LED灯隧道无级调光系统实施方案
一、总体方案
1、系统工作模式
调光系统的工作模式可以分为两种，一种为调光+监控模式，一种为调光模式。工作模式在主机软件上进行选择。
1) 调光+监控模式：主机软件可以通过发送不同的控制命令，改变隧道内灯具亮度；同时可以采集灯具的工作状态，以判断灯具电源或LED工作是否正常。 2) 调光模式：主机软件可以通过发送不同的控制命令，改变隧道内灯具亮度，但不能采集灯具的实时工作状态。 2、系统硬件实施方案 1) 调光+监控模式：
该模式需要灯具自带控制器进行灯具工作状态检测，整个系统可分为三级控制结构，如图1。 2) 调光模式
该模式不需要灯具自带控制器进行灯具工作状态检测，整个系统可分为两级控制结构，如图2。 3、系统各硬件部分说明 1) 调光+监控模式
该系统分为三级控制结构。 ① 控制中心主机软件：
通过主机软件对隧道现场的灯具亮度进行控制并实时采集灯具工作状态。 ② 区域控制器
通过接收主机软件的命令对灯具亮度进行控制，并实时采集灯具工作状态，上传至主机软件。
对于不同长度的隧道，区域控制器数量也不相同，不同区域控制器通过IP地址进行区分。
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区域控制器和监控计算机之间采用简单网络管理协议（SNMP）进行通讯。 网线 光纤转换器 光纤转换器 光纤转换器 光纤转换器 光纤转换器 光纤转换器 监控计算机 （主机软件） 网线 光纤
区域 控制器 区域 控制器 区域 控制器 区域 控制器 区域 控制器 RS485 灯具 控制器 灯具 控制器 灯具 控制器 灯具 控制器 灯具 灯具 控制器 灯具 控制器 灯具 控制器 灯具 控制器 灯具 灯具 控制器 灯具 控制器 灯具 控制器 灯具 控制器 灯具 图1 调光+监控模式系统硬件结构图
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网线 光纤转换器 光纤转换器 监控计算机（主机软件） 网线 光纤转换器 光纤 光纤转换器 光纤转换器 光纤转换器
区域 控制器 区域 控制器 区域 控制器 区域 控制器 区域 控制器 0-5V控制电压信号 灯具 灯具 灯具 灯具 灯具 灯具 灯具 灯具 灯具 灯具 灯具 灯具 图2 调光模式系统硬件结构图
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区域控制器和灯具控制器之间采用自定义串口协议（RS485总线），半双工查询方式。
区域控制器硬件采用工业级工控板，外加RS232/RS485转换器，可分四路RS485输出，每路最大理论节点数128。
③ 灯具控制器
灯具控制器安装在灯具上，通过RS485总线和区域控制器通讯，负责接收区域控制器的命令，改变灯具驱动电源的输出电流或将灯具工作状态返回区域控制器。
灯具控制器以工业级单片机为核心组成，调光部分选择PWM控制方式。状态采集部分进行电源工作状态及LED工作状态判断。 灯具控制器的电源供应由LED驱动电源提供。 ④ 光纤转换器
由于监控中心一般距隧道现场较远，直接网络传输仅能保证100m距离，因此在监控中心和区域控制器之间增加光纤转换器，将网络数据转换为光纤信号传输。
根据现场实际情况，若隧道现场已经有网络交换机，则区域控制器可直接连接到网络交换机上，不需要光纤转换器。若现场无网络交换机，可选择即插即用型工业以太网交换机或网管型工业以太网交换机（环网自愈型）。
2) 调光模式
该系统分为两级控制结构。 ① 控制中心主机软件：
通过主机软件对隧道现场的灯具亮度进行控制。 ② 区域控制器
通过接收主机软件的命令对灯具亮度进行控制。
