引言
高速公路作为交通和公共服务设施， 在我国现代化建设中发挥着极其重要的作用。 对于我国多山地区的高速公路，隧道和桥梁是高速公路建设中的重头戏， 其隧道照明系统也就成为高速公路建设、运行和维护的重大经济成本投入，对社会的经济发展产生了负面影响。
隧道建设是实现高速公路的重要方法及手段。而有效的隧道照明是保证高速公路行车安全的关键。 目前，高速公路隧道照明系统是根据我国于 2000 年 1 月发布的 《公路隧道通风照明设计规范》（简称《规范》）进行设计的。 我们的设计是结合《规范》做 LED 隧道灯节能照明控制系统研究，实行“根据隧道内外光照强度自动调光；车近灯亮、车过灯灭；较长隧道分段照明”，以实现最大限度节能减排的社会效益及降低公路运行成本的经济效益。
1.隧道智能照明系统简介
高速公路 LED 隧道灯节能照明控制系统，其组成由运行于 PC 上位机和分布于隧道内的各个路段的节点组成。各节点的作用：①负责某一路段信息的采集（温度、湿度、光强）；②通过传感器（金属检测器、超声波传感器等）来检测有无车辆经过；
③当有车辆来时负责点亮本段 LED 灯，并将此消息发送给它的下一个节点；④当节点收到上一个节点的消息时，如果过 2s 后仍未检测到车辆经过，则发出报警。PC 上 位机的作用 ：①接受节点采集来的信息 ，并 显示出来 ；②当上一个节点检测到车辆经过， 而下一个节点直到 2s 后仍未检测到车辆，那么上位机将发出报警，给实时监控人员。提示车辆可能因某种原因停在那一路段，并做相应的应急处理。控制方案如图 1 所示：
2.系统设计方案
2.1 软件部分
2.1.1 节点的软件设计
节点作为这个系统最基本的单元，就像神经元对于我们人体的神经系统一样。由此可见对于能否达到我们智能照明的目的，节点的开发是至关重要的。 本系统中除去隧道的入口段和出口段的节点，其余节点均是相同的。 对于节点的开发，我们采用 stm32f103vet6 这款芯片。 其特点是：①可以选择固件库开发，不必接触底层寄存器，大大缩短开发周期，降低开发难度。②性价比高。③功能丰富，工控、小嵌入式均能胜任。
这里我们仅以某节点的一个初步模型做示范，而实际应用中还需要在此基础上添加一些辅助部件（如金属检测器、LED 灯具等）。主函数的程序，用 Keil4 编写出相应的程序代码，包括相应的外部部件信号的初始化，关键程序代码如下：
while(NRF24L01_Check())//检测不到 24L01{delay_ms(500)；LED1=！ LED1；//DS0 闪烁}.....while(1){.....tmp_buf[4]=CAR；if(CAR==0){LED0=1；countdown=10； //灯亮 20s}}.....
2.1.2 无线通信模块的工作原理
前文中提到节点与上位机的通信是通过 nrf24l01 实现的， 其中关键是对 nrf24l01 的初始化。 nRF24L01 是一款工作在 2.4-2.5GHz世界通用 ISM 频段的单片无线收发器芯片。 无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。 输出功率频道选择和协议的设置可以通过 SPI 接口进行设置。 几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。
这里给出 24l01 的关键程序，（对于具体函数的的实现代码，在此不再详细叙述）
u8 NRF24L01_Write_Buf(u8 reg， u8 *pBuf， u8 u8s)；//写数据区
u8 NRF24L01_Read_Buf(u8 reg， u8 *pBuf， u8 u8s)；//读数据区
u8 NRF24L01_Read_Reg(u8 reg)；//读寄存器
u8 NRF24L01_Write_Reg(u8 reg， u8 value)；//写寄存器
u8 NRF24L01_Check(void)；//检查 24L01 是否存在
u8 NRF24L01_TxPacket(u8 *txbuf)；//发送一个包的数据
u8 NRF24L01_RxPacket(u8 *rxbuf)；//接收一个包的数据
2.1.3 上位机的开发
对于上位机，我们采用 Visual Studio2010(简称 VS2010)进行开发。 上位机是本系统实现人机交互的关键部分。 其具体功能是：①显示各个节点采集到的信息（温度、适度、光照强度）；②显示各个节点是否有车辆经过；③例如，当 n 号节点采集到有车辆经过，而经过 2s后 n+1 号节点仍未检测到车辆经过，则在上位机界面发出报警。 ④当有多个节点均检测到车辆时则说明“车流量大”，此时各路段均点亮路灯。
开发的上位机界面如图 2 所示；其程序流程图如图 3 所示：
2.2 硬件部分
节点主控芯片采用stm32f103vet6，其内核是ARMCortexTM-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APA总线的外设。该芯片包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、1个USB和1个CAN。
因此，只需要将温度传感器、湿度传感器、金属传感器等与stm32f103vet6连接即可。
nRF24L01采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst协议；可以实现点对点或是1对6的无线通信；无线通信速度可以达到2M（bps）。NORDIC公司提供通信模块的GERBER文件，可以直接加工生产，只需要为单片机系统预留5个GPIO、1个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能。
3.实际测试数据及性能分析
我们以已开发的2个节点做一些实际测试进行分析：第一种情况，n号节点和n+1号节点都检测到有车辆经过；第二种情况，n号节点检测到车辆，而n+1号未检测到；第三种情况，当多个节点都检测到车辆时，说明隧道内车流量过大。
由图3和图4所示，不难发现对于此演示模型可以实现：①车近灯亮，车过灯灭。②当前一个节点检测到车辆，而经过2s后下一个节点未检测到车辆则发出报警。③当车流量过大时，n号节点和n+1号节点控制各路段LED灯亮。④实时的采集周围环境的温度、湿度、光强度。
4.结束语
本文通过对节点的软件部分和硬件部分的设计，已达到对过往车辆的检测和周围环境的信息采集。而当车辆因某些原因停靠时则发出报警信息，并将这些信息反馈给监控人员，监控人员以此来做出及时的应对措施。 当车流量过大时，各拥塞路段的节点根据环境的亮度只对该路段做亮度调整。
通过无线模块，实现节点与上位机的通信。 以便监控人员能及时处理各种应急状况（车辆因故停靠、路段拥塞等）。 对于已修建好的隧道来说，通过无线的方式无疑节省了安装成本，缩短了安装周期，同时也节省了系统运行和维护的成本。
(审核编辑: Doris)
