張少輝

（上海寶航市政交通設施有限公司，上海 201201）

太陽能移動交通誘導屏是一種應用交通信息展示設備，具有可移動、高亮度以及遠距離可見等特點?？梢杂糜诼窙r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屏的能耗問題一直是制約其應用和發(fā)展的關鍵因素。因此，如何有效降低太陽能移動交通誘導屏的能耗，提高其使用效率和經濟性，是誘導屏研發(fā)中亟需解決的問題之一。

1 太陽能移動交通誘導屏

太陽能移動交通誘導屏包括太陽能離線供電系統、LED 顯示屏[1]、傳感器和移動拖車等組成部分。其中，太陽能供電系統通過吸收陽光轉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，根據不同情況顯示不同信息。然而，太陽能供電系統轉換效率偏低、LED 顯示屏高亮度要求和數據傳輸頻繁等原因導致太陽能移動交通誘導屏的整體能耗偏高，存在一定的使用限制和經濟負擔。

1.1 交通誘導屏系統拓撲

太陽能移動交通誘導屏是集電子顯示技術、機電技術、互聯網通信技術以及信息化軟件技術等于一體的應用于交通工程中的信息發(fā)布載體。移動誘導屏是智能化交通系統（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，可以快速布置到現場，既可以通過遠程發(fā)布預警信息到顯示屏上，又可以滿足現場交通管理人員及時快速將突發(fā)信息發(fā)布到誘導屏上進行顯示的需求。交通誘導屏系統功能拓撲圖如圖1所示。

圖1 交通誘導屏架構示意圖

移動誘導屏作為信息發(fā)布的終端，其內部的核心單元為顯示控制系統（圖1 左側圓圈部分）。顯示控制系統包括多種通信端口：Wi-Fi 通信模塊、RJ45 網絡接口、RS232/RS485 接口、顯示輸出接口、開關板、顯示模組以及傳感器。

移動交通誘導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 網絡連接線與控制卡進行連接，以更新顯示內容。2） 交通指揮管理相關人員通過管理電腦連接誘導屏管理平臺服務器，選中需要發(fā)布警示信息的誘導屏，對顯示信息進行變更，該過程的鏈路是管理平臺通過互聯網連接到誘導屏中的4G 通信模塊，4G 模塊轉換為RS232（或RJ45 以太網）連接到顯示控制系統。

1.2 誘導屏機械結構

新西蘭項目中使用的太陽能交通誘導屏外形結構如圖2 所示，交通誘導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 太陽能交通誘導屏結構簡圖

1.2.1 頂部太陽能板支架結構

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定位的彈簧插銷，內外立柱間法蘭盤同樣配有調節(jié)顯示屏朝向的定位插銷，4 個支撐腿滑動結構的伸出長度調節(jié)也同樣配有定位插銷。

1.2.2 誘導屏顯示部分結構

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 是為防止誘導屏液壓缸失壓下降而增設的“O”形頭限位螺栓。

1.2.3 移動拖車平臺結構

7 是拖車在行進中防擺動的定位柱結構；8 是分立在立柱兩側的電池箱和液壓抬升動力單元箱；9 是為固定支撐腿和調節(jié)伸出長度的滑動結構；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 誘導屏能耗分析

2.1 誘導屏技術參數

交通誘導顯示屏包括4 個基本要求：明顯性、易讀性、易理解性和可信賴性[4]。我司改進設計前提供給客戶的移動交通誘導屏的具體參數見表1[3]。

表1 移動交通誘導屏主要技術參數表

2.2 誘導屏能耗模型

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

移動交通誘導屏的能耗部件包括LED 顯示系統和液壓升降系統，液壓升降為短時間使用并且功率大小與質量大小匹配，因此需要改進LED 顯示系統，以降低能耗。誘導屏顯示系統功率消耗的組成單元包括顯示控制卡、電壓轉換器（直流開關電源）、LED 顯示模組以及數據通信模塊。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） 提高能量轉換效率。移動誘導屏具有移動性，多布設在臨時路段，多數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，應盡量提高太陽能轉換效率，降低屏體溫度，提高直流開關電源的轉換效率η。

3 降低誘導屏能耗的改進方案

根據降低能耗的分析，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） 采用自動調節(jié)亮度的技術，根據環(huán)境亮度自動調節(jié)屏幕亮度[5]，從而降低能耗并延長誘導屏的工作時長；精細化管理屏幕開關機時間，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構，提高其轉換效率。

3.1 優(yōu)化功耗部件設計

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計原則，傳統LED顯示屏用驅動芯片靜態(tài)功耗電流約為7 mA～12 mA，改進設計選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。根據歐姆定律P=U×I（P為功率；U為電壓；I為電流），LED 的正向導通電壓VF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 數量。根據表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LED 的顆粒數。

三色LED 中亮度最低的黃光的光電參數見表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)格書中關于Rext（電流設定電阻）與Iout（LED 驅動電流）的關系曲線如圖3 所示，其關系公式如公式（3）所示。

