CN102097858A - 用于大型led显示屏的混合直流电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大型LED显示屏的混合直流电源系统，该系统包括：内部具有太阳能光伏、蓄电池、AC-DC的多种电源输入模块(101)；与所述多种电源输入模块(101)相连将输入电压转化为同一电压等级的调制模块(102)；与调制模块(102)相连的智能切换控制模块(103)；与LED显示屏模块数目相对等且输出所需总电流的可扩展输出模块阵列(104)；GPRS远程监控模块(105)实时采集系统参数，并传送至监控管理中心。该系统依据LED显示屏模块的数量而进行了电源输出的对等模块化设计及扩展；提出了基于被监控参数变化梯度值的GPRS通讯流量自适应调节方法；实现了基于专家系统的多种电源智能切换控制。

Description

用于大型LED显示屏的混合直流电源系统
技术领域
本发明涉及一种直流电源系统及实现方法，特别是一种可用于大型LED显示屏的混合直流电源系统及其实现方法。
背景技术
LED显示屏已经被广泛用于水陆交通、市政、商业、金融、居民小区等信息显示场合，但是其供电直流电源主要仍然使用了传统的开关电源甚至线性电源。大型LED显示屏是由多个LED显示模块拼接构成，而单个LED显示模块又是由许多单个LED放光二极管组成的阵列而形成。LED显示屏的整体负荷是随着LED显示模块数目的多少而增减，呈现出模块化的特点。另一方面，LED显示屏通常是不间断地工作，累计耗电量非常巨大；并且其安装位置的常规电力铺设、电源系统的监控与调试通常也十分不方便。
因此，针对大型LED显示屏(尤其是户外大型LED显示屏)实现具有高可靠性多种电能来源、能适应外部环境而自动切换输入电能形式、可以根据LED显示屏负荷进行对应的输出拓展、且具有免维护远程监控及配置功能的混合直流电源，将是大型LED显示屏专用直流电源必需解决的问题。目前为止，还没有能够同时满足上述要求的混合直流电源系统，也没有与本发明所述实现方法相类似的直流电源系统实现方法。
发明内容
本发明是为了解决现有技术存在的问题而提出，目的在于提供一种具备太阳能光伏、蓄电池、AC-DC三者智能切换供电，可以依据LED显示模块的数量而扩展输出，能够通过GPRS无线网络实现远程实时的参数监控与设置，尤其适用于常规供电不便且需长期工作的大型LED显示屏的新型混合直流电源系统。本发明可以实现多种电能自动无扰切换、供电性能稳定，减轻了人员维护和管理工作量、整体系统的性价比高，达到了高效节能环保的目标。
本发明所采用的技术方案：提供一种用于大型LED显示屏的混合直流电源系统，其包括：以多种不同方式产生电能的多种电源输入模块101；与所述多种电源输入模块101直接相连，以将直流电压转化为同一电压等级的调制模块102；与所述调制模块102相连，通过检测外界切换条件而自动确定投切哪一种电源的智能切换控制模块103；与所述智能切换控制模块103相连，并可依据所述LED显示屏模块数目而进行对等配置的可扩展输出模块阵列104；采集所述电源系统的各种参数，并能够自适应地调节GPRS通讯流量，以实时发送至监控管理中心的GPRS远程监控模块105。
根据本发明的混合直流电源系统，所述多种电源输入模块101包括：以太阳能光伏、蓄电池、AC-DC不同方式产生电能的多种电源。
根据本发明的混合直流电源系统，所述智能切换控制模块103是以微控制器为核心，通过检测电路来采集外部切换条件；并运用所述微控制器内部实现的专家控制算法，通过电子或机械开关器件，自动实现系统中不同电源之间的切换控制。
根据本发明的混合直流电源系统，所述可扩展输出模块阵列104是由单个子模块并联而成，所述子模块的输入端与智能切换控制模块103输出端连接，所述子模块的输出端与LED显示屏的显示模块直接连接；并且所述可扩展输出模块阵列104的子模块数量依据所述LED显示模块的数量进行了对等化配置及扩展。
根据本发明的混合直流电源系统，所述的单个输出子模块是以集成开关元件为核心，并由电容器、电感器、续流二极管构成的Buck电路。根据本发明的一个实施例，所述单个输出子模块的输入电压为7V～40V，输出电压为5V，最大输出电流为3A，其平均工作效率可达70％～90％。
根据本发明的混合直流电源系统，所述GPRS远程监控模块105包括：输入被监控参数的采样电路501；实现模数转换的A/D转换电路502；进行本地保护控制、求取参数变化梯度并自适应地调整GPRS流量的微控制器503；将通讯数据打包传送至无线通讯网络的GPRS网络接口芯片504；将发送信号放大的射频功放单元505以及SIM卡接口电路506。