对于不同长度的隧道，区域控制器数量也不相同，不同区域控制器通过IP地址进行区分。
区域控制器和监控计算机之间采用简单网络管理协议（SNMP）进行通讯。 区域控制器对灯具的控制采用0-5V直流电压信号，0V对应最高亮度（100%），5V对应最低亮度（0%）。
区域控制器硬件采用工业级工控板（自带D/A模块），外加0-5V控制信号驱动电
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路，可分四路输出，每路驱动电流不低于30mA，每路理论最大控制灯具数量400盏。
③ 光纤转换器 同调光+监控模式。 ④ 灯具控制器 灯具无控制器。
二、系统功能
1、兼容性要求
① 系统主机软件应兼容调光模式及调光+监控模式，在主机软件上可以进行选择系统工作在何种模式，为防止用户误操作，模式切换应设置权限。 ② 两种模式下的区域控制器硬件和软件可以不同。
③ 一套主机软件（即一台控制主机）可以控制多个洞的灯具，数量应不少于10个洞。
④ 考虑到控制和显示能够清晰，系统控制按隧道单洞进行区分，比如前义坪隧道在控制和显示上可分为前义坪左洞和前义坪右洞两个隧道洞。 2、调光+监控模式下的系统功能
① 主机软件应能够在初始化时录入隧道相关信息，至少应包括隧道名称（含左右洞）、出口方向、入口方向、隧道长度、设计车速、设计车流量、洞外亮度等。 ② 主机软件应能够在初始化时录入所有隧道洞使用的区域控制器相关信息，至少应包括区域控制器IP地址、每条支路控制的灯具数量、每条支路所属隧道区段（比如入口段、过渡段等）。
【区域控制器的同一条支路原则上只能控制同一区段的灯具，但同一区域控制器的不同支路可以分别控制不同区段的灯具】 ③ 主机软件应能够在初始化时录入所有控制灯具的相关信息，至少应包括该灯具所属区域控制器IP、所属区域控制器的支路、所属隧道区段、灯具逻辑地址、灯具物理地址、灯具电源状态、灯具LED状态、灯具工作时间、灯具调光参数等。
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【灯具电源状态、灯具LED状态、灯具工作时间、灯具调光参数在初始化时可不填入具体值；灯具逻辑地址在区域控制器的不同支路可以重复；灯具物理地址应考虑系统容量，至少应为2字节】
④ 主机软件应支持灯具数量增加或减少功能。
⑤ 主机软件应支持将区域控制器所控制灯具的相关信息下传至区域控制器的功能，在主机软件上进行的所有灯具数量及信息改动都可以自动下传至对应的区域控制器。
⑥ 主机软件的调光方式应包括手动模式、自动时控模式、自动光控模式，三种模式可以在软件中灵活选择。
⑦ 主机软件的手动调光模式应支持以下功能： ★ 预设方案功能
可预先录入多个预设方案，每个方案可对隧道各个区段的亮度进行提前设置，选择不同方案后，整个隧道的亮度同时进行改变。 预设方案数量不少于8个。 ★ 区段调光功能
可选择隧道的某个区段进行调光，设置调光参数后，该区段的所有灯具统一调整至设定亮度。
★ 区域控制器调光功能
可选择隧道的某个区域控制器进行调光，设置调光参数后，该区域控制器下的所有灯具统一调整至规定亮度。
还可选择区域控制器的某条支路进行调光，设置调光参数后，该支路下的所有灯具统一调整至规定亮度。 ★ 单灯调光功能
可选择隧道内的某盏灯具进行调光，设置调光参数后，该灯具调整至规定亮度
【主要用于测试】。 ⑧ 主机软件的自动时控模式能够在选择不同的预设方案后，根据方案中的时间段自动调整隧道亮度。
预设方案的数量不少于8个。
每个预设方案的时间段应不少于5段。
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每个洞的预设方案可以不同。
