基于CAN总线的道路照明控制系统设计与实现[1]

　　近年来随着国内城市化进程的快速发展，道路照明设施的规模和数量迅速扩大，道路照明耗电迅速上升，且存在较严重的用电浪费现象。传统的城市道路照明系统一般由专用的回路箱对回路中的高压钠灯统一控制，实现回路内整体开关，不能对回路中的单个路灯进行单点控制，灵活性较差，同时钠灯供电电压高，耗电量大且需要配备镇流器，不同时段下城市用电负荷的变化也会影响高压钠灯的使用寿命，因此还需要对回路电压进行调整。此外，由于缺乏有效的监测手段，不能根据路面实际状况进行“按需照明”。如今，在对道路照明的质量标准提出要求的同时，如何有效降低能源消耗也成为了新的研究方向[1]。目前部分地区为节能降耗，实行“半夜灯”制度，通过采取“亮一隔一”的方式关闭部分路灯，但是破坏了路面照度均匀度，对于交通安全和社会治安十分不利。为了有效实现回路内单点控制，并且提高数据传输的实时性和可靠性，采用CAN 总线进行报文传输，以LED 光源代替高压钠灯，实现串行通信网络中的分布式控制，摆脱了传统RS485 总线主站轮询的通信方式，并且有效节约能源。在控制策略上同时综合考虑时间、路段、环境照度和交通流量等场景因素，按照预设的TPO 控制策略[2]，最大限度实现信息交互。

　　1 道路照明控制系统

　　基于CAN 总线的道路照明控制系统的组成原理图如图1 所示。该系统主要由底层CAN 节点控制器部分和计算机监控部分组成，节点控制器分为子节点路灯控制器( RTU) 和主节点回路控制器( LTU) ，底层总线采用普通双绞线作为通信介质。在传感器模块中，各节点上配置磁传感器( 或压力传感器) 用于检测车辆信息，照度传感器采集照度信息。同时回路定时采集电流、电压、功率因数等电参数，各节点LED 调光电路可设定多个等级的路灯亮度。通过CAN 总线实现路灯子节点之间，以及子节点与主节点之间的信息通信。

　　计算机监控部分负责控制策略的调整。主节点回路控制器向计算机监控部分上传状态参数，存储到数据库中，计算机比对正常数据，对回路中的异常情况进行判断，确定异常位置，向主节点发送控制指令。系统

　　功能:

　　① 监控交通流量和天气情况;

　　② 单灯故障检测;

　　③ 监控电能消耗;

　　④ 控制电流实现单灯调光;

　　⑤ 在确保功效的前提下，合理调整亮灯数量和

　　时间。

　　2 车辆信息控制的工作原理

　　主节点按照TPO( time place occasion) 控制策略，对多种策略进行融合，以LED 灯为控制对象。主要的控制策略包括:

　　① 分时段时间控制。针对不同时段的照明需求，采用等级化照明亮度，在夜晚繁忙时段控制所有路灯保持高亮，在接近午夜时因车流量稀少，调整路灯为较低亮度，为近一步实现智能照明，还可以开启车辆信息

　　控制模式，检测车辆通过信息调整亮度;

　　② 环境参数控制。根据光照、交通流量等实际的环境参数调整照明控制，以获得更好的照明质量和节电效果，例如在天气不佳、能见度较低的情况下提前开启路灯，或者监测到车辆流量在某一时段内突变( 激增) ，及时调整路灯为高亮以应急。

　　③ 组群控制[1]。处于同一照明回路中的不同路灯，由于所处的位置不同，对其照明亮度的需求可能也不同，利用LED 单灯控制的特点，可以指定回路中的某些子节点组成组群，实现不同的场景控制。例如某些节点仅使用时间控制策略，某些节点使用车辆信息控制策略，而对关键路段的子节点( 例如警示灯、景观灯) 则不调整，始终保持高亮。

　　④ 车辆信息控制。车辆信息控制策略与传统照明策略相比，更好地体现出“按需照明”的特点，主动感知道路上的车辆情况，调整当前路段亮度，并引入对下一路段照明需求的预判机制，在车辆未行至前，提前调整路灯亮度为高亮。

　　本文重点介绍车辆信息控制策略的实现方式，该方式依据车辆大致位置和行进方向进行闭环控制，可以对前方路段进行照度调节。系统主节点回路控制器首先请求各子节点车辆通过信息，并对车辆信息进行综合，判断当前回路中哪些节点位置有车辆通过，在该位置和车辆行驶的下一路段位置处，请求路灯亮度信息，判断子节点的路灯亮度是否为高亮状态，对亮度为低亮的路灯子节点发送亮度调整信息，使其变为高亮以配合车辆行驶，而暂不影响与车辆行驶无关的其他子节点，实现单灯控制，控制效果如图1 所示。

　　当主节点发送带有某一ID 标识符的车辆信息请求帧时，若在各个子节点内均定义了该ID 标识符，则子节点均可接收到该车辆信息请求帧。若多个子节点同时检测到有车辆通过，主节点中的接收车辆信息报文对象可通过设定屏蔽位，并根据CAN 的无破坏性位仲裁机制[3]，依次接收多个子节点的报文信息。子节点亮度信息的请求与发送方式类似于车辆信息。各个子节点均可接收单点亮度控制帧，在数据段中可判断与自己的地址是否一致，如果一致则修改当前的路灯亮度。

　　3 节点控制器的组成

　　节点控制器采用英飞凌16 位微处理器XE164FM[4 - 5]，其中MultiCAN 模块具有4 个独立CAN节点，多达128 个独立消息对象( message object) ，数据传送速率最高达1 Mbit /s，外设部分包括CAN 收发器模块、串口通信模块、LED 调光电路模块、车辆传感器模块、电源模块、照度传感器模块接口、LCD 显示模块

　　接口， JTAG 在线调试接口等，如图2 所示。

　　CAN 收发器采用IFX1050G，通过定时器GPT1 模块可产生不同占空比的PWM 波，通过IO 输出PWM波到LED 调光模块设定路灯亮度。T2 在T3 定时溢出后发生上升沿跳变时触发，将T2 寄存器重载到T3 定时器，T4 在T3 定时溢出发生下降沿跳变时触发，将T4 寄存器中的内容重载到T3 寄存器。设定值与亮度如表1 所示。