1 引言

隨著全球經濟的迅速發(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)的產生經歷了一個探索、創(chuàng)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(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。系統(tǒng)構成圖如圖1。

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?

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

太陽能無線監(jiān)控系統(tǒng)利用取之不盡、用之不竭的清潔環(huán)保能源太陽能和風能供電，同時系統(tǒng)采用了先進的音視頻遠距離無線組網技術，使無法或者不方便得到電力供應的地區(qū)實現(xiàn)遠程不間斷監(jiān)控成為可能。隨著太陽能無線監(jiān)控系統(tǒng)集成技術的日趨成熟，該系統(tǒng)已在全球得到越來越普遍的應用顯示出廣闊的應用前景。本系統(tǒng)具有：環(huán)保節(jié)能、無需挖溝或架設電力架、不需要大量線材管材、不需要輸變電設備、施工周期短、不消耗市電不產生電費、不受地理位置限制、維護費用低、低壓無觸電危險等諸多優(yōu)點。

系統(tǒng)主要應用于野外以及城市不方便布線的區(qū)域，例如：鐵路沿線、高速沿線、邊界線、海岸線、部隊野戰(zhàn)訓練、石油天然氣輸送管道、建筑工地、水庫大壩、河道水源、礦區(qū)景區(qū)、森林防火、文物古跡、村莊道路、高爾夫球場、漁場林場牧場、野生動物保護區(qū)、廠區(qū)周邊、別墅、島嶼等等。簡單概括為“三無”的地方，即無人無電無網絡，但需要實時監(jiān)控管理又需要節(jié)能零排放無污染的地方或區(qū)域。

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(tǒng)一定會有更大的應用空間!