CN108492590B - 一种信号灯控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，公开了一种信号灯控制系统，所述系统具有以下特点：1.所述系统可通过太阳能供电，不依赖与现场供电环境，节能环保；2.该系统对于蓄电池电量不足等异常情况，有完善的应对机制，因此整套系统可靠；3.能够提前预知可能存在供电风险，提醒维护人员及时采取应对措施，避免异常情况发生；4.方案只需在主控制机附近放置太阳能电池板和蓄电池组即可，方便布设，系统结构简单。

Description

一种信号灯控制系统

技术领域

本发明涉及交通技术领域，尤其涉及一种信号灯控制系统。

背景技术

目前交通信号灯绝大多数为强电控制信号灯，每个信号灯灯色都有独立的灯线，供电电源采用220/380V交流电压。由于交通道路一般都很长，对于远离市区的道路交叉口，也需要单独铺设电线，用来为信号灯供电，线路越长，电力的损耗越大。

城市中供电设施不理想的区域，迫切需要通过光伏供电的交通信号控制系统，而现有的光伏供电交通信号控制系统方案较存在着一系列的问题。如何设计布设方便、具有完善异常处理机制、可靠性可维护性好的光伏供电的交通信号控制系统，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种信号灯控制系统，用以提供一种通过光伏供电的交通信号控制系统。

本申请实施例提供一种信号灯控制系统，包括：

太阳能电池板，用于利用太阳能转换的电能，为蓄电池充电；

主控制机，用于获取灯色输出命令，所述灯色输出命令用于控制所述主控制机所管理的信号灯组中信号灯的灯色输出，并发送至所述信号灯组中的信号灯；确定向所述信号灯组中的信号灯供电的供电电压值，并通过所述蓄电池按照所述供电电压值为所述信号灯组中的信号灯进行供电；

所述信号灯组，包括至少一个信号灯，用于接收所述主控制机发送的灯色输出命令，并根据所述主控制机发送的灯色输出命令输出相应的灯色。

一种可选地实施方式中，所述主控制机具体用于：

计算供电电压分别为N个预设电压值时，所述信号灯控制系统在每个预设电压值下的功率，获得N个系统功率，N为大于1的整数；

将所述N个系统功率中功率值最小的系统功率对应的预设电压值作为向所述信号灯组中的信号灯供电的供电电压值。

一种可选地实施方式中，所述主控制机具体用于：

确定所述蓄电池的供电时长小于第一预设时长时，停止向所述信号灯组供电，并向所述信号灯组内的信号灯发送关机命令，所述关机命令用于指示所述主控制机将关机；

所述信号灯组中的每个信号灯，使用各自的备用电源模块进行供电；所述信号灯组中的主信号灯，接收到所述关机命令后，控制所述信号灯组中信号灯的灯色输出，所述主信号灯为所述信号灯组中预设的信号灯。

一种可选地实施方式中，所述蓄电池的供电时长T满足以下公式：

T＝Q/[60*(P_S/η₂-η₁*P_L)]

其中，Q为所述蓄电池的剩余电量,P_L为所述太阳能电池板的输出功率，P_S为所述信号灯控制系统的系统功率，η₁为所述太阳能电池板输出能量到所述蓄电池内存储电能的能量转化效率，η₂为所述蓄电池的输出能量到信号灯控制系统消耗能量的能量转化效率。

一种可选地实施方式中，所述信号灯组中的主信号灯：

接收每个灯色输出周期中，所述主控制机向所述信号灯组中的每个信号灯，发送的灯色输出命令；

所述信号灯组中的主信号灯，确定所述主控制机离线或故障时，确定出一个目标灯色输出周期的所有灯色输出命令，并根据目标灯色输出周期的所有灯色输出命令在应急时间段内控制所述信号灯组中信号灯输出相应的灯色，所述主信号灯为所述信号灯组中预设的信号灯，所述应急时间段为所述主控制机离线或故障时的时间段，所述目标灯色输出周期为确定所述主控制机离线或故障之前的任意一个灯色输出周期。