⑨ 主机软件的自动光控模式应支持以下功能： ★ 亮度采集设备设置在隧道现场。
★ 根据现场实际状况，即隧道之间的距离长短，系统中可以有任意个亮度采集设备。
★ 在软件中可以将多个亮度采集设备分配至不同的隧道，即隧道亮度控制应使用哪台亮度采集设备的参数。
★ 亮度采集设备联接在独立的控制器上，该控制器和其他区域控制器组成光纤环网，亮度参数传回主机软件。
★ 自动光控模式应可以在软件中设置调光关系，即采集到不同洞外亮度时，隧道内各区段应调整至何种亮度。 以入口段为例： 洞外亮度（设备返回值） 0 50 100 200 2000
每个区段至少可以分为5个亮度档进行调节，洞外亮度指设备返回值，区段亮度为亮度比例。
★ 为避免在亮度边界处频繁调整，应进行软件过滤。
⑩ 主机软件应能够清晰显示所管理的所有灯具的实时状态，可在界面上采用图例或统计表的形式显示。出现故障灯具时应具有提示功能，故障灯具超过一定数量时应声音报警（故障灯具数量上限可以在软件中设置）。
区段 入口段 入口段 入口段 入口段 入口段 区段亮度（100%） 10 20 40 70 100 【灯具状态应分为：正常、电源故障、LED故障、通信故障】 ? 主机软件应能根据灯具逻辑地址和物理地址计算出故障灯具在隧道内的位置，
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以里程号形式显示。为实现本功能，主机软件应能录入不同区段灯具之间的物理间距，同时应能录入隧道入口第一盏灯具的起始里程号。
? 主机软件应能够清晰显示所管理的所有区域控制器的实时状态，可在界面上采用图例或文字的形式显示。出现故障区域控制器时应声音报警。 ? 主机软件根据灯具的实时状态，应能够统计每盏灯具的工作时间。
? 在区域控制器和主机软件通讯中断时，区域控制器可以按照预设的调光方案进行控制，因此主机软件应具有将区域控制器预设调光方案下传的功能。
预设调光方案应在主机软件上设置完成后再下传到区域控制器，注意：不同区域控制器的预设方案可能不同，预设方案应包括对区域控制器所有支路的调光参数进行设置。
? 主机软件应支持灯具信息查询功能，在输入灯具的某个属性后，应能够查询出相关的其他信息。
例如：输入某隧道右洞的“入口段”，可以查询出该洞入口段所有灯具的其他信息。
? 主机软件应具有操作权限控制功能。
? 主机软件应具有将灯具和区域控制器相关数据库备份功能，并能转换为EXCEL格式导出。
3、调光模式下的系统功能
① 主机软件应能够在初始化时录入隧道相关信息，至少应包括隧道名称（含左右洞）、出口方向、入口方向、隧道长度、设计车速、设计车流量、洞外亮度等。 ② 主机软件应能够在初始化时录入所有隧道洞使用的区域控制器相关信息，至少应包括区域控制器IP地址、每条支路控制的灯具数量、每条支路所属隧道区段（比如入口段、过渡段等），每条支路的调光参数等。
【区域控制器的同一条支路原则上只能控制同一区段的灯具，但同一区域控制器的不同支路可以分别控制不同区段的灯具】 ③ 主机软件应支持灯具数量增加或减少功能。
④ 主机软件的调光方式应包括手动模式、自动时控模式、自动光控模式，三种模式可以在软件中灵活选择。
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⑤ 主机软件的手动调光模式应支持以下功能： ★ 预设方案功能
可预先录入多个预设方案，每个方案可对隧道各个区段的亮度进行提前设置，选择不同方案后，整个隧道的亮度同时进行改变。 预设方案数量不少于8个。 ★ 区段调光功能
可选择隧道的某个区段进行调光，设置调光参数后，该区段的所有灯具统一调整至规定亮度。
★ 区域控制器调光功能
可选择隧道的某个区域控制器进行调光，设置调光参数后，该区域控制器下的所有灯具统一调整至规定亮度。
