太陽能移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏能耗分析及改進(jìn)

張少輝

（上海寶航市政交通設(shè)施有限公司，上海 201201）

太陽能移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏是一種應(yīng)用交通信息展示設(shè)備，具有可移動(dòng)、高亮度以及遠(yuǎn)距離可見等特點(diǎn)。可以用于路況提示、交通標(biāo)識(shí)、氣象信息以及政策宣傳等場(chǎng)合。然而，由于其運(yùn)行需要耗費(fèi)大量的電能，太陽能移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏的能耗問題一直是制約其應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，如何有效降低太陽能移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏的能耗，提高其使用效率和經(jīng)濟(jì)性，是誘導(dǎo)屏研發(fā)中亟需解決的問題之一。

1 太陽能移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏

太陽能移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏包括太陽能離線供電系統(tǒng)、LED 顯示屏[1]、傳感器和移動(dòng)拖車等組成部分。其中，太陽能供電系統(tǒng)通過吸收陽光轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)在蓄電池中，為L(zhǎng)ED 顯示屏提供電能；在顯示屏上展示的信息以文字和圖形為主；傳感器可以對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)不同情況顯示不同信息。然而，太陽能供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率偏低、LED 顯示屏高亮度要求和數(shù)據(jù)傳輸頻繁等原因?qū)е绿柲芤苿?dòng)交通誘導(dǎo)屏的整體能耗偏高，存在一定的使用限制和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

1.1 交通誘導(dǎo)屏系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

太陽能移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏是集電子顯示技術(shù)、機(jī)電技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)以及信息化軟件技術(shù)等于一體的應(yīng)用于交通工程中的信息發(fā)布載體。移動(dòng)誘導(dǎo)屏是智能化交通系統(tǒng)（ITS）[2]中不可或缺的信息發(fā)布媒介，特別適用于不確定交通路段的臨時(shí)道路管制，可以快速布置到現(xiàn)場(chǎng)，既可以通過遠(yuǎn)程發(fā)布預(yù)警信息到顯示屏上，又可以滿足現(xiàn)場(chǎng)交通管理人員及時(shí)快速將突發(fā)信息發(fā)布到誘導(dǎo)屏上進(jìn)行顯示的需求。交通誘導(dǎo)屏系統(tǒng)功能拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 交通誘導(dǎo)屏架構(gòu)示意圖

移動(dòng)誘導(dǎo)屏作為信息發(fā)布的終端，其內(nèi)部的核心單元為顯示控制系統(tǒng)（圖1 左側(cè)圓圈部分）。顯示控制系統(tǒng)包括多種通信端口：Wi-Fi 通信模塊、RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口、RS232/RS485 接口、顯示輸出接口、開關(guān)板、顯示模組以及傳感器。

移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏的顯示信息通過遠(yuǎn)程和本地2 種方式[3]進(jìn)行更新：1） 臨時(shí)道路交通管制的現(xiàn)場(chǎng)管理人員通過手機(jī)App 或者操作筆記本電腦客戶端軟件編輯需要顯示的信息，通過Wi-Fi 信號(hào)或者RJ45 網(wǎng)絡(luò)連接線與控制卡進(jìn)行連接，以更新顯示內(nèi)容。2） 交通指揮管理相關(guān)人員通過管理電腦連接誘導(dǎo)屏管理平臺(tái)服務(wù)器，選中需要發(fā)布警示信息的誘導(dǎo)屏，對(duì)顯示信息進(jìn)行變更，該過程的鏈路是管理平臺(tái)通過互聯(lián)網(wǎng)連接到誘導(dǎo)屏中的4G 通信模塊，4G 模塊轉(zhuǎn)換為RS232（或RJ45 以太網(wǎng)）連接到顯示控制系統(tǒng)。

1.2 誘導(dǎo)屏機(jī)械結(jié)構(gòu)

新西蘭項(xiàng)目中使用的太陽能交通誘導(dǎo)屏外形結(jié)構(gòu)如圖2 所示，交通誘導(dǎo)屏整體包括太陽能電池板支架（頂部）、LED 顯示屏箱體（中部）、帶固定框架立柱（中部）以及帶支撐腿的移動(dòng)拖車（底部）。

圖2 太陽能交通誘導(dǎo)屏結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2.1 頂部太陽能板支架結(jié)構(gòu)

