太陽能移動交通誘導(dǎo)屏能耗分析及改進

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、高亮度以及遠距離可見等特點。可以用于路況提示、交通標識、氣象信息以及政策宣傳等場合。然而，由于其運行需要耗費大量的電能，太陽能移動交通誘導(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交通誘導(dǎo)屏的能耗，提高其使用效率和經(jīng)濟性，是誘導(dǎo)屏研發(fā)中亟需解決的問題之一。

1 太陽能移動交通誘導(dǎo)屏

太陽能移動交通誘導(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)化為電能并存儲在蓄電池中，為LED 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；傳感器可以對周圍環(huán)境進行監(jiān)測，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柲芤苿咏煌ㄕT導(dǎo)屏的整體能耗偏高，存在一定的使用限制和經(jīng)濟負擔(dān)。

1.1 交通誘導(dǎo)屏系統(tǒng)拓撲

太陽能移動交通誘導(dǎo)屏是集電子顯示技術(shù)、機電技術(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道路管制，可以快速布置到現(xiàn)場，既可以通過遠程發(fā)布預(yù)警信息到顯示屏上，又可以滿足現(xiàn)場交通管理人員及時快速將突發(fā)信息發(fā)布到誘導(dǎo)屏上進行顯示的需求。交通誘導(dǎo)屏系統(tǒng)功能拓撲圖如圖1所示。

圖1 交通誘導(dǎo)屏架構(gòu)示意圖

移動誘導(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。

移動交通誘導(dǎo)屏的顯示信息通過遠程和本地2 種方式[3]進行更新：1） 臨時道路交通管制的現(xiàn)場管理人員通過手機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 信號或者RJ45 網(wǎng)絡(luò)連接線與控制卡進行連接，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)屏管理平臺服務(wù)器，選中需要發(fā)布警示信息的誘導(dǎo)屏，對顯示信息進行變更，該過程的鏈路是管理平臺通過互聯(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)屏機械結(jié)構(gòu)

新西蘭項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拖車（底部）。

圖2 太陽能交通誘導(dǎo)屏結(jié)構(gòu)簡圖

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 個支撐腿滑動結(jié)構(gòu)的伸出長度調(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 移動拖車平臺結(jié)構(gòu)

7 是拖車在行進中防擺動的定位柱結(jié)構(gòu)；8 是分立在立柱兩側(cè)的電池箱和液壓抬升動力單元箱；9 是為固定支撐腿和調(diào)節(jié)伸出長度的滑動結(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 個基本要求：明顯性、易讀性、易理解性和可信賴性[4]。我司改進設(shè)計前提供給客戶的移動交通誘導(dǎo)屏的具體參數(shù)見表1[3]。

表1 移動交通誘導(dǎo)屏主要技術(shù)參數(shù)表

2.2 誘導(dǎo)屏能耗模型

移動交通誘導(dǎo)屏在使用過程中會消耗大量能源，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，從而使移動交通誘導(dǎo)屏可以連續(xù)工作較長的時間。

移動交通誘導(dǎo)屏的能耗部件包括LED 顯示系統(tǒng)和液壓升降系統(tǒng)，液壓升降為短時間使用并且功率大小與質(zhì)量大小匹配，因此需要改進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LED 屏總功耗；P卡為控制功耗；PL為LED 模組功耗；PC為通信模塊功耗；η為電源轉(zhuǎn)換效率。

為了延長工作時間，需要從以下3 個方面進行改進：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，在人車休息的時間段停止顯示，在早晨或傍晚環(huán)境亮度低的時間段自動降低顯示屏的顯示亮度，通信模塊在非工作時間段進入待機狀態(tài)，從而降低通信模塊的功耗PC。3） 提高能量轉(zhuǎn)換效率。移動誘導(dǎo)屏具有移動性，多布設(shè)在臨時路段，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)屏能耗的改進方案

根據(jù)降低能耗的分析，可以從以下3 個方面改進方案：1） 采用更高效的LED 燈和驅(qū)動元器件，以降低能耗，同時提高屏幕的亮度和清晰度。2） 采用自動調(diào)節(jié)亮度的技術(shù)，根據(jù)環(huán)境亮度自動調(diào)節(jié)屏幕亮度[5]，從而降低能耗并延長誘導(dǎo)屏的工作時長；精細化管理屏幕開關(guān)機時間，避免無人觀看時浪費能源，同時保證需要時能及時展示交通信息。3） 改進太陽能板支架結(jié)構(gòu)，提高其轉(zhuǎn)換效率。

3.1 優(yōu)化功耗部件設(shè)計

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)計原則，傳統(tǒng)LED顯示屏用驅(qū)動芯片靜態(tài)功耗電流約為7 mA～12 mA，改進設(shè)計選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 對亮度的要求，可以計算單顆LED的亮度值，如公式（2）所示。

