太陽能無線信號系統(tǒng)設計方案

摘 要：介紹了一種基于主從分布式體系結構的太陽能無線信號系統(tǒng)，通過將太陽能供電技術與無線通訊技術結合應用于交通信號控制，從而真正實現(xiàn)了路口各方向分機的無線分布式控制。該系統(tǒng)采用了方案發(fā)送應答式無線通訊協(xié)議，運用了多種自我診斷恢復設計方法，使其具備了抗雷擊、抗干擾、自組織、自恢復能力，可靠性較高；系統(tǒng)各分機間無需電纜連接，不再使用市電供電，大大降低了建設運行成本。實際應用表明：該系統(tǒng)能夠滿足交通信號控制節(jié)能、安全可靠、高性價比的要求，為城市交通安全暢通提供保障。

關鍵詞：主從分布式體系結構，太陽能供電，無線信號系統(tǒng)，自我診斷恢復，抗干擾

1 引言

　　隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源短缺問題日益成為各行各業(yè)關注的焦點。太陽能、風能等新能源正越來越廣泛地應用在各個領域，并且所占據(jù)的比重份額逐漸增大。作為太陽能在交通管理領域應用的新成果，杰瑞太陽能無線信號系統(tǒng)應運而生了。這一系統(tǒng)解決了兩個重要的問題:一是由于應用了太陽能供電技術，不再需要市電供電，更節(jié)能更環(huán)保；二是由于將無線通訊技術和太陽能供電技術相結合，實現(xiàn)了系統(tǒng)的分布式控制，系統(tǒng)各分機之間不再需要任何電纜連接，從而省去了埋管、布線等一系列工程成本，使信號控制系統(tǒng)的總體成本大大降低，真正做到了省時、省力、省錢?？梢灶A見，應時代潮流而生的杰瑞太陽能無線信號系統(tǒng)將會給交通信號控制系統(tǒng)的變革帶來新的模式。

　　 太陽能無線信號系統(tǒng)的產(chǎn)生經(jīng)歷了一個探索、創(chuàng)新的過程。在立項之初，國內(nèi)外沒有成熟的先例可循，早期的無線信號系統(tǒng)采用的無線通訊技術相對落后：通訊誤碼率高，通訊距離有限，通訊的可靠性很難保證，更重要的是沒有與太陽能供電技術結合起來的無線信號系統(tǒng)因為需要電源引線而無法真正發(fā)揮其無線的優(yōu)勢，也沒有節(jié)能環(huán)保的比較優(yōu)勢。經(jīng)過對系統(tǒng)的充分理解，并在實驗了多種無線技術的基礎上，我們在數(shù)種方案中選定了以無線通訊組件配合無線通訊協(xié)議實現(xiàn)無線通訊控制，以成熟的太陽能供電技術為基礎結合無線設計共同實現(xiàn)無電纜連接的分布式控制系統(tǒng)的設計方案。經(jīng)過多次的現(xiàn)場驗證試驗和不斷的改進，太陽能無線信號系統(tǒng)實現(xiàn)了無線通訊的自組織、自檢測、自恢復功能，實現(xiàn)了太陽能供電系統(tǒng)的充放電控制和保護功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)無線分布式高可靠控制的設計目標。下面將就這一系統(tǒng)的特點和設計思路做詳細介紹。

2 系統(tǒng)構成和特點

2.1 系統(tǒng)構成

　　 全系統(tǒng)由分布于四個方向的信號控制設備和太陽能電源設備組成，四個方向分別由一個主機和三個從機控制（從機數(shù)目可應實際路口情況選擇）。主機方向設備為太陽能電源設備、主機和控制箱、太陽能信號燈；從機方向設備為太陽能電源設備、從機、太陽能信號燈。

2.2 系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)進行了多項創(chuàng)新設計，其主要設計特點包括：

　　全系統(tǒng)采用主從分布式體系結構設計。一主多從，從機數(shù)目在0-3之間任選。主機和從機分別控制不同方向上的多組信號燈。各分機采用太陽能獨立供電，主從機間采用無線控制，各分機之間不再需要任何電纜連接，大大節(jié)省工程費用。

　　系統(tǒng)采用太陽能分布式供電技術。太陽能供電分系統(tǒng)實現(xiàn)了太陽能電池板、蓄電池和負載之間的充放電控制功能，具備欠壓保護、過充電保護、滯回啟動、滯回充電等控制功能。有效延長蓄電池壽命，提升可靠性。由于采用太陽能供電，不再需要市電供電，系統(tǒng)既節(jié)能又環(huán)保。