1 是固定2 片150 W 太陽能電池板的固定框架；2 是輔助法蘭盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位的彈簧插銷，內(nèi)外立柱間法蘭盤同樣配有調(diào)節(jié)顯示屏朝向的定位插銷，4 個(gè)支撐腿滑動(dòng)結(jié)構(gòu)的伸出長(zhǎng)度調(diào)節(jié)也同樣配有定位插銷。

1.2.2 誘導(dǎo)屏顯示部分結(jié)構(gòu)

3 是LED 顯示屏箱體，它背面通過M12 螺栓與焊接在外立柱（4）的顯示屏框架（6）固定；5 是為防止誘導(dǎo)屏液壓缸失壓下降而增設(shè)的“O”形頭限位螺栓。

1.2.3 移動(dòng)拖車平臺(tái)結(jié)構(gòu)

7 是拖車在行進(jìn)中防擺動(dòng)的定位柱結(jié)構(gòu)；8 是分立在立柱兩側(cè)的電池箱和液壓抬升動(dòng)力單元箱；9 是為固定支撐腿和調(diào)節(jié)伸出長(zhǎng)度的滑動(dòng)結(jié)構(gòu)；10 是連接牽引車的拖車桿；11～13 是拖車底部的防護(hù)板、板簧和承重輪胎；14 是拖車尾部固定車牌、剎車燈以及車牌燈的背板。

2 誘導(dǎo)屏能耗分析

2.1 誘導(dǎo)屏技術(shù)參數(shù)

交通誘導(dǎo)顯示屏包括4 個(gè)基本要求：明顯性、易讀性、易理解性和可信賴性[4]。我司改進(jìn)設(shè)計(jì)前提供給客戶的移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏的具體參數(shù)見表1[3]。

表1 移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏主要技術(shù)參數(shù)表

2.2 誘導(dǎo)屏能耗模型

移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏在使用過程中會(huì)消耗大量能源，根據(jù)能量守恒定律ΔE=Q+W（ΔE為能量變化；Q為熱能；W為功），為了減少能量ΔE，需要降低誘導(dǎo)屏的功率W、避免能量的損耗Q，從而使移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏可以連續(xù)工作較長(zhǎng)的時(shí)間。

移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏的能耗部件包括LED 顯示系統(tǒng)和液壓升降系統(tǒng)，液壓升降為短時(shí)間使用并且功率大小與質(zhì)量大小匹配，因此需要改進(jìn)LED 顯示系統(tǒng)，以降低能耗。誘導(dǎo)屏顯示系統(tǒng)功率消耗的組成單元包括顯示控制卡、電壓轉(zhuǎn)換器（直流開關(guān)電源）、LED 顯示模組以及數(shù)據(jù)通信模塊。整體功耗如公式（1）所示。

式中：P屏為L(zhǎng)ED 屏總功耗；P卡為控制功耗；PL為L(zhǎng)ED 模組功耗；PC為通信模塊功耗；η為電源轉(zhuǎn)換效率。

為了延長(zhǎng)工作時(shí)間，需要從以下3 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：1） 降低LED 屏的功耗，提高轉(zhuǎn)換效率。由公式（1）可知，降低功耗可以降低LED 顯示模組的功耗PL。2） 避免無效的損耗，在人車休息的時(shí)間段停止顯示，在早晨或傍晚環(huán)境亮度低的時(shí)間段自動(dòng)降低顯示屏的顯示亮度，通信模塊在非工作時(shí)間段進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，從而降低通信模塊的功耗PC。3） 提高能量轉(zhuǎn)換效率。移動(dòng)誘導(dǎo)屏具有移動(dòng)性，多布設(shè)在臨時(shí)路段，多數(shù)情況不具備市電充電條件，采用太陽能發(fā)電獨(dú)立蓄電池系統(tǒng)，應(yīng)盡量提高太陽能轉(zhuǎn)換效率，降低屏體溫度，提高直流開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率η。