式中：（1000÷25）2為計算像素間距[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LED 驅(qū)動電流；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)動電流與片外電阻關(guān)系式求得電阻為12 kΩ/1%。

3.1.2 改進數(shù)據(jù)存儲及驅(qū)動方式

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3 種LED 都要點亮，如果顯示黃色，就需要點亮紅色和黃色2種LED。

為了實現(xiàn)減少顯示信息時LED 點亮的數(shù)量的目標，顯示數(shù)據(jù)的存儲突破傳統(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時，只需要控制黃色和白色LED 直接顯示。這樣的驅(qū)動方式既減少了LED 點亮數(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LED 工作驅(qū)動電流）），進行LED 和芯片供電分離電路設(shè)計。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)計專用驅(qū)動轉(zhuǎn)接板

根據(jù)LED 模組的燈驅(qū)電源分離設(shè)計，專門設(shè)計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接口連接。控制卡輸出的顯示數(shù)據(jù)信號經(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，Jpower 是外接電源端子的芯片供電電源（也連接到信號輸出接口），實現(xiàn)LED 顯示模組提供控制信號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，LED 點亮。專用驅(qū)動轉(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

3.2.1 設(shè)計LED 模組電源開關(guān)板

為了實現(xiàn)非工作時間可以切斷LED 顯示模組供電電源的功能，特別設(shè)計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，標識5200連接控制卡的供電直流開關(guān)電源輸入正極，標識12V IN 為連接蓄電池正極。

圖6 繼電器開關(guān)板原理圖

在非工作時間，控制器接口的第九腳CN 輸出一個低電平，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)通信時與待機工作的功耗比較可以確認，數(shù)據(jù)通信時會消耗更多的電能。以表3 的無線通信模塊的技術(shù)參數(shù)為例，其工作時電流為230 mA，待機時130 mA，工作電壓為12 V，相差P=100×12=1200 mW=1.2 W，工作時的功耗是待機時的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)時長，在節(jié)目存儲的方式上，將常用的交通標識顯示數(shù)據(jù)作為內(nèi)置節(jié)目進行存儲，當(dāng)需要顯示時，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大數(shù)據(jù)的頻繁傳輸，縮短通信模塊工作時長，從而降低通信模塊能耗。

3.3 提高能量轉(zhuǎn)化效率設(shè)計

3.3.1 設(shè)計可調(diào)角度太陽能板支架

當(dāng)對燈驅(qū)分離電路、存儲數(shù)據(jù)以及通信模式進行設(shè)計時，在降低顯示屏功耗的同時，為了提高太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率，對太陽能電池板支架進行改進。如圖7 所示，開啟角度設(shè)計為適應(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)測電源外殼溫度的溫控開關(guān)，當(dāng)外殼溫度達到55 ℃（環(huán)境溫度30 ℃）時，開關(guān)閉合，風(fēng)機通電工作，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，以供連接市電對電池進行充電。同時，考慮當(dāng)?shù)囟咎柟庹杖鹾惋L(fēng)力強的氣候特點，特別設(shè)計了可供連接風(fēng)力發(fā)電機的接口。在冬季可以安裝風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，補充太陽能充電的不足。

4 誘導(dǎo)屏能耗改進設(shè)計成效

經(jīng)過以上電路上的改進設(shè)計、結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化以及數(shù)據(jù)存儲和工作機制嵌入式程序的改進，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%，實測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測達到8 A～12 A，標配250AH/12V 電池通過實測工作時長為56 h，新西蘭客戶反饋冬天工作時間可達3 d～4 d。

5 結(jié)語

為了滿足客戶對交通誘導(dǎo)屏連續(xù)工作時長的要求，該文逐步分析產(chǎn)生能耗的部位，以進行改進設(shè)計，通過檢查樣品實際測試結(jié)果，進一步對方案進行優(yōu)化，對沒有改善的部分進行再次剖析并確定新的改進方案。該文提出的能耗改進方案提高了移動交通誘導(dǎo)屏的性能和產(chǎn)品競爭力。該移動交通誘導(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，具有移動方便、信息警示清晰、觀看距離遠、方便現(xiàn)場和遠程更新顯示內(nèi)容等特點，可以為駕駛?cè)撕托腥丝焖佟踩鲂刑峁┍Ｕ稀?/p>

綜上所述，移動交通誘導(dǎo)屏的能耗降低，但是誘導(dǎo)屏仍然存在進一步優(yōu)化的空間，例如可以將太陽能板支架設(shè)計為自動跟蹤太陽光照的支架，拖車導(dǎo)向輪采用減輕人力調(diào)整負擔(dān)的電動型，增加車輛測速和超速拍照功能，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)測傳感器，為人車安全出行提供更強的保障。