太阳能无线信号系统设计方案

一、引言

太阳能无线信号系统是一种基于太阳能供电和无线通讯技术的创新产品，旨在解决野外及城市不方便布线区域的信号控制问题。该系统利用取之不尽、用之不竭的太阳能，结合先进的无线通讯技术，实现了分布式控制，既节能又环保。本文将详细介绍太阳能无线信号系统的设计方案，包括系统特点、设计思路、主控芯片型号及其作用等。

二、系统特点与设计思路

2.1 系统特点

太阳能无线信号系统的主要特点包括：

1. 主从分布式体系结构：系统采用一主多从的设计，从机数目在0-3之间任选，可以根据实际路口情况选择。

2. 太阳能供电：系统通过太阳能电池板、蓄电池和负载之间的充放电控制功能，实现了高效、可靠的供电。

3. 无线通讯技术：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，实现了系统无线控制。

4. 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。

5. 节电设计：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。

2.2 设计思路

在设计太阳能无线信号系统时，主要考虑了以下几个方面：

1. 节能与环保：利用太阳能作为主要能源，既解决了供电问题，又减少了碳排放。

2. 可靠性与稳定性：通过主从分布式体系结构和无线通讯技术，提高了系统的可靠性和稳定性。

3. 易操作与维护：采用专利技术的人机界面，使操作更加方便快捷，同时系统具备自检测、自恢复功能，降低了维护成本。

三、系统构成与设备

太阳能无线信号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）。

3.1 主机方向设备

主机方向设备包括太阳能电源设备、主机和控制箱、太阳能信号灯。

• 太阳能电源设备：包括太阳能电池板和蓄电池，用于为系统提供电力。

• 主机：系统的核心控制设备，负责接收和发送控制信号。

• 控制箱：用于安装和保护主机及相关电路。

• 太阳能信号灯：采用太阳能供电的LED信号灯，用于指示交通信号。

3.2 从机方向设备

从机方向设备包括太阳能电源设备、从机、太阳能信号灯。

• 太阳能电源设备：与主机方向相同，用于为从机提供电力。

• 从机：接收主机的控制信号，并控制相应方向的信号灯。

• 太阳能信号灯：与主机方向相同，用于指示交通信号。

四、主控芯片型号及其作用

太阳能无线信号系统的主控芯片是整个系统的核心部分，它负责接收和发送控制信号，协调各个设备的运行。

4.1 主控芯片型号

在系统设计中，主控芯片采用了华邦的W78E516B单片机。该单片机是一款内含CAN总线控制器部件的单片机，具有较高的集成度和可靠性。

4.2 主控芯片的作用

1. 系统初始化：在系统启动时，主控芯片负责完成系统初始化工作，包括设置各个模块的参数、初始化内存等。

2. 通讯处理：主控芯片通过无线通讯模块与从机进行通讯，接收和发送控制信号。

3. 信号控制：根据接收到的控制信号，主控芯片控制相应方向的信号灯，实现交通信号的指示。

4. 监控与报警：主控芯片还负责对蓄电池组的整体状态进行实时监控，当发生突发性问题时，能够及时报警处理。

五、系统硬件设计

5.1 主控制器的硬件设计

主控制器是整个系统的核心部分，它负责接收和发送控制信号，协调各个设备的运行。在主控制器的硬件设计中，采用了以下关键组件：

• 单片机：采用华邦的W78E516B单片机作为主控芯片，具有较高的集成度和可靠性。

• CPLD接口控制芯片：采用ALTERA公司的产品，用于实现复杂的逻辑控制功能。

• 无线通讯模块：采用ISM频段的无线通讯模块，无需申请，发射功率50mW，通讯距离200米。

• 外围电路：包括存储、时钟、键盘、串口、电源等，用于支持主控芯片的正常运行。

5.2 功率模块的设计

功率模块用于对MCU两级方案进行独立控制，通过CAN总线与主控制器实现控制和通信。功率模块能够实现对各个太阳能光伏阵列的集中控制，并根据蓄电池的充放电状态，对蓄电池进行科学管理。

六、系统软件设计

6.1 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、通讯处理等任务。

• 中断服务程序：包括串口收发中断程序、键盘中断程序、500ms定时中断程序、1秒钟中断服务程序等，用于处理各种中断事件。

6.2 从机软件设计

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、看门狗服务等任务。

• 中断服务程序：包括串口中断服务程序和500ms定时中断，用于处理各种中断事件。

七、系统无线通讯协议设计

系统无线通讯协议的设计是系统设计的重要内容，它决定了系统的可靠性和稳定性。在系统设计中，采用了以下措施来确保通讯协议的严密、安全、可靠：

1. 异步串行通讯：采用波特率9600bps，1起始位、8位数据位、1停止位，奇校验的异步串行通讯方式。

2. 开机校验：开机后，向所有从机发送校验信号，确保各从机处于正常工作状态。

3. 方案发送：将运行方案发给所有从机，确保各从机按照正确的方案运行。

4. 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。

八、系统测试与优化

在系统开发完成后，需要进行详细的测试与优化工作，以确保系统的可靠性和稳定性。测试与优化工作主要包括以下几个方面：

1. 功能测试：对系统的各项功能进行测试，确保系统能够正常工作。

2. 性能测试：对系统的性能进行测试，包括通讯距离、通讯速率、响应时间等，确保系统满足设计要求。

3. 稳定性测试：对系统进行长时间运行测试，观察系统是否出现异常情况，确保系统的稳定性。

4. 优化改进：根据测试结果，对系统进行优化改进，提高系统的可靠性和稳定性。

九、应用前景与推广

太阳能无线信号系统具有环保节能、无需挖沟或架设电力架、不需要大量线材管材、不需要输变电设备、施工周期短、不消耗市电不产生电费、不受地理位置限制、维护费用低、低压无触电危险等诸多优点。因此，该系统在野外以及城市不方便布线的区域具有广阔的应用前景。

具体来说，该系统可以应用于铁路沿线、高速沿线、边界线、海岸线、部队野战训练、石油天然气输送管道、建筑工地、水库大坝、河道水源、矿区景区、森林防火、文物古迹、村庄道路、高尔夫球场、渔场林场牧场、野生动物保护区、厂区周边、别墅、岛屿等区域。在这些区域中，太阳能无线信号系统能够充分发挥其优势，为交通信号的指示和管理提供有力支持。

此外，随着太阳能无线监控系统集成技术的日趋成熟，该系统已在全球得到越来越普遍的应用，显示出广阔的应用前景。未来，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。

十、结论

太阳能无线信号系统是一种基于太阳能供电和无线通讯技术的创新产品，具有环保节能、易于操作与维护等优点。在系统设计中，采用了华邦的W78E516B单片机作为主控芯片，结合先进的无线通讯技术和节电设计，实现了分布式控制。通过详细的测试与优化工作，确保了系统的可靠性和稳定性。未来，该系统将在野外以及城市不方便布线的区域发挥重要作用，为交通信号的指示和管理提供有力支持。