3 降低誘導(dǎo)屏能耗的改進(jìn)方案

根據(jù)降低能耗的分析，可以從以下3 個(gè)方面改進(jìn)方案：1） 采用更高效的LED 燈和驅(qū)動(dòng)元器件，以降低能耗，同時(shí)提高屏幕的亮度和清晰度。2） 采用自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度的技術(shù)，根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)屏幕亮度[5]，從而降低能耗并延長(zhǎng)誘導(dǎo)屏的工作時(shí)長(zhǎng)；精細(xì)化管理屏幕開關(guān)機(jī)時(shí)間，避免無人觀看時(shí)浪費(fèi)能源，同時(shí)保證需要時(shí)能及時(shí)展示交通信息。3） 改進(jìn)太陽能板支架結(jié)構(gòu)，提高其轉(zhuǎn)換效率。

3.1 優(yōu)化功耗部件設(shè)計(jì)

3.1.1 選擇合適的電子元件

遵循選用低能耗高效率元器件的設(shè)計(jì)原則，傳統(tǒng)LED顯示屏用驅(qū)動(dòng)芯片靜態(tài)功耗電流約為7 mA～12 mA，改進(jìn)設(shè)計(jì)選MBI5037，其靜態(tài)功耗電流為100 μA。LED 選用14mil大芯片、8 mm 大封裝的LED。根據(jù)歐姆定律P=U×I（P為功率；U為電壓；I為電流），LED 的正向?qū)妷篤F由晶片特性決定，無法改變，降低LED 功耗只能降低工作電流。LED 的工作電流和亮度成正比，因此采用高亮度的LED 同樣可以滿足亮度要求[3]。

單顆LED 的需求亮度為屏幕每平方亮度（cd/m2）÷每平方LED 數(shù)量。根據(jù)表1 對(duì)亮度的要求，可以計(jì)算單顆LED的亮度值，如公式（2）所示。

式中：（1000÷25）2為計(jì)算像素間距[6]為25 mm 顯示屏1 m2內(nèi)LED 的顆粒數(shù)。

三色LED 中亮度最低的黃光的光電參數(shù)見表2。在工作電流為20 mA 的測(cè)試條件下，發(fā)光亮度為10 000 mcd～12 000 mcd，發(fā)光角度為30°～35°，正向電壓為2.0 V～2.2 V。

表2 LED 光電特性表（Ta=25 ℃）

MBI5037 的規(guī)格書中關(guān)于Rext（電流設(shè)定電阻）與Iout（LED 驅(qū)動(dòng)電流）的關(guān)系曲線如圖3 所示，其關(guān)系公式如公式（3）所示。

圖3 MBI5037 片外電阻Rext 與Iout 變化曲線圖

式中：Iout為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)電流；VR-EXT為片外電阻壓降，VR-EXT=1.23V；Rext為電流設(shè)定電阻。

根據(jù)LED 光通量與驅(qū)動(dòng)電流成正比的關(guān)系可知，需要保證光通量在5 000 mcd，選擇工作電流為12 mA，按照驅(qū)動(dòng)電流與片外電阻關(guān)系式求得電阻為12 kΩ/1%。

3.1.2 改進(jìn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及驅(qū)動(dòng)方式

常規(guī)的LED 顯示采用RGB 三基色組合顏色顯示。三基色是指紅色、綠色和藍(lán)色，也稱為三原色，通過組合可以顯示大部分的彩色，顯示白色需要紅、綠和藍(lán)3 種LED 都要點(diǎn)亮，如果顯示黃色，就需要點(diǎn)亮紅色和黃色2種LED。

為了實(shí)現(xiàn)減少顯示信息時(shí)LED 點(diǎn)亮的數(shù)量的目標(biāo)，顯示數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)突破傳統(tǒng)圖片RGB 三基色方式調(diào)整為五色RGBYW 模式。當(dāng)需要顯示黃色和白色的文字或圖標(biāo)時(shí)，只需要控制黃色和白色LED 直接顯示。這樣的驅(qū)動(dòng)方式既減少了LED 點(diǎn)亮數(shù)量，又降低了顯示能耗，還可以避免混色色差問題。