本发明还提供了一种用于大型LED显示屏混合直流电源系统的实现方法，所述方法包括以下步骤：S101.检测外界切换条件并做出逻辑判断以投切特定的输入电源，被选定投切的输入电源可以是太阳能光伏、蓄电池、AC-DC中一种；S102.根据LED显示屏的大小，而对应扩展直接与LED显示模块相连接的可扩展输出模块阵列的大小，以提供LED显示屏工作所需的总电流；S103.GPRS远程监控模块对所述电源系统的参数进行实时采集，并通过GPRS无线网络与监控管理中心通讯，实现远程监控及维护。
根据本发明的实施例，投切电源完全是基于专家控制算法，该专家控制算法的主体是一个解决本系统自动切换控制的指令规则集合，对于任何系统状态均能够找到相应的经验性处理规则。其具体实现包括：首先确定输入电源所对应的外部切换条件；其次根据经验数据和切换原则，建立专家规则库，无论系统处于何种状态专家库中均有对应的专家规则执行；然后通过采集外部切换条件并通过特定的编程语言来构造切换控制函数，该函数能准确调用该状态下专家库对应的专家规则；最终调用该切换控制函数，确保自动切换的进行。
根据本发明的实施例，所述专家控制算法的切换原则为：优先投切太阳能光伏电能，同时将多余电能储存在蓄电池中；夜晚或偶尔阴雨天导致太阳能光伏板电能不足时，投切使用蓄电池电能；只有在连续阴雨天时，太阳能和蓄电池均无法使用情况下，才切换至由市电供能的AC-DC电源。
根据本发明的实施例，所述可扩展输出模块阵列是由单个子模块并联构成，而所述单个子模块的输出电流对应于单个LED显示模块的负荷电流；因此，依据LED显示模块数目而对应扩展输出模块阵列中子模块数目，就能确保提供LED显示屏工作所需的总电流。
根据本发明的实施例，GPRS远程监控模块将所采集到变化的被监控参数进行梯度运算，并且基于梯度的不同阈值而改变被监控参数的发送周期，从而实现根据参数变换的快慢而自适应调整GPRS的通讯流量。所述的被监控参数包括所述混合直流电源系统的电压、电流、温度、湿度等参数。所述GPRS网络接口芯片504采用的是MC55，它通过标准串行口与所述微控制器503连接。
本发明的有益效果是：(1)引入了太阳能光伏、蓄电池等新型电能形式，实现了电能来源的多样化，达到了高效节能的目标，结束了LED显示屏长期使用单一开关电源甚至效率低下的线性电源的历史；(2)通过分析混合电源的切换条件，提出了基于专家算法的切换控制策略，实现了混合电源的智能无扰切换控制；(3)所述混合电源的输出采用了模块化并联的扩展结构，可以根据LED显示模块的数量而方便灵活地进行输出模块的增减，从而增强了系统的可扩展性；(4)利用GPRS模块和移动互连网技术，提出基于被控参数变化梯度值的通讯流量自适应调节方法，提高了系统远程监控及诊断维护的实时性；(5)所述混合电源在结构上采用了模块化的设计思想，各模块均独立实现且协同工作，局部故障不会扩散到其他部分，提高了系统的整体可靠性。
附图说明
图1是本发明中混合直流电源系统的整体结构框图；
图2是多种电源输入模块和调制模块的内部结构图；
图3是智能切换控制模块的内部结构图；
图4是可扩展输出模块阵列的内部结构图；
图5是GPRS远程监控模块的内部结构图；
图6是本发明中实现方法的流程图
图7是专家控制算法的切换控制状态图；
图8是专家控制算法的状态真值表；
图9是LED显示模块的内部结构图；
图10是GPRS无线通讯网络的结构图；
图11是被监控参数的变化梯度值与GPRS网络发送周期关系示意图；
图12是被监控参数的变化梯度值与GPRS网络发送周期的对应表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，其显示了本发明中混合直流电源系统的整体结构框图，它包括：多种不同方式产生电能的多种电源输入模块101；其输出连接到调制模块102以将不同直流电压转化为同一电压等级；智能切换控制模块103与所述调制模块102相连，通过检测外界切换条件并运用专家控制算法来实现不同电能的自动切换；可扩展输出模块阵列104与所述智能切换控制模块103相连，其输出连接到LED显示屏的显示模块，并且它依据LED显示模块数目进行了对等配置及扩展；GPRS远程监控模块105采集所述电源系统的各种参数，并采用基于被监控参数变化梯度值的自适应GPRS流量调节方法，以实时传送数据至远程监控管理中心，另一方面它也可以接收监控管理中心发出的系统配置信息。
参见图2，其显示了多种电源输入模块101和调制模块102的内部结构。所述多种电源输入模块101包括了：太阳能光伏板201、蓄电池202、AC-DC电源203，这三者以并联形式输出直流电能连接到调制模块102；所述太阳能光伏板201可由多个单块太阳能光伏板以串联或并联及其组合方式连接，以达到合适的电压等级并提供足够的电流；所述蓄电池202可由多个单独蓄电池以串联或并联及其组合方式连接，以达到合适的电压等级并提供足够的电流；所述AC-DC电源203由工频交流电供电，并将其转换为合适的直流电压并提供足够的电流。