还可选择区域控制器的某条支路进行调光，设置调光参数后，该支路下的所有灯具统一调整至规定亮度。
⑥ 主机软件的自动时控模式能够在选择不同的预设方案后，根据方案中的时间自动调整隧道亮度。
预设方案的数量不少于8个。
每个预设方案的时间段应不少于5段。 每个洞的预设方案可以不同。
⑦ 主机软件的自动光控模式应支持以下功能： ★ 亮度采集设备设置在隧道现场。
★ 根据现场实际状况，即隧道之间的距离长短，系统中可以有任意个亮度采集设备。
★ 在软件中可以将多个亮度采集设备分配至不同的隧道，即隧道亮度控制应使用哪台亮度采集设备的参数。
★ 亮度采集设备联接在独立的控制器上，该控制器和其他区域控制器组成光纤环网，亮度参数传回主机软件。
★ 自动光控模式应可以在软件中设置调光关系，即采集到不同洞外亮度时，隧道内各区段应调整至何种亮度。
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以入口段为例： 洞外亮度（设备返回值） 0 50 100 200 2000
每个区段至少可以分为5个亮度档进行调节，洞外亮度指设备返回值，区段亮度为亮度比例。
★ 为避免在亮度边界处频繁调整，应进行软件过滤。
⑧ 主机软件应能够清晰显示所管理的所有灯具的实时调光参数，可在界面上采用图例或文字的形式显示。
⑨ 主机软件应能够清晰显示所管理的所有区域控制器的实时状态，可在界面上采用图例或文字的形式显示。出现故障区域控制器时应声音报警。 ⑩ 主机软件根据灯具的调光状态，应能够统计每个支路灯具的工作时间。 ? 在区域控制器和主机软件通讯中断时，区域控制器可以按照预设的调光方案进行控制，因此主机软件应具有将区域控制器预设调光方案下传的功能。
预设调光方案应在主机软件上设置完成后再下传到区域控制器，注意：不同区域控制器的预设方案可能不同，预设方案应包括对区域控制器所有支路的调光参数进行设置。
? 主机软件应具有操作权限控制功能。
? 主机软件应具有将灯具和区域控制器相关数据库备份功能，并能转换为EXCEL格式导出。
区段 入口段 入口段 入口段 入口段 入口段 区段亮度（100%） 10 20 40 70 100 - 10 -
4、调光其他要求及说明
① 为避免隧道内亮度突然变化对行车安全造成影响，任何时候调光时，必须采用渐变方式，逐步从当前亮度调整至目标亮度，调整的次数和每次间隔时间可以在软件中设置（总延时时间可以控制在8s内）。
② 为实现上述功能，系统应在数据库中记忆当前亮度参数。
③ 系统中调光参数为8位编码，最多可分为256级，编码0-255线性对应了电源0-100%的输出电流。但0-100%电流输出并不线性对应0-100%亮度，为使控制更加准确，在软件中可以设置调光编码和亮度输出比例的对应表，如下：
调光编码 0 1 2 3 255
上表中调光编码为0-255，亮度比例可以在软件中随时修改，以符合实际情况。该表适合系统中所有区段、所有灯具，因此只需要一张表。
④ 系统中所有调光方案中的亮度设置参数均按照亮度比例进行，然后通过查表确定目标亮度对应的调光编码。
亮度比例（%） 0 2% 4% 5% 100% - 11 -
三、灯具控制器功能及实施方案
1、接收写地址编码功能
① 灯具控制器在投入使用前必须先进行地址编码，包括逻辑地址和物理地址。 ② 所有同一条485总线上的灯具控制器逻辑地址编码不得重复，整个系统中任何灯具的物理地址不得重复。
③ 逻辑地址编码和物理地址编码均从1开始，不得从0开始，单片机若接收到0地址编码则不予执行。
④ 逻辑地址编码范围为0x01-0xFF，一个字节。物理地址编码范围为0x0001-0xFFFF，两个字节，高字节在前。