3.1.3 分離LED 模組的LED 和芯片供電

根據(jù)白色LED 的VF為3.0 V～3.3 V，為了避免LED無效損耗P（P=（5-3.3）×Iout（Iout為L(zhǎng)ED 工作驅(qū)動(dòng)電流）），進(jìn)行LED 和芯片供電分離電路設(shè)計(jì)。LED 顯示模組電源和數(shù)據(jù)端口的原理圖如圖4 所示。JP1、JP2為包括芯片供電電壓的顯示數(shù)據(jù)接口，與其連接的電解電容和貼片電容分別起濾波穩(wěn)壓作用；JP1為輸入接口連接專用轉(zhuǎn)接板的接口，連接排線需用注塑28AWG/105℃的16 芯排線。根據(jù)28AWG 線材額定電流0.3 A，4 芯連接線可達(dá)1.2 A，單張模組芯片最大功耗為4 片MBI5037（3 mA/片～5 mA/片）加1 片74HC245（70-100Ma）消耗0.12 A，因此單個(gè)接口完全滿足連接1 行7 張模組的應(yīng)用需要。LED 的供電電源通過J1端子連接12 V 轉(zhuǎn)3.5 V 的直流開關(guān)電源，同一行的模組通過J2、J3的VH-4 快速連接線進(jìn)行連接。

圖4 LED 顯示模組電源及數(shù)據(jù)接口原理圖

3.1.4 設(shè)計(jì)專用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接板

根據(jù)LED 模組的燈驅(qū)電源分離設(shè)計(jì)，專門設(shè)計(jì)適配顯示控制卡的帶芯片供電電源的轉(zhuǎn)接板。轉(zhuǎn)接板原理如圖5 所示。IN 為40 拼接口，與控制卡的顯示輸出信號(hào)接口連接?？刂瓶ㄝ敵龅娘@示數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過U1的放大后連接JP1～JP4的IDC16數(shù)據(jù)接口輸出，通過FC16排線與LED 顯示模組的數(shù)據(jù)輸入接口連接。同時(shí)，Jpower 是外接電源端子的芯片供電電源（也連接到信號(hào)輸出接口），實(shí)現(xiàn)LED 顯示模組提供控制信號(hào)和芯片工作電源的功能。D1與電阻R1組成電源指示電路，當(dāng)VIC 有電壓時(shí)，LED 點(diǎn)亮。專用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接板為后續(xù)控制LED 模組電源開關(guān)提供先決條件。

圖5 轉(zhuǎn)接板原理圖

3.2 避免無效損耗設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)計(jì)LED 模組電源開關(guān)板

為了實(shí)現(xiàn)非工作時(shí)間可以切斷LED 顯示模組供電電源的功能，特別設(shè)計(jì)一款可以連接控制卡上IDC10多功能接口的電源開關(guān)板。繼電器開關(guān)板原理圖如圖6 所示，通過圖6 可知，電源開關(guān)控制信號(hào)經(jīng)過顯示控制卡的MOS 管連接到電源接地端（GND）。在J5接線端子上，TOLEDs 為連接LED 模組供電直流開關(guān)電源的輸入端正極，標(biāo)識(shí)5200連接控制卡的供電直流開關(guān)電源輸入正極，標(biāo)識(shí)12V IN 為連接蓄電池正極。

圖6 繼電器開關(guān)板原理圖

在非工作時(shí)間，控制器接口的第九腳CN 輸出一個(gè)低電平，經(jīng)過電阻RS-5V 連接到繼電器K1線圈，從而使K1的常閉觸點(diǎn)斷開LED 模組的工作電源降低誘導(dǎo)屏的顯示功耗。

3.2.2 優(yōu)化通信模塊工作模式

根據(jù)通信模塊數(shù)據(jù)通信時(shí)與待機(jī)工作的功耗比較可以確認(rèn)，數(shù)據(jù)通信時(shí)會(huì)消耗更多的電能。以表3 的無線通信模塊的技術(shù)參數(shù)為例，其工作時(shí)電流為230 mA，待機(jī)時(shí)130 mA，工作電壓為12 V，相差P=100×12=1200 mW=1.2 W，工作時(shí)的功耗是待機(jī)時(shí)的1.77 倍。

表3 通信模塊部分技術(shù)參數(shù)表

為了節(jié)省通信數(shù)據(jù)量，縮短工作狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)，在節(jié)目存儲(chǔ)的方式上，將常用的交通標(biāo)識(shí)顯示數(shù)據(jù)作為內(nèi)置節(jié)目進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)需要顯示時(shí)，只需要傳輸選播指令數(shù)據(jù)即可，避免更新圖片和文字信息時(shí)大數(shù)據(jù)的頻繁傳輸，縮短通信模塊工作時(shí)長(zhǎng)，從而降低通信模塊能耗。