在图2中，调制模块102实现了输入太阳能光伏、蓄电池、AC-DC之间不同电压的协同调制和隔离变换。所述调制模块102中，太阳能光伏板201与AC-DC电源203通过充放电管理电路204与蓄电池202连接；该充放电管理电路采用负脉冲去极化，击穿结晶硫化物、消除过充电，有效保证了蓄电池寿命。太阳能光伏板201通过电容C1、C2以及电感L组成的∏形滤波电路后得到平滑脉动很小的直流电流；二极管D1、D2是防止电流反向，开关器件K1、K2实现三种电源隔离和切换，其输出经调制转化为相同的直流电压等级，再输出到智能切换控制模块103。
在本发明的实施例中，太阳能光伏板201采用了多晶硅太阳能光伏板CETC48-150，在1000照度25℃情况下其峰值电压为16.65V、峰值电流为8.88A；蓄电池202采用了铅酸蓄电池LC-X12120ST，该蓄电池容量为120AH；AC-DC 203采用通用模块化AC-DC电源，其输出电压等级为+12V，电流为25A。由于上述三者输出电压等级近似，实施例中对于调制模块102进行了简化；充放电管理电路204、二极管D1、D2、∏形滤波电路以及开关元件K1、K2一同构成调制模块102。充放电管理电路204包括了起振、逻辑、开关、整流四个部分。起振部分由RC振荡电路构成，震荡脉冲经过逻辑部分产生电平信号送往施密特触发器CD4042，形成两路相位相反的PWM信号以控制三极管的导通。开关部分采用两组并接的N沟道和P沟道场效应对管K2956与J471。整流部分采用桥式整流电路。起振与逻辑部分采用CD4069UBE集成芯片，它具有标准的对称输出特性。
参见图3，其显示了智能切换控制模块103的内部结构图。所述智能切换控制模块103包括：由传感器组301采集了多种电源输入模块101中电压、电流、温度等模拟信号，经过调理电路302进行滤波和电压变换后，送入A/D(模数变换器)303转换成相应的数字信号，然后再送入微控制器304，所述微控制器304内部采用C语言实现了专家控制算法，经过该算法处理得到的控制指令经过驱动放大电路305进行功率放大后，进一步驱动开关器件306工作，同时微控制器304还将状态指令发送到状态指示307，指示智能切换控制模块103当前的切换状态。所述智能切换控制模块103的切换控制原则为：优先投切太阳能光伏电能，同时将多余电能储存在蓄电池中；夜晚或偶尔阴雨天导致太阳能电池电能不足时，投切使用蓄电池电能；只有在连续阴雨天时，太阳能和蓄电池均无法使用情况下，才切换至由市电供能的AC-DC电源。
在本发明的实施例中，电压传感器301采用分压电阻网络；电流传感器301采用康铜丝和集成运放LM358N；温度传感器301采用DS18B20，它具有单总线接口方式，温度测量范围-55℃～+125℃，测量精度为0.5℃，可设置温度超限自动报警值；A/D(模/数变换器)303采用微控制器内部的模拟比较器Comparator_A和定时器Time_A，所构成斜率(Slope)A/D转换；微控制器304采用了16位低功耗单片机MSP430，工作电压1.8～3.6V，正常工作功耗可控制在200μA以下；驱动放大电路305采用S8050三极管放大电流；开关器件306采用工作电压为+5V，最大电流10A的固态继电器；状态指示模块307采用了LED发光二极管。
参见图4，其显示了可扩展输出模块阵列104的内部结构图。所述可扩展输出模块阵列104包括：由多个的可扩展输出子模块401经过并联而构成了输出阵列，具体并联的输出子模块数目可以根据LED显示模块402的数目(即负载规模)而自适应配置；所述可扩展输出子模块401内部又是由DC-DC变换电路4011和电压反馈PWM调节电路4012构成，当DC-DC变换电路4011的输入电压不稳定，引起其输出电压波动时，电压反馈PWM调节电路4012利用DC-DC变换电路4011的输出电压作为反馈信号，调整DC-DC变换中PWM调制波的占空比，从而使得其输出电压始终稳定于标称值。可扩展输出子模块401的输入端与智能切换控制模块103连接，其输出端连接至所对应的LED显示模块，并以标称电压值向其供电。
在本发明的实施例中，可扩展输出子模块401是以集成开关元件LM2576为核心，辅以电容、电感、续流二极管构成BUCK电路。LM2576是输出电流3A的降压开关型集成稳压芯片，内部含固定频率振荡器(52KHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有限电流、热关断等保护电路，利用该器件能够比较方便地构成+5V的高效稳压输出子模块。
