主从分布式太阳能无线信号系统的设计与实现

1 引言

随着全球经济的迅速发展，能源短缺问题日益成为各行各业关注的焦点。太阳能、风能等新能源正越来越广泛地应用在各个领域，并且所占据的比重份额逐渐增大。作为太阳能在交通管理领域应用的新成果，杰瑞太阳能无线信号系统应运而生了。这一系统解决了两个重要的问题:一是由于应用了太阳能供电技术，不再需要市电供电，更节能更环保；二是由于将无线通讯技术和太阳能供电技术相结合，实现了系统的分布式控制，系统各分机之间不再需要任何电缆连接，从而省去了埋管、布线等一系列工程成本，使信号控制系统的总体成本大大降低，真正做到了省时、省力、省钱。可以预见，应时代潮流而生的杰瑞太阳能无线信号系统将会给交通信号控制系统的变革带来新的模式。

太阳能无线信号系统的产生经历了一个探索、创新的过程。在立项之初，国内外没有成熟的先例可循，早期的无线信号系统采用的无线通讯技术相对落后：通讯误码率高，通讯距离有限，通讯的可靠性很难保证，更重要的是没有与太阳能供电技术结合起来的无线信号系统因为需要电源引线而无法真正发挥其无线的优势，也没有节能环保的比较优势。经过对系统的充分理解，并在实验了多种无线技术的基础上，我们在数种方案中选定了以无线通讯组件配合无线通讯协议实现无线通讯控制，以成熟的太阳能供电技术为基础结合无线设计共同实现无电缆连接的分布式控制系统的设计方案。经过多次的现场验证试验和不断的改进，太阳能无线信号系统实现了无线通讯的自组织、自检测、自恢复功能，实现了太阳能供电系统的充放电控制和保护功能，实现了系统无线分布式高可靠控制的设计目标。下面将就这一系统的特点和设计思路做详细介绍。

2 系统构成和特点

2.1 系统构成

全系统由分布于四个方向的信号控制设备和太阳能电源设备组成，四个方向分别由一个主机和三个从机控制（从机数目可应实际路口情况选择）。主机方向设备为太阳能电源设备、主机和控制箱、太阳能信号灯；从机方向设备为太阳能电源设备、从机、太阳能信号灯。系统构成图如图1。

2.2 系统特点

本系统进行了多项创新设计，其主要设计特点包括：

全系统采用主从分布式体系结构设计。一主多从，从机数目在0-3之间任选。主机和从机分别控制不同方向上的多组信号灯。各分机采用太阳能独立供电，主从机间采用无线控制，各分机之间不再需要任何电缆连接，大大节省工程费用。

系统采用太阳能分布式供电技术。太阳能供电分系统实现了太阳能电池板、蓄电池和负载之间的充放电控制功能，具备欠压保护、过充电保护、滞回启动、滞回充电等控制功能。有效延长蓄电池寿命，提升可靠性。由于采用太阳能供电，不再需要市电供电，系统既节能又环保。

主从机之间采用无线通讯技术进行控制。通过高可靠、高抗干扰和自重置功能的无线通讯组件结合完善的通讯协议有效实现了系统无线控制。

系统无线通讯协议采用方案发送应答式结合周期巡检的方法，同时具备多种通讯故障诊断纠错能力，包括：报文出错重发、看门狗限时重置、报文头尾自恢复设计、系统限时重置等自我诊断恢复设计，能有效屏蔽雷击、无线电等外来信号干扰。

系统具备自组织、自检测、自恢复功能。当主机或从机出现断电、通讯故障、控制故障等情况时，系统能自动进入黄闪状态，当太阳能供电恢复或故障排除后，系统能自动恢复正常运行状态。

全系统采用节电设计，主从机启动后即进入省电模式，信号灯亦采用节能LED设计。

拥有专利技术的人机界面，操作方便快捷。用户无须参照使用说明书，即可按照菜单提示完成各种设置。

3 系统软硬件设计概要

3.1 无线通讯协议的设计概要

无线通讯协议的设计是系统设计的重要内容，在本系统的设计中我们采用了许多措施来确保协议的严密、安全、可靠，实现了自组织、自检测、自恢复功能。其设计要点如下：

异步串行通讯 波特率9600bps，1起始位、8位数据位、1停止位，奇校验；

开机校验开机后，向所有从机发送校验信号；

方案发送将运行方案发给所有从机；

故障诊断处理 对各种偶然和短时通讯故障进行应急处理；

校时和巡检对各从机进行校时应答，同时实现巡检，处理长时故障。

3.2 系统主机设计概要

3.2.1 主机硬件设计

太阳能无线信号系统主机主要由以下部分构成：

单片机， 主控芯片，采用华邦的W78E516B；

CPLD 接口控制芯片，采用ALTERA公司产品；

无线通讯模块 ISM频段，无需申请，发射功率50mW，通讯距离200米；

面板显示和灯态输出 采用直流驱动技术实现；

外围电路 包括存储、时钟、键盘、串口、电源等。

3.2.2 主机软件设计

主机软件由主程序和四个中断程序构成：

主程序完成系统初始化，LCD显示，看门狗服务，键盘处理，通讯处理。

中断服务程序：串口收发中断程序、键盘中断程序、500ms定时中断程序、1秒钟中断服务程序。

3.3 系统从机设计概要

从机硬件由单片机、无线通讯模块、灯驱动电路、看门狗芯片和电源组成。

从机软件包括主程序和中断服务程序。主程序完成初始化、通讯控制、灯态控制、看门狗服务等。中断服务程序包括：串口中断服务程序和500ms定时中断。

3.4 太阳能电源分系统设计概要

太阳能供电系统设计主要考虑以下设计要素：

电源负载的最大功率；

蓄电池的阴天最大放电时间；

太阳能电池板对蓄电池满充电的最大充电时间；

当地的平均日照时间；

当地的纬度；

太阳能电源控制电路必须具备滞回启动和滞回充电功能。

4 总结

以太阳能供电结合无线通讯技术实现分布式控制的杰瑞太阳能无线信号系统是一项创新型产品。与以往的系统相比，该系统采用了方案发送应答式无线通讯协议，运用了多种自我诊断恢复设计方法，使其在抗雷击、抗干扰能力，系统自组织、自恢复能力方面有上佳表现；尤其是系统结合了太阳能供电技术，从而更加节能、更加环保，符合国家能源政策的方向；系统由于真正实现了分机间无电缆连接，完全省去了铺埋管道、电缆的材料、人工成本，系统总体成本远低于市电系统，从而做到了省时、省力、省钱！从整体来看，本系统是一款实用性强、性价比较高的产品，已在保加利亚、尼日利亚等多个国家和国内得到实际应用，并得到了良好评价。相信随着市场认知度的提高，太阳能无线信号系统一定会有更大的应用空间！