⑤ 灯具控制器的逻辑地址和物理地址存放在单片机的FLASH中，以确保掉电后不丢失。
⑥ 具体操作见通信协议。 2、接收调光群控功能
① 群控模式下，一条485总线上的所有灯具统一调整至某一亮度（或关闭）。 ② 群控模式除命令字不同外，灯具控制器地址必须为0x00，否则拒绝执行。 ③ 群控模式不需要灯具控制器回复。 3、接收单灯调光功能
① 单灯调光模式下，一条485总线上的某个灯具调整至某一亮度（或关闭）。 ② 单灯调光模式需要灯具控制器回复，回复时将原命令直接返回。 4、状态上传功能
① 在接收到区域控制器的查询命令后，灯具控制器需要将本机的调光状态、LED状态及电源状态上传。
② 考虑到单片机EEPROM的可擦写次数限制，上述灯具状态存放在单片机的RAM中。
③ 单片机应循环对LED及电源状态进行检测，实时更新RAM中的状态数据。若区域控制器已经发送命令关闭灯具照明，则跳过对LED的状态检测。
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5、调光保护
若灯具控制器和区域控制之间的通讯间隔时间超过10分钟，则灯具控制器自动将灯具亮度调至最大【若灯具处于关闭状态则先打开，再调整至最亮】。
时间计算如下：
按照最长命令14字节，2400bps计算，1个灯具需要耗时为14*10/2400=58.3ms，假设一台区域控制器最多控制500盏灯，轮询一次时间为58.3*500=29.15s。
考虑到每次数据交换需要一定延时，实际轮询时间可按3倍计算，约为87.5s。 考虑到区域控制器还需要和监控计算机进行数据交换，以及在轮询过程中可能还会插入其他临时控制操作，因此最终最大轮询间隔时间确定为10分钟。
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四、区域控制器和灯具控制器之间的通信协议
通讯波特率暂定为2400bps，帧结构为10位，包括1位起始位，8位数据位，1位停止位。 1、调光群控 1）区域控制器发送 起始字 0x5A 说明：
① 起始字为0x5A，表示命令开始。 ② 命令字0x05表示调光群控。
③ 灯具控制器地址必须为0x00【实际设置中，所有灯具控制器地址应从0x01开始，不得设置为0x00】。
④ 调光数据为0x00-0xFF， 0x00表示关闭照明，0x01-0xFF线性对应1%-100%亮度。
⑤ 校验和指将命令字+灯具控制器地址+调光数据计算后的结果，为1个字节，超出部分溢出。
⑥ 结束字为0xA5，表示命令结束。 ⑦ 本命令不需要灯具控制器回复。
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命令字 0x05 灯具控制器地址 0x00 调光数据 0x00-0xFF 校验和 0xXX 结束字 0xA5
2、单灯调光 1）区域控制器发送 起始字 0x5A 说明：
① 起始字为0x5A，表示命令开始。 ② 命令字0x0A表示单灯调光。
③ 灯具控制器地址为0x01-0xFF【指本机地址】。
④ 调光数据为0x00-0xFF， 0x00表示关闭照明，0x01-0xFF线性对应1%-100%亮度。
⑤ 校验和指将命令字+灯具控制器地址+调光数据计算后的结果，为1个字节，超出部分溢出。
⑥ 结束字为0xA5，表示命令结束。 ⑦ 本命令需要灯具控制器回复。
2）灯具控制器回复 起始字 0x5A 说明：
① 起始字为0x5A，表示命令开始。 ② 命令字0x0A表示单灯调光。
③ 灯具控制器地址为0x01-0xFF【指本机地址】。
④ 调光数据为0x00-0xFF， 0x00表示关闭照明，0x01-0xFF线性对应1%-100%亮度。