参见图5，其显示了GPRS远程监控模块105的内部结构图。所述GPRS远程监控模块105包括：由采样电路501采集本混合电源系统中电压、电流、温度、湿度等模拟信号参数，经过A/D(模/数变换器)502转换成数字信号之后传至微控制器503；所述微控制器503中采用C语言编写基于变化梯度值的自适应通讯流量调节算法来设置发送数据周期，然后再经过标准串口与GPRS网络接口芯片504连接；所述GPRS网络接口芯片504通过SIM卡电路506以识别已开通GPRS服务功能的SIM卡号，并进一步通过射频功放单元505将IP数据包传送至GPRS网络，完成与无线Internet网络的数据交换；最后由远程监控中心的计算机接收数据，完成实时监控及诊断维护。
在本发明的实施例中，采样电路501同301；A/D(模/数变换器)502同303；微控制器503同304；GPRS网络接口芯片504则使用了集成的GPRS无线通讯模块MC55。它是低功耗(峰值电流450mA)三频无线模块，除了具有GSM模块的原有功能外，还支持分组业务功能，并且内置TCP/IP协议、AT指令集。MC55还具有5K的数据缓存用于GPRS数据包传输，能够满足本系统中全部数据采集的需要。射频功放单元505、SIM卡电路506均采用了标准无线移动通讯终端的标准部件实现，保证了网络设备的兼容性。
本发明所提供的用于大型LED显示屏混合直流电源系统的实现方法，具体如下：
参见图6，其显示了本发明中实现方法的流程图。所述实现方法包括：S101.实现多种电源智能切换的专家控制算法；S102.实现输出模块阵列的对等模块化设计及扩展法；S103.实现基于被监控参数变化梯度值的GPRS通讯流量自适应调节方法。
所述多种电源智能切换专家控制算法S101具体包括：首先确定输入电源所对应的外部切换条件；其次根据经验数据和切换原则，建立专家规则库，无论系统处于何种状态在该库中均有对应的切换规则执行；然后通过采集外部切换条件利用特定的编程语言来构建切换控制函数；最后调用切换控制函数以执行该状态下专家库中对应的专家规则，以确保自动切换的进行。该专家控制算法的主体是一个解决本系统自动切换控制的指令规则集合，通过检测外界切换条件并做出逻辑判断以投切特定的输入电源，被选定投切的输入电源可以是太阳能光伏、蓄电池、AC-DC中的一种。
参见图7，其显示了所述专家控制算法的切换控制状态图：将采样得到的外部切换条件经过滤波、转换形成电压信号送往微处理器；当太阳能板电压大于预设值(12V)时判断为高电平，否则判断为低电平；投切控制过程还要考虑光伏板安全工作，必须对其充放电条件加以严格限制；为防止蓄电池过充电，采集电路实时将蓄电池的电压值与电流值传给微处理器，当蓄电池电压大于预设上界值(14.4V)并且电流值低于预设下界值(30mA)时，判断蓄电池已经充满，则断开蓄电池以免过充电影响电池使用寿命，由太阳能单独提供所需电力；为了防止蓄电池深度放电，监控电路同样将采集到的蓄电池的电压值与电流值实时传给微处理器，当蓄电池的电压值低于预设下界值(9V)判断为低电平，此时微处理器输出控制信号通过开关元件K1、K2以接通市电，市电经过降压整流变成直流给蓄电池充电，且同时向负载提供电力。
参见图8，其显示了在不同外部切换条件输入的情况下，所述专家控制算法的输出状态真值表：对于开关器件K1(常开型)，“1”表示开关动作闭合，“0”表示开关不动作打开；对于开关器件K2(常闭型)，“1”表示开关动作打开，“0”表示开关不动作闭合。
在本发明的实施例中，利用了类C语言实现所述智能切换专家控制算法如下：
1.选取和确定外部切换条件：
外部切换输入条件：太阳能光伏板电压(VS)，蓄电池充电电流(IB)，蓄电池电压(VB)；
输出控制量：开关量K1，开关量K2。
2.建立专家控制算法的规则库
切换控制规则库()
  {
       A.K1断开&&K2闭合  //该操作适合于太阳能或蓄电池充足的情况下，由太阳
                           能供电或由蓄电池供电(太阳能供电蓄‖电池供电)；
                           或者所有电源均不可用，系统处在完全失电状态，此
                           时蓄电池已经通过K1、K2而自动切离保护，系统等
                           待上电重启
       B.K1闭合&&K2断开  //该操作适合于太阳能无电且蓄电池冲放电过流的情况
                           下，由市电供电(太阳能无电&&蓄电池冲放电过流)
       C.K1断开&&K2断开  //该操作适合于太阳能与蓄电池均充足的情况下，由太
                           阳能直接供电(太阳能直接供电&&蓄电池充满)；
                           或者太阳能充足且蓄电池冲放电过流的情况下，由太
                           阳能直接供电(太阳能直接供电&&蓄电池冲放电过
                           流)
       D.K1闭合&&K2闭合  //该操作适合于太阳能与蓄电池均无电的情况下，由市