圖3 MBI5037 片外電阻Rext 與Iout 變化曲線圖

式中：Iout為LED 驅動電流；VR-EXT為片外電阻壓降，VR-EXT=1.23V；Rext為電流設定電阻。

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

3.1.2 改進數據存儲及驅動方式

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。

為了實現減少顯示信息時LED 點亮的數量的目標，顯示數據的存儲突破傳統圖片RGB 三基色方式調整為五色RGBYW 模式。當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。這樣的驅動方式既減少了LED 點亮數量，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 工作驅動電流）），進行LED 和芯片供電分離電路設計。LED 顯示模組電源和數據端口的原理圖如圖4 所示。JP1、JP2為包括芯片供電電壓的顯示數據接口，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接板的接口，連接排線需用注塑28AWG/105℃的16 芯排線。根據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 張模組的應用需要。LED 的供電電源通過J1端子連接12 V 轉3.5 V 的直流開關電源，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 顯示模組電源及數據接口原理圖

3.1.4 設計專用驅動轉接板

根據LED 模組的燈驅電源分離設計，專門設計適配顯示控制卡的帶芯片供電電源的轉接板。轉接板原理如圖5 所示。IN 為40 拼接口，與控制卡的顯示輸出信號接口連接?？刂瓶ㄝ敵龅娘@示數據信號經過U1的放大后連接JP1～JP4的IDC16數據接口輸出，通過FC16排線與LED 顯示模組的數據輸入接口連接。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VIC 有電壓時，LED 點亮。專用驅動轉接板為后續(xù)控制LED 模組電源開關提供先決條件。

圖5 轉接板原理圖

3.2 避免無效損耗設計

3.2.1 設計LED 模組電源開關板

為了實現非工作時間可以切斷LED 顯示模組供電電源的功能，特別設計一款可以連接控制卡上IDC10多功能接口的電源開關板。繼電器開關板原理圖如圖6 所示，通過圖6 可知，電源開關控制信號經過顯示控制卡的MOS 管連接到電源接地端（GND）。在J5接線端子上，TOLEDs 為連接LED 模組供電直流開關電源的輸入端正極，標識5200連接控制卡的供電直流開關電源輸入正極，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屏的顯示功耗。

3.2.2 優(yōu)化通信模塊工作模式

根據通信模塊數據通信時與待機工作的功耗比較可以確認，數據通信時會消耗更多的電能。以表3 的無線通信模塊的技術參數為例，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 通信模塊部分技術參數表

為了節(jié)省通信數據量，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據作為內置節(jié)目進行存儲，當需要顯示時，只需要傳輸選播指令數據即可，避免更新圖片和文字信息時大數據的頻繁傳輸，縮短通信模塊工作時長，從而降低通信模塊能耗。

3.3 提高能量轉化效率設計

3.3.1 設計可調角度太陽能板支架

當對燈驅分離電路、存儲數據以及通信模式進行設計時，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，開啟角度設計為適應新西蘭的30°仰角與可旋轉角度的法蘭盤配合調節(jié)太陽能板朝向，以提高太陽能板的轉換效率，給蓄電池提供更多的充電電流。

圖7 太陽能支架結構示意圖

3.3.2 配置溫控散熱風扇

根據電子產品的工作特性，隨著溫度上升，帶載能力下降，能耗變大，開關電源溫度降載曲線（來源于明緯電源規(guī)格書）如圖8 所示。特在箱體內部增設監(jiān)測電源外殼溫度的溫控開關，當外殼溫度達到55 ℃（環(huán)境溫度30 ℃）時，開關閉合，風機通電工作，以降低屏體溫度熱，提高開關電源工作效率。

圖8 開關電源溫度降載曲線圖

3.3.3 增設蓄電池充電系統

為了確保在連續(xù)陰雨天的情況下誘導屏具備充電的條件，在電池箱內配置市電蓄電池充電器，外部增設澳規(guī)交流防水插座，以供連接市電對電池進行充電。同時，考慮當地冬季太陽光照弱和風力強的氣候特點，特別設計了可供連接風力發(fā)電機的接口。在冬季可以安裝風力發(fā)電系統，補充太陽能充電的不足。

4 誘導屏能耗改進設計成效

經過以上電路上的改進設計、結構上的優(yōu)化以及數據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屏比前一代相同顯示像素的誘導屏平均功耗降低超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 結語

為了滿足客戶對交通誘導屏連續(xù)工作時長的要求，該文逐步分析產生能耗的部位，以進行改進設計，通過檢查樣品實際測試結果，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屏的性能和產品競爭力。該移動交通誘導屏不僅可以作為交通誘導信息的發(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、方便現場和遠程更新顯示內容等特點，可以為駕駛人和行人快速、安全出行提供保障。

綜上所述，移動交通誘導屏的能耗降低，但是誘導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計為自動跟蹤太陽光照的支架，拖車導向輪采用減輕人力調整負擔的電動型，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。