⑤ 校验和指将命令字+灯具控制器地址+调光数据计算后的结果，为1个字节，超出部分溢出。
⑥ 结束字为0xA5，表示命令结束。
命令字 0x0A 灯具控制器地址 0x01-0xFF 调光数据 0x00-0xFF 校验和 0xXX 结束字 0xA5 命令字 0x0A 灯具控制器地址 0x01-0xFF 调光数据 0x00-0xFF 校验和 0xXX 结束字 0xA5 - 15 -
3、单灯状态查询 1）区域控制器发送 起始字 0x5A 说明：
① 起始字为0x5A，表示命令开始。 ② 命令字0x50表示单灯状态查询。
③ 灯具控制器地址为0x01-0xFF【指本机地址】。
④ 校验和指将命令字+灯具控制器地址计算后的结果，为1个字节，超出部分溢出。
⑤ 结束字为0xA5，表示命令结束。 ⑥ 本命令需要灯具控制器回复。
2）灯具控制器回复 起始字 命令字 0x5A 0x50 灯具控制 器地址 调光状态 LED状态 电源状态 校验和 0xXX 结束字 0xA5 命令字 0x50 灯具控制器地址 0x01-0xFF 校验和 0xXX 结束字 0xA5 0x01-0xFF 0x00-0xFF 0x55/0xAA 0x55/0xAA 说明：
① 起始字为0x5A，表示命令开始。 ② 命令字0x50表示单灯状态查询。
③ 灯具控制器地址为0x01-0xFF【指本机地址】。 ④ 调光状态为0x00-0xFF，指目前灯具执行的调光数据。 ⑤ LED状态为0x55或0xAA，0x55表示正常，0xAA表示故障。 ⑥ 电源状态为0x55或0xAA，0x55表示正常，0xAA表示故障。
⑦ 校验和指将命令字+灯具控制器地址+调光状态+ LED状态+电源状态计算后的结果，为1个字节，超出部分溢出。
⑧ 结束字为0xA5，表示命令结束。
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4、写灯具控制器编码 1）区域控制器发送 起始字 命令字 灯具控制器 逻辑地址 0x01-0xFF 灯具控制器 物理地址 0x00-0xFF0x01-0xFF（高字节） （低字节） 0xXX 校验和 结束字 0x5A 说明：
0xA0 0xA5 ① 起始字为0x5A，表示命令开始。 ② 命令字0xA0表示写灯具控制器编码。
③ 灯具控制器逻辑地址为0x01-0xFF【指本机逻辑地址】。
④ 灯具控制器物理地址为0x0001-0xFFFF，分高低字节，高字节在前，低字节在后【指本机物理地址】。
⑤ 校验和指将命令字+灯具控制器逻辑地址+灯具控制器物理地址高字节+灯具控制器物理地址低字节计算后的结果，为1个字节，超出部分溢出。
⑥ 结束字为0xA5，表示命令结束。 ⑦ 本命令需要灯具控制器回复。
2）灯具控制器回复 起始字 命令字 灯具控制器 逻辑地址 0x01-0xFF 灯具控制器 物理地址 0x00-0xFF0x01-0xFF（高字节） （低字节） 0xXX 校验和 结束字 0x5A 说明：
0xA0 0xA5 ① 起始字为0x5A，表示命令开始。 ② 命令字0xA0表示写灯具控制器编码。
③ 灯具控制器逻辑地址为0x01-0xFF【指本机逻辑地址】。
④ 灯具控制器物理地址为0x0001-0xFFFF，分高低字节，高字节在前，低字节在后【指本机物理地址】。
⑤ 校验和指将命令字+灯具控制器逻辑地址+灯具控制器物理地址高字节+灯具
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控制器物理地址低字节计算后的结果，为1个字节，超出部分溢出。
⑥ 结束字为0xA5，表示命令结束。
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