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    主從分布式太陽能無線信號系統的設計與實現
    摘要: 我們在數種方案中選定了以無線通訊組件配合無線通訊協議實現無線通訊控制,以成熟的太陽能供電技術為基礎結合無線設計共同實現無電纜連接的分布式控制系統的設計方案。經過多次的現場驗證試驗和不斷的改進,太陽能無線信號系統實現了無線通訊的自組織、自檢測、自恢復功能,實現了太陽能供電系統的充放電控制和保護功能,實現了系統無線分布式高可靠控制的設計目標。
    Abstract:
    Key words :

      1 引言

      隨著全球經濟的迅速發展,能源短缺問題日益成為各行各業關注的焦點。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應運而生了。這一系統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,更節能更環保;二是由于將無線通訊技術和太陽能供電技術相結合,實現了系統的分布式控制,系統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將會給交通信號控制系統的變革帶來新的模式。

      太陽能無線信號系統的產生經歷了一個探索、創新的過程。在立項之初,國內外沒有成熟的先例可循,早期的無線信號系統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因為需要電源引線而無法真正發揮其無線的優勢,也沒有節能環保的比較優勢。經過對系統的充分理解,并在實驗了多種無線技術的基礎上,我們在數種方案中選定了以無線通訊組件配合無線通訊協議實現無線通訊控制,以成熟的太陽能供電技術為基礎結合無線設計共同實現無電纜連接的分布式控制系統的設計方案。經過多次的現場驗證試驗和不斷的改進,太陽能無線信號系統實現了無線通訊的自組織、自檢測、自恢復功能,實現了太陽能供電系統的充放電控制和保護功能,實現了系統無線分布式高可靠控制的設計目標。下面將就這一系統的特點和設計思路做詳細介紹。

      2 系統構成和特點

      2.1 系統構成

      全系統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。系統構成圖如圖1。

    系統構成圖

      2.2 系統特點

      本系統進行了多項創新設計,其主要設計特點包括:

      全系統采用主從分布式體系結構設計。一主多從,從機數目在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,大大節省工程費用。

      系統采用太陽能分布式供電技術。太陽能供電分系統實現了太陽能電池板、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,系統既節能又環保。

      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議有效實現了系統無線控制。

      系統無線通訊協議采用方案發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、看門狗限時重置、報文頭尾自恢復設計、系統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。

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

      全系統采用節電設計,主從機啟動后即進入省電模式,信號燈亦采用節能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 系統軟硬件設計概要

      3.1 無線通訊協議的設計概要

      無線通訊協議的設計是系統設計的重要內容,在本系統的設計中我們采用了許多措施來確保協議的嚴密、安全、可靠,實現了自組織、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位數據位、1停止位,奇校驗;

      開機校驗    開機后,向所有從機發送校驗信號;

      方案發送    將運行方案發給所有從機;

      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,同時實現巡檢,處理長時故障。

       3.2 系統主機設計概要

      3.2.1 主機硬件設計

      太陽能無線信號系統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公司產品;

      無線通訊模塊   ISM頻段,無需申請,發射功率50mW,通訊距離200米;

      面板顯示和燈態輸出   采用直流驅動技術實現;

     

      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 太陽能電源分系統設計概要

      太陽能供電系統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;

      當地的平均日照時間;

      當地的緯度;

      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分布式控制的杰瑞太陽能無線信號系統是一項創新型產品。與以往的系統相比,該系統采用了方案發送應答式無線通訊協議,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,系統自組織、自恢復能力方面有上佳表現;尤其是系統結合了太陽能供電技術,從而更加節能、更加環保,符合國家能源政策的方向;系統由于真正實現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,系統總體成本遠低于市電系統,從而做到了省時、省力、省錢!從整體來看,本系統是一款實用性強、性價比較高的產品,已在保加利亞、尼日利亞等多個國家和國內得到實際應用,并得到了良好*價。相信隨著市場認知度的提高,太陽能無線信號系統一定會有更大的應用空間!

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