                           电供电(太阳能无电&&市电给蓄电池充电)
  }
3.构建切换控制函数：
Void   Expert_Switch_function(float  VS，float  VB，float  IB)
//VS为太阳能光伏板电压，VB为蓄电池电压，IB为蓄电池充电电流
  {
   If(VS＜12V  &&  VB＜9V  &&  IB＜500mA)
      {K1＝1；K2＝0；}；
   If(VS＜12V  &&  VB＜9V  &&  IB＞500mA)
      {K1＝1；K2＝1；}；
   If(VS＜12V  &&  VB＞9V  &&  IB＜500mA)
      {K1＝0；K2＝0；}；
   If(VS＜12V  &&  VB＞9V  &&  IB＞500mA)
      {K1＝1；K2＝1；}；
   If(VS＞12V  &&  VB＜9V  &&  IB＜500mA)
      {K1＝0；K2＝0；}；
   If(VS＞12V  &&  VB＜9V  &&  IB＞500mA)
      {K1＝0；K2＝1；}；
   If(VS＞12V  &&  VB＞9V  &&  IB＜500mA)
      {K1＝0；K2＝1；}；
   If(VS＞12V  &&  VB＞9V  &&  IB＞500mA)
      {K1＝0；K2＝1；}；
  }
4.利用定时中断来调用切换控制函数：
  Void  T0_Int()  interrupt 1  using 1    //使用定时中断Timer0和寄存器组1
    {  external  long  sreg；             //引用外部的定时次数变量
   TR0＝0；                                 //停止定时器Timer0
   TH0＝0xFF；TL0＝0xEF；                   //重载定时器Timer0＝1ms
   TR0＝1；                                 //再启动定时器Timer0
   sreg＝sreg+1；                           //定时次数变量加1
   if(sreg＝＝600000)                       //定时10分钟后，才进行下一次切换操作
   {sreg＝0；                               //清零定时次数变量
     Get_AD(&VS，&VB，&IB)；                //调用AD函数，获得当前VS，VB，IB输入值
     Expert_Switch_function(VS，VB，IB)；}  //调用切换控制函数
  }
所述输出模块阵列的对等模块化设计及扩展法S102具体包括：首先计算出单个LED显示模块的负荷大小；其次计算出LED显示屏的单位面积负荷大小；然后根据对应模块化设计原则，求出LED显示屏单位面积所需的电源输出子模块数目；最后依照对等扩展原则，确定可扩展输出模块阵列的总体子模块数目，以提供LED显示屏工作所需的总功率。
在本发明的实施例中，可扩展输出模块阵列是由单个子模块并联构成，而所述单个子模块的输出电流对应于单个LED显示模块的负荷电流；因此依据LED显示模块数目而对应扩展输出模块阵列中子模块数目，就能确保提供LED显示屏正常工作所需的总电流。其实现过程如下：
1.计算单个LED显示模块的负荷
参见图9，其显示了LED显示模块的内部结构图。LED显示模块是由多个LED二极管按照行列网格的形式构成，一次刷新串行的单行数据，以控制相应一行LED二极管的明灭。
单个LED显示模块的满负荷(全亮)电流＝LED显示模块总像素×每像素中LED数目
                            ×单个LED管的电流值/扫描数
上式中，单个LED管的电流值一般为5～20mA，通常是取为10mA；扫描数一般室内屏为16扫，半户外屏为8扫或16扫，室外屏一般是4扫、2扫或静态(1扫)。
在本发明的实施例中，对于标准5.0双基色室内屏的单个LED显示模块满负荷电流是：
单个LED显示模块的满负荷电流＝(32×64)×2×0.01/16＝2.56A
2.计算LED显示屏的单位面积负荷
在本发明的实施例中，对于标准5.0双基色室内屏的单位面积满负荷(全亮)电流是：
2.56A×5V/(0.488m长×0.244m高)＝107W/m2
3.求出LED显示屏单位面积所需的电源输出子模块数目