　　主從機之間采用無線通訊技術進行控制。通過高可靠、高抗干擾和自重置功能的無線通訊組件結合完善的通訊協(xié)議有效實現(xiàn)了系統(tǒng)無線控制。

　　系統(tǒng)無線通訊協(xié)議采用方案發(fā)送應答式結合周期巡檢的方法，同時具備多種通訊故障診斷糾錯能力，包括：報文出錯重發(fā)、看門狗限時重置、報文頭尾自恢復設計、系統(tǒng)限時重置等自我診斷恢復設計，能有效屏蔽雷擊、無線電等外來信號干擾。

　　系統(tǒng)具備自組織、自檢測、自恢復功能。當主機或從機出現(xiàn)斷電、通訊故障、控制故障等情況時，系統(tǒng)能自動進入黃閃狀態(tài)，當太陽能供電恢復或故障排除后，系統(tǒng)能自動恢復正常運行狀態(tài)。

　　全系統(tǒng)采用節(jié)電設計，主從機啟動后即進入省電模式，信號燈亦采用節(jié)能LED設計。

　　擁有專利技術的人機界面，操作方便快捷。用戶無須參照使用說明書，即可按照菜單提示完成各種設置。

3 系統(tǒng)軟硬件設計概要

3.1 無線通訊協(xié)議的設計概要

　　 無線通訊協(xié)議的設計是系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容，在本系統(tǒng)的設計中我們采用了許多措施來確保協(xié)議的嚴密、安全、可靠，實現(xiàn)了自組織、自檢測、自恢復功能。其設計要點如下：

　　異步串行通訊??? 波特率9600bps，1起始位、8位數(shù)據(jù)位、1停止位，奇校驗；
　　開機校驗　　? 開機后，向所有從機發(fā)送校驗信號；
　　方案發(fā)送　　? 將運行方案發(fā)給所有從機；
　　故障診斷處理??? 對各種偶然和短時通訊故障進行應急處理；
　　校時和巡檢　　對各從機進行校時應答，同時實現(xiàn)巡檢，處理長時故障。

3.2 系統(tǒng)主機設計概要

3.2.1 主機硬件設計

　　太陽能無線信號系統(tǒng)主機主要由以下部分構成：

　　單片機，? 主控芯片，采用華邦的W78E516B；
　　CPLD???? 接口控制芯片，采用ALTERA公司產(chǎn)品；
　　無線通訊模塊?? ISM頻段，無需申請，發(fā)射功率50mW，通訊距離200米；
　　面板顯示和燈態(tài)輸出?? 采用直流驅動技術實現(xiàn)；
　　外圍電路??? 包括存儲、時鐘、鍵盤、串口、電源等。

3.2.2 主機軟件設計

主機軟件由主程序和四個中斷程序構成：

主程序完成系統(tǒng)初始化，LCD顯示，看門狗服務，鍵盤處理，通訊處理。
中斷服務程序：串口收發(fā)中斷程序、鍵盤中斷程序、500ms定時中斷程序、1秒鐘中斷服務程序。

3.3 系統(tǒng)從機設計概要

從機硬件由單片機、無線通訊模塊、燈驅動電路、看門狗芯片和電源組成。

從機軟件包括主程序和中斷服務程序。主程序完成初始化、通訊控制、燈態(tài)控制、看門狗服務等。中斷服務程序包括：串口中斷服務程序和500ms定時中斷。

3.4 太陽能電源分系統(tǒng)設計概要

太陽能供電系統(tǒng)設計主要考慮以下設計要素：

　　電源負載的最大功率；
　　蓄電池的陰天最大放電時間；
　　太陽能電池板對蓄電池滿充電的最大充電時間；
　　當?shù)氐钠骄照諘r間；
　　當?shù)氐木暥龋?br>　　太陽能電源控制電路必須具備滯回啟動和滯回充電功能。

4 總結

　　 以太陽能供電結合無線通訊技術實現(xiàn)分布式控制的杰瑞太陽能無線信號系統(tǒng)是一項創(chuàng)新型產(chǎn)品。與以往的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)采用了方案發(fā)送應答式無線通訊協(xié)議，運用了多種自我診斷恢復設計方法，使其在抗雷擊、抗干擾能力，系統(tǒng)自組織、自恢復能力方面有上佳表現(xiàn)；尤其是系統(tǒng)結合了太陽能供電技術，從而更加節(jié)能、更加環(huán)保，符合國家能源政策的方向；系統(tǒng)由于真正實現(xiàn)了分機間無電纜連接，完全省去了鋪埋管道、電纜的材料、人工成本，系統(tǒng)總體成本遠低于市電系統(tǒng)，從而做到了省時、省力、省錢！從整體來看，本系統(tǒng)是一款實用性強、性價比較高的產(chǎn)品，已在保加利亞、尼日利亞等多個國家和國內(nèi)得到實際應用，并得到了良好評價。相信隨著市場認知度的提高，太陽能無線信號系統(tǒng)一定會有更大的應用空間！

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