3.3 提高能量轉(zhuǎn)化效率設(shè)計(jì)

3.3.1 設(shè)計(jì)可調(diào)角度太陽能板支架

當(dāng)對(duì)燈驅(qū)分離電路、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及通信模式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在降低顯示屏功耗的同時(shí)，為了提高太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率，對(duì)太陽能電池板支架進(jìn)行改進(jìn)。如圖7 所示，開啟角度設(shè)計(jì)為適應(yīng)新西蘭的30°仰角與可旋轉(zhuǎn)角度的法蘭盤配合調(diào)節(jié)太陽能板朝向，以提高太陽能板的轉(zhuǎn)換效率，給蓄電池提供更多的充電電流。

圖7 太陽能支架結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.2 配置溫控散熱風(fēng)扇

根據(jù)電子產(chǎn)品的工作特性，隨著溫度上升，帶載能力下降，能耗變大，開關(guān)電源溫度降載曲線（來源于明緯電源規(guī)格書）如圖8 所示。特在箱體內(nèi)部增設(shè)監(jiān)測(cè)電源外殼溫度的溫控開關(guān)，當(dāng)外殼溫度達(dá)到55 ℃（環(huán)境溫度30 ℃）時(shí)，開關(guān)閉合，風(fēng)機(jī)通電工作，以降低屏體溫度熱，提高開關(guān)電源工作效率。

圖8 開關(guān)電源溫度降載曲線圖

3.3.3 增設(shè)蓄電池充電系統(tǒng)

為了確保在連續(xù)陰雨天的情況下誘導(dǎo)屏具備充電的條件，在電池箱內(nèi)配置市電蓄電池充電器，外部增設(shè)澳規(guī)交流防水插座，以供連接市電對(duì)電池進(jìn)行充電。同時(shí)，考慮當(dāng)?shù)囟咎柟庹杖鹾惋L(fēng)力強(qiáng)的氣候特點(diǎn)，特別設(shè)計(jì)了可供連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接口。在冬季可以安裝風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，補(bǔ)充太陽能充電的不足。

4 誘導(dǎo)屏能耗改進(jìn)設(shè)計(jì)成效

經(jīng)過以上電路上的改進(jìn)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和工作機(jī)制嵌入式程序的改進(jìn)，最終新款太陽能交通誘導(dǎo)屏比前一代相同顯示像素的誘導(dǎo)屏平均功耗降低超50%，實(shí)測(cè)正常工作情況下工作電流在2.0 A～2.2 A，折合功耗為24.0 W～26.4 W。太陽能電池板的充電電流實(shí)測(cè)達(dá)到8 A～12 A，標(biāo)配250AH/12V 電池通過實(shí)測(cè)工作時(shí)長(zhǎng)為56 h，新西蘭客戶反饋冬天工作時(shí)間可達(dá)3 d～4 d。

5 結(jié)語

為了滿足客戶對(duì)交通誘導(dǎo)屏連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)的要求，該文逐步分析產(chǎn)生能耗的部位，以進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過檢查樣品實(shí)際測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)沒有改善的部分進(jìn)行再次剖析并確定新的改進(jìn)方案。該文提出的能耗改進(jìn)方案提高了移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏的性能和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。該移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏不僅可以作為交通誘導(dǎo)信息的發(fā)布媒介，而且還可以發(fā)布多種公共事業(yè)信息，具有移動(dòng)方便、信息警示清晰、觀看距離遠(yuǎn)、方便現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程更新顯示內(nèi)容等特點(diǎn)，可以為駕駛?cè)撕托腥丝焖?、安全出行提供保障?/p>

綜上所述，移動(dòng)交通誘導(dǎo)屏的能耗降低，但是誘導(dǎo)屏仍然存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，例如可以將太陽能板支架設(shè)計(jì)為自動(dòng)跟蹤太陽光照的支架，拖車導(dǎo)向輪采用減輕人力調(diào)整負(fù)擔(dān)的電動(dòng)型，增加車輛測(cè)速和超速拍照功能，增加路面積水傳感器、風(fēng)力、PM2.5以及溫濕度等環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，為人車安全出行提供更強(qiáng)的保障。