根据本发明的实施例，可扩展输出模块阵列是由单个子模块并联而构成；每个子模块均是以集成开关元件为核心的Buck电路，输出电压为+5V，最大输出电流为3A。它满足标准5.0双基色室内屏LED显示模块的对应模块化设计要求。因此，针对上述LED显示屏单位面积所需的电源输出子模块数目应当为：
107W/(3A×5V)≈7块
4.确定可扩展输出模块阵列的子模块总数目
根据本发明的实施例，对于标准5.0双基色室内屏依据对等扩展原则，按照LED显示屏面积大小而相应扩展，求出电源输出模块阵列中的子模块总数目应当是：
(S/1)×7块＝7×S块
当LED显示屏面积S＝9m2时，则可扩展输出模块阵列的子模块总数目为7×9＝63块。
根据本发明的另一实施例，针对户外4扫(2红1绿1蓝)8×16点阵全彩屏，其LED显示模块的满负荷电流是：(8×16)×4×0.01/4＝1.28A；其单位面积负荷是：1.28A×5V/(0.256m长×0.128m高)＝195W/m2；所以该LED屏单位面积所需的电源输出子模块数目为：195W/(3A×5V)≈13块；又该LED显示屏的面积为12m2，则所需的可扩展输出子模块总数目应是：12m2/1m2×13块＝156块。
所述基于被监控参数变化梯度值的GPRS通讯流量自适应调节方法S103具体包括：首先，需要构建GPRS通讯网络及PPP(Point-to-Point Protocol)链路；其次，应当设置心跳包以维持网络连接；最后，应当计算出被监控参数的梯度值，并依据其大小而改变心跳包的发送周期。
在本发明的实施例中，所述基于被监控参数变化梯度值的GPRS通讯流量自适应调节方法实现过程如下：
1.构建GPRS通讯网络及PPP链路
参见图10，其显示了GPRS无线通讯网络的结构图。所述GPRS无线通讯网络系统包括：混合直流电源系统、GPRS远程监控模块、GPRS网络、Internet网络以及监控管理中心五个部分。各混合直流电源系统均通过所述GPRS远程监控模块连接到GPRS网络，网络拓扑形式可以为星形或自由拓扑；GPRS远程监控模块是以APN(Access Point Name)方式接入GPRS网络，它实现了所述混合直流电源系统中电压、电流、温度、湿度等系统参数的采集和滤波，并且所述各种参数经过打包转换为IP数据包后，通过无线GPRS网络以分组形式发送给相邻基站(Basic Station System)；IP数据包经过移动运营商的后台服务器最终传输到Internet网络，监控管理中心的服务器通过Internet网络而接收IP数据包并提取出被监控参数，从而实现了远程的实时监控。
利用GPRS分组业务进行通讯前，必须与GPRS网络进行协商并建立PPP(Point-to-PointProtocol)链路。典型的PPP链路建立过程分成三个阶段：第一阶段为链路创建阶段，使用了链路控制协议LCP(Link Control Protocol)；第二阶段为认证阶段，使用口令验证协议PAP(Password Authentication Protocol)或挑战握手认证协议CHAP(Challenge handshakeauthentication protocol)；第三阶段为网络协商阶段，使用了IP控制协议IPCP(Internet ProtocolControl Protocol)。经过上述三个阶段后，可以建立一条完整的PPP链路。
2.设置心跳包以维持网络连接
GPRS网络已经连接并且分组数据协议激活后，若超过网络设定的定时，GPRS移动性管理状态会从Ready状态进入到Idle状态，分组数据协议也从激活状态跳转到去激活状态，从而令GPRS传输终端断开连接。此时，网络系统已将传输路由信息删除，因而会导致网络掉线和数据丢包。
在本发明所述的实现方法中，解决GPRS网络掉线问题采用了心跳包触发技术。心跳包触发是指在设定时间间隔内，周期性地主动发送出链路维持信息，触发网关接入点(GGSN)、业务接入点(SGSN)、移动台(MS)内部的等待定时器，使得传输链路回复至初始状态，从而保持数据传输链路的连通。
在本发明的实施例中：GPRS远程监控模块激活了网络连接后，将启动一个心跳包的触发进程；在该进程中采用定时器来设置心跳包的发送时间间隔，默认周期值为60秒；当定时器定时到达，GPRS远程监控模块将发送心跳包至监控管理中心，以实现对本地位置寄存器、GGSN和SGSN等移动性管理状态定时器的刷新；所述混合直流电源系统中各种被监控参数也将被打包填充于心跳包中，实时发送到远程的监控管理中心。
3.计算出被监控参数的梯度值，并依据其大小而改变心跳包的发送周期。
在设置心跳包发送周期时，不能将定时设置得过短，发送周期过短会造成通讯费用的增加；但是心跳包发送周期过长，又会导致网络掉线或影响被监控数据的实时性。梯度值的大小表示了被监控参数的变化快慢，能够作为实时性强弱的指标。因此，本发明所述的混合直流电源系统采取了依据被监控参数变化梯度值而动态调整心跳包发送周期的通讯调度策略。
