基于物联网的高速公路隧道智慧照明节能系统设计

摘要

高速公路隧道照明耗电占高速公路运营成本的绝大部分，在实际运营中，隧道存在过度照明的情况。过度照明不仅不利于安全行车，还会造成电能的浪费。因此，研究如何解决高速公路隧道过度照明具有重要的理论意义和应用价值。
　　本文研究了解决隧道过度照明的方法，并设计了智慧节能系统。通过采集隧道外环境光照度以及隧道实时车流量，利用物联网技术，基于模糊控制思想实时控制隧道内的照明亮度，以实现“车流量高则多开灯、车流量低则少开灯”以及“隧道外光照度强则多开灯、隧道外光照度弱则少开灯”的控制效果，从而避免了过度照明，实现节能，确保行车安全。
　　首先，研究与设计了基于物联网的高速公路隧道智慧照明节能系统，包括照明节能系统的总体结构概述、隧道环境参数获取方法研究及照明节能系统的各子系统研究。
　　其次，详细讲述了各子系统的设计与实现，着重介绍光照数据采集系统中的基于STM32与Modbus协议的光照度感测器的设计与制作和基于Cortex-A9的嵌入式控制系统的设计。其中，光照度感测器部署于隧道内外，以采集实时亮度;基于A9的嵌入式控制系统用于调度控制各子系统，定时采集光照、照明能耗、车流等信息，且通过网络上传这些信息于远程服务器。
　　然后，研究了模糊控制理论，并基于模糊控制思想设计了基于模糊控制的隧道照明控制算法。利用嵌入式控制系统上传到服务器的数据，经过照明控制算法，实时控制隧道内的照明亮度，使隧道内光照度随隧道外光照度及车流量的变化而变化，从而实现节能。
　　最后，进行了系统功能测试以及能耗分析。测试了基于STM32与Modbus协议的光照度感测器各项功能;测试了嵌入式控制系统的数据采集、网络传输等功能;测试了基于网页的能耗平台的各项功能;测试了基于模糊控制的隧道照明节能控制算法的效果。通过对隧道内灯具的实际控制，利用控制前后的能耗数据进行能耗分析。由能耗分析，得到了系统控制运行稳定，节能效果较好，节能效率较高的结论，达到了设计期望。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主要研究内容

2．基于物联网的高速公路隧道智慧照明节能系统设计

2．1 高速公路隧道照明节能系统总体设计

2．2 高速公路隧道环境参数获取方法

2．2．1 光照度参数获取方式

2．2．2 车流参数获取方式

2．2．3 电能数据获取方式

2．3 光照数据采集系统设计

2．4 车流量数据采集系统设计

2．5 电能数据采集系统设计

2．6 嵌入式控制系统设计

2．7 数据展示平台设计

2．8 隧道照明模糊控制算法设计

2．9 本章小结

3．基于STM32与Modbus协议的光照度感测器设计

3．1 光照度感测器硬件设计

3．1．1 感测器电源模块设计

3．1．2 感测器数据采集模块设计

3．2 光照度感测器软件设计

3．2．1 基于STM32与Modbus协议的光照度感测器软件总体设计

3．2．2 光照度采集程序设计

3．2．3 温湿度采集程序设计

3．2．4 Flash存储程序设计

3．2．5 Modbus通信协议移植与设计

3．2．6 光照度感测器程序总体流程

3．3 光照度采集协议制订

3．3．1 初始化光照度感测器参数

3．3．2 修改感测器Modbus地址

3．3．3 修改感测器工作波特率

3．3．4 读感测器数据

3．4 本章小结

4．基于Cortex-A9的嵌入式控制系统设计

4．1．1 Exynos4412主板硬件介绍

4．1．2 uboot、kernel、文件系统的编译与烧写

4．2 基于Linux3．0．15的Linux应用层开发

4．2．1 多线程的接口实现

4．2．2 网络通信的实现

4．2．3 操作配置文件功能

4．2．4 基于sqlite的数据库构建及操作

4．2．5 定时读光照度感测器或智能电表功能

4．2．6 车流量串口监测功能

4．2．7 上传数据到服务器

4．3 基于Boa服务器的嵌入式管理平台开发

4．3．1 Boa服务器的移植

4．3．2 基于Linux的CGI程序设计

4．4 本章小结

5．基于模糊控制的高速公路隧道照明控制算法

5．1 模糊控制算法介绍

5．2 隧道原灯光照明控制系统

5．3 一种基于模糊控制的隧道照明控制算法设计

5．4 本章小结

6．高速公路隧道照明节能系统功能测试及节能分析

6．1 基于STM32与Modbus协议的光照度感测器测试

6．1．1 感测器读取数据测试

6．1．2 感测器初始化测试

6．1．3 修改从机感测器地址与波特率测试

6．2 基于ARM的光照度采集测试

6．3 基于ARM的车流信息采集结果测试

6．4 基于ARM的能耗信息采集结果测试

6．5 基于ARM的网络传输上报结果测试

6．6 基于Boa的嵌入式管理平台测试

6．7 基于网页的隧道能耗平台测试

6．8 基于模糊控制算法的隧道照明节能控制测试及能耗分析

6．9 本章小结

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