主從分布式太陽能無線信號系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源短缺問題日益成為各行各業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽能、風(fēng)能等新能源正越來越廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)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(lǐng)域應(yīng)用的新成果，杰瑞太陽能無線信號系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生了。這一系統(tǒng)解決了兩個(gè)重要的問題:一是由于應(yīng)用了太陽能供電技術(shù)，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(shù)和太陽能供電技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分布式控制，系統(tǒng)各分機(jī)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(shí)、省力、省錢。可以預(yù)見，應(yīng)時(shí)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(gè)探索、創(chuàng)新的過程。在立項(xiàng)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(shù)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(shù)結(jié)合起來的無線信號系統(tǒng)因?yàn)樾枰娫匆€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(shí)驗(yàn)了多種無線技術(shù)的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)無線通訊控制，以成熟的太陽能供電技術(shù)為基礎(chǔ)結(jié)合無線設(shè)計(jì)共同實(shí)現(xiàn)無電纜連接的分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過多次的現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)和不斷的改進(jìn)，太陽能無線信號系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線通訊的自組織、自檢測、自恢復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)了太陽能供電系統(tǒng)的充放電控制和保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)無線分布式高可靠控制的設(shè)計(jì)目標(biāo)。下面將就這一系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路做詳細(xì)介紹。

2 系統(tǒng)構(gòu)成和特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

全系統(tǒng)由分布于四個(gè)方向的信號控制設(shè)備和太陽能電源設(shè)備組成，四個(gè)方向分別由一個(gè)主機(jī)和三個(gè)從機(jī)控制（從機(jī)數(shù)目可應(yīng)實(shí)際路口情況選擇）。主機(jī)方向設(shè)備為太陽能電源設(shè)備、主機(jī)和控制箱、太陽能信號燈；從機(jī)方向設(shè)備為太陽能電源設(shè)備、從機(jī)、太陽能信號燈。系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：

全系統(tǒng)采用主從分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一主多從，從機(jī)數(shù)目在0-3之間任選。主機(jī)和從機(jī)分別控制不同方向上的多組信號燈。各分機(jī)采用太陽能獨(dú)立供電，主從機(jī)間采用無線控制，各分機(jī)之間不再需要任何電纜連接，大大節(jié)省工程費(fèi)用。

系統(tǒng)采用太陽能分布式供電技術(shù)。太陽能供電分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能電池板、蓄電池和負(fù)載之間的充放電控制功能，具備欠壓保護(hù)、過充電保護(hù)、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(jī)之間采用無線通訊技術(shù)進(jìn)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(jié)合完善的通訊協(xié)議有效實(shí)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(yīng)答式結(jié)合周期巡檢的方法，同時(shí)具備多種通訊故障診斷糾錯(cuò)能力，包括：報(bào)文出錯(cuò)重發(fā)、看門狗限時(shí)重置、報(bào)文頭尾自恢復(fù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)限時(shí)重置等自我診斷恢復(fù)設(shè)計(jì)，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(fù)功能。當(dāng)主機(jī)或從機(jī)出現(xiàn)斷電、通訊故障、控制故障等情況時(shí)，系統(tǒng)能自動進(jìn)入黃閃狀態(tài)，當(dāng)太陽能供電恢復(fù)或故障排除后，系統(tǒng)能自動恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

全系統(tǒng)采用節(jié)電設(shè)計(jì)，主從機(jī)啟動后即進(jìn)入省電模式，信號燈亦采用節(jié)能LED設(shè)計(jì)。

擁有專利技術(shù)的人機(jī)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(shè)置。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)概要

3.1 無線通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)概要

無線通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中我們采用了許多措施來確保協(xié)議的嚴(yán)密、安全、可靠，實(shí)現(xiàn)了自組織、自檢測、自恢復(fù)功能。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(yàn)；

開機(jī)校驗(yàn)開機(jī)后，向所有從機(jī)發(fā)送校驗(yàn)信號；

方案發(fā)送將運(yùn)行方案發(fā)給所有從機(jī)；

故障診斷處理 對各種偶然和短時(shí)通訊故障進(jìn)行應(yīng)急處理；

校時(shí)和巡檢對各從機(jī)進(jìn)行校時(shí)應(yīng)答，同時(shí)實(shí)現(xiàn)巡檢，處理長時(shí)故障。

3.2 系統(tǒng)主機(jī)設(shè)計(jì)概要

3.2.1 主機(jī)硬件設(shè)計(jì)

太陽能無線信號系統(tǒng)主機(jī)主要由以下部分構(gòu)成：

單片機(jī)， 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(qū)動技術(shù)實(shí)現(xiàn)；

外圍電路 包括存儲、時(shí)鐘、鍵盤、串口、電源等。

3.2.2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)軟件由主程序和四個(gè)中斷程序構(gòu)成：

主程序完成系統(tǒng)初始化，LCD顯示，看門狗服務(wù)，鍵盤處理，通訊處理。

中斷服務(wù)程序：串口收發(fā)中斷程序、鍵盤中斷程序、500ms定時(shí)中斷程序、1秒鐘中斷服務(wù)程序。

3.3 系統(tǒng)從機(jī)設(shè)計(jì)概要

從機(jī)硬件由單片機(jī)、無線通訊模塊、燈驅(qū)動電路、看門狗芯片和電源組成。

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

3.4 太陽能電源分系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要

太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮以下設(shè)計(jì)要素：

電源負(fù)載的最大功率；

蓄電池的陰天最大放電時(shí)間；

太陽能電池板對蓄電池滿充電的最大充電時(shí)間；

當(dāng)?shù)氐钠骄照諘r(shí)間；

當(dāng)?shù)氐木暥龋?/P>

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(jié)

以太陽能供電結(jié)合無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式控制的杰瑞太陽能無線信號系統(tǒng)是一項(xiàng)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(yīng)答式無線通訊協(xié)議，運(yùn)用了多種自我診斷恢復(fù)設(shè)計(jì)方法，使其在抗雷擊、抗干擾能力，系統(tǒng)自組織、自恢復(fù)能力方面有上佳表現(xiàn)；尤其是系統(tǒng)結(jié)合了太陽能供電技術(shù)，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(shí)現(xiàn)了分機(jī)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(yuǎn)低于市電系統(tǒng)，從而做到了省時(shí)、省力、省錢！從整體來看，本系統(tǒng)是一款實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比較高的產(chǎn)品，已在保加利亞、尼日利亞等多個(gè)國家和國內(nèi)得到實(shí)際應(yīng)用，并得到了良好評價(jià)。相信隨著市場認(rèn)知度的提高，太陽能無線信號系統(tǒng)一定會有更大的應(yīng)用空間！