在本发明所述混合直流电源的实现方法中，设置心跳包发送周期的具体步骤为：首先，针对各种不同被监控参数而设定各自的梯度阈值分组(对应于不同大小的发送周期)；其次根据梯度公式，实时计算出各被监控参数的梯度值；最后，将被监控参数的梯度值与对应的梯度阈值分组进行比较，从而确定该参数的发送周期。对于单变量的实函数，梯度就是其导数；因而在本发明实施例中，采用了单步离散求导公式：
Grad＝[Y(k)-Y(k-1)]/T
   上式中，Y(k)是被监控参数的当前值，Y(k-1)是上一次的值，Grad为变化梯度值，T是其发送周期。
参见图11，其显示了被监控参数的变化梯度值与GPRS网络发送周期的关系。该图中横坐标表示某被监控参数的梯度值，纵坐标表示相应梯度值下的网络发送周期。由图可知，随着被监控参数的梯度值增大，其网络发送周期(也即心跳包发送周期)呈现阶梯状递减；并且一定范围内的梯度值对应着唯一的网络发送周期。参见图12，其显示了本发明实施例中被监控参数的变换梯度值与GPRS网络发送周期的对应关系表。表中的被监控参数包括了系统的电压、电流、温度、湿度等。
在本发明的实施例中，采用类C语言编写了通讯流量的自适应调节方法如下：
Grad_function(float X1，float X2)   //X1为前一次的被监控参数值，X2为其当前值
 {float gradY；
   gradY＝fabs((X2-X1)/T)；//依照公式求出梯度的绝对值，T为心跳包定时器值
        return(gradY)；}               //返回梯度绝对值
   Void  T0_Int()  interrupt 1  using 2  //使用定时中断Timer0和寄存器组2
    {byte  i，j，flag；                  //设置临时变量和发送标志变量
     float  G[4][7]＝{{0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，4.0}，{0.1，0.2，0.3，0.5，0.8，1.0，1.5}，
            {0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5}，{0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，2.0，3.0}}；//设置各项参数的梯度阈值
     float  g[4]；                       //存放计算出的各参数梯度值
     external  float  X_K[4]，X_K1[4]；  //引用全局变量，存放各参数的当前值及前一次值
     word  T[8]＝{60000，50000，40000，30000，20000，10000，5000，5000}；//存放梯度阈值分组
     external  word  t[4]；              //引用全局变量，以存放各参数的发送周期值
     TR0＝0；                            //停止定时器Timer0
     TH0＝0xFF；TL0＝0xEF；              //重载定时器Timer0＝1ms
     TR0＝1；                            //再启动定时器Timer0
     flag＝0；                           //清除发送标志变量
     for(i＝0；i＜4；i++)
     {  t[i]--；                        //各参数的发送周期变量减1
        if(t[i]＝＝0)                   //下标为第i号参数的发送周期定时已到达
        {  flag＝1；                    //设置发送标志变量
           get_AD(&X_K[0]，&X_K[1]，&X_K[2]，&X_K[3])；
                                       //调用AD函数，获得各参数的当前值
           g[i]＝Grad_function(X_K1[i]，X_K[i])；
                                       //调用梯度函数，计算各参数的当前梯度值
           t[i]＝T[0]；                //设置发送周期为默认值
           for(j＝0；j＜7；j++)
                if(g[i]＞G[i][j]){t[i]＝T[j+1]；break；}
