首要功能是提供合理舒适可靠的隧道照明,消除隧道的“黑洞’’和“白洞”效应,使行车人员安全通行高速公路隧道,保证隧道行车安全。但隧道照明也不是越亮越好,需要根据洞外环境,以及车辆信息,考虑人眼对光的适应特性,相应调整洞内照明亮度,才能提高隧道照明的舒适性和安全性。盲目加大照明亮度,不仅给行车安全带来隐患,而且造成资源能量的浪费,不符合设计规范及国家节能减排的政策要求【8】。设计根据隧道洞外环境和车辆信息实时调节洞内亮度的控制系统不仅能满足隧道照明安全舒适性要求,而且减少了资源能量浪费。2.1公路隧道照明设计要求隧道洞内和洞外的环境差别较大,由于人眼的对光的适应特性,行车进出隧道时会出现“黑洞”和“白洞“效应,另外洞内烟雾也将影响行车视距,因此隧道照明和普通道路照明差别很大。国外对隧道照明研究起步较早,照明设计规范已比较成熟,包括隧道建造结构,内壁材料,灯具选择和布置等等都做了详细规定。国内隧道照明系统都是按公路隧道通风照明设计规范来设计隧道照明控制系统。2.1.1公路隧道照明的特殊性隧道照明不同于一般道路照明,有其明显的特殊性,需要考虑人眼对光的适应特性。视觉对视觉环境内亮度变化顺应时的感受性称为适应,适应有明适应、暗适应两种。从暗处进入明亮环境时,视力的顺应为明适应;从明亮的环境进入暗处时,视力的顺应为暗适应。明适应所需时间短,暗适应所需时间长。在设计隧道照明时,要考虑到人的明适应和暗适应因素,重视过渡空间和过渡照明的设计。为了满足眼睛适应性要求,在隧道入口需作一段明暗过渡照明,以保证一定的视力要求。隧道出口处适应时间很短,可作较简单的处理。隧道照明不同于其它道路照明,存在以下几种特殊的视觉问题【9】1白天进入隧道前,由于隧道内外的亮度差别极大,从隧道外部去看,照明很不充分的隧道入口会有“黑洞’’现象。2白天进入隧道后,汽车由明亮的外部进入即使不太暗的隧道以后,要经过一定时间才能看清隧道内部的情况,这称为“适应滞后现象“。3隧道内部汽车排出的废气无法迅速消散形成烟雾,将汽车灯和道路照明
展开阅读全文
收藏
下载资源

加入会员免费下载





足球比分直播