                                       //由该变量梯度值，求取对应的发送周期
        }
   }
  if(flag＝＝1){Send_Data(X_K[0]，X_K[1]，X_K[2]，X_K[3])；//发送当前各参数值X_K
                for(i＝0；i＜4；i++)X_K1[i]＝X_K[i]；}
                                            //将各参数的当前值X_K保存到X_K1中
}
在本发明的实施例中，依照所述方法保证了被监控参数的传输实时性，并且极大地减少了GPRS远程监控模块的信息流量、节省了通讯费用。

Claims (10)

1.一种用于大型LED显示屏的混合直流电源系统，其特征在于，包括：
以多种不同方式产生电能的多种电源输入模块(101)
与所述多种电源输入模块(101)直接相连，以将直流电压转化为同一电压等级的调制模块(102)
与所述调制模块(102)相连，通过检测外界切换条件并运用专家控制算法来确定投切哪一种电源，以实现自动切换的智能切换控制模块(103)
与所述智能切换控制模块(103)相连，并依据所述LED显示屏模块数目来进行对等配置的可扩展输出模块阵列(104)
采集所述电源系统的各种参数，并基于所述参数的变化梯度值来自适应调节通讯流量，以实时发送至监控管理中心的GPRS远程监控模块(105)。
2.根据权利要求1所述的混合直流电源系统，其特征在于，所述多种电源输入模块(101)包括太阳能光伏板、蓄电池和AC-DC电源。
3.根据权利要求1所述的混合直流电源系统，其特征在于，所述智能切换控制模块(103)是以微控制器为核心，通过检测电路来采集外部切换条件；并运用所述微控制器内部实现的专家控制算法，通过电子或机械开关器件，自动实现主电路中不同电源之间的切换控制。
4.根据权利要求1所述的混合直流电源系统，其特征在于，所述可扩展输出模块阵列(104)是由单个子模块并联而成，所述子模块的输入端与智能切换控制模块(103)输出端连接，所述子模块的输出端与LED显示屏的显示模块直接连接；并且所述的可扩展输出模块阵列(104)的子模块数量根据所述LED显示模块的数量进行了对等配置及扩展。
5.根据权利要求4所述的混合直流电源系统，其特征在于，所述单个子模块是以集成开关元件为核心，并由电容器、电感器、续流二极管构成的Buck电路；输入电压为7V～40V，输出电压为5V，单个子模块最大输出电流为3A，平均工作效率可达70％～90％。
6.根据权利要求1所述的混合直流电源系统，其特征在于，所述GPRS远程监控模块(105)包括：输入被监控参数的采样电路(501)；实现模数A/D转换电路(502)；进行本地保护控制、计算参数变化梯度并自适应调整GPRS流量的微控制器(503)；将通讯数据打包传送至无线通讯网络的GPRS网络接口芯片(504)；将发送信号放大的射频功放单元(505)以及SIM卡接口电路(506)。
7.一种实现用于大型LED显示屏的混合直流电源系统的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S101检测外界切换条件并做出逻辑判断以投切特定的输入电源，所述输入电源是太阳能光伏、蓄电池或AC-DC；
S102根据LED显示屏的大小，而对应扩展直接与LED显示模块相连接的可扩展输出模块阵列的大小，以提供LED显示屏工作所需的总电流；
S103GPRS远程监控模块对所述电源参数进行实时采集，并通过GPRS无线网络与监控管理中心通讯，实现远程监控及维护。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述S101步骤中：投切输入电源完全基于专家控制算法，所述专家控制算法的主体是一个解决本系统自动切换控制的指令规则集合，对于任何系统状态均能够找到相应的经验性处理规则；所述经验性处理规则包括：确定外部切换条件；建立专家规则库；构建切换控制函数；调用切换控制函数四个步骤。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述S102步骤中：可扩展输出模块阵列中单个子模块的输出电流对应于单个LED显示模块的负荷电流；并且必须依据LED显示模块数目而对等地扩展输出模块阵列中子模块数目，以确保能够提供LED显示屏工作所需的总电流。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述S103步骤中：GPRS远程监控模块将所采集到变化的被监控参数进行梯度运算，并基于梯度的不同阈值改变被监控参数的发送周期，以实现根据参数变换的快慢来自适应调整GPRS的通讯流量。
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