一种可选地实施方式中，所述主控制机具体用于：

周期性的向所述信号灯组中的信号灯，发送心跳报文；

所述信号灯组中的信号灯，接收到所述心跳报文，并向所述主控制机发送心跳响应报文。

一种可选地实施方式中，所述信号灯组中的主信号灯具体用于：

接收到所述主控制机发送的关机命令，或者在第二预设时长内未接收到所述主控制机发送的心跳报文，则确定所述主控制机离线或故障，所述第二预设时长大于所述心跳报文的发送周期。

一种可选地实施方式中，所述主控制机具体用于：

通过与所述信号灯组中的每个信号灯连接的供电线，为所述信号灯组中的每个信号灯供电。

一种可选地实施方式中，所述主控制机具体用于：

通过与所述信号灯组中的每个信号灯连接的通信线，与所述信号灯组中的每个信号灯通信。

一种可选地实施方式中，所述通信线为RS485总线，或以太网网线。

根据本申请实施例提供的系统，通过太阳能电池板转换的太阳能进行供电，使得该系统应用范围广；该系统中，主控制机能够实现对信号灯组进行供电以及灯色输出控制，能够保证对交通的控制，方便布设，系统结构简单。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种信号灯控制系统结构示意图；

图2为本申请实施例提供的主控制机结构示意图；

图3为本申请实施例提供的信号灯结构示意图；

图4为本申请实施例提供的为供电线进行供电的供电电压的模块结构示意图；

图5为本申请实施例提供的光照强度与时间t的关系示意图；

图6为本申请实施例提供的太阳能电池板示意图；

图7为本申请实施例提供的信号灯控制流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本申请实施例提供的一种信号灯控制系统结构示意图。

参见图1，该信号灯控制系统包括：太阳能电池板101，主控制机102，蓄电池103，信号灯组，所述信号灯组包括至少一个信号灯，例如图1中的信号灯1041至信号灯1044。

本申请实施例提供的信号灯控制系统中，所述主控制机102与信号灯组中的每个信号灯之间连接着供电线，主控制机102通过与所述信号灯组中的每个信号灯连接的供电线，为所述信号灯组中的每个信号灯供电。

相应的，所述主控制机102与信号灯组中的每个信号灯之间还可以连接着通信线，所述主控制机102从而可以通过与所述信号灯组中的每个信号灯连接的通信线，与所述信号灯组中的每个信号灯通信。其中，所述通信线可以为RS485总线，或以太网网线等，RS为Recommended Standards(推荐标准)的缩写。

具体的，太阳能电池板101，用于利用太阳能转换的电能，为蓄电池103充电。

所述主控制机102，用于获取灯色输出命令，所述灯色输出命令用于控制所述主控制机102所管理的信号灯组中信号灯的灯色输出，并发送至所述信号灯组中的信号灯。具体的，主控制机102可以获取服务器下发的灯色输出命令，然后发送至所述信号灯组中的每个信号灯。

主控制机102，还用于确定向所述信号灯组中的信号灯供电的供电电压值，并通过所述蓄电池103按照所述供电电压值为所述信号灯组中的信号灯进行供电。

所述主控制机102还可以用于管理蓄电池103充放电；检测太阳能电池板101、蓄电池103的工作状态等，后面将详细描述，在此不再赘述。

所述信号灯组，包括至少一个信号灯，用于接收所述主控制机102发送的灯色输出命令，并根据所述主控制机102发送的灯色输出命令输出相应的灯色。

所述信号灯组中的每个信号灯，可以通过供电线获取供电电能；通过通信线获取通信信息；检测自身的红灯头、黄灯头、绿灯头的实时工作状态，并将实时工作状态返回给主控制机102。

当主控制机102离线或故障时，所述信号灯组中的信号灯能够继续工作，并且信号灯之间能够建立自组网，继续进行灯色输出。

该系统还可以包括至少一个倒计时牌，例如图1中的倒计时牌1051至倒计时牌1054，用于倒计时红绿灯的剩余显示时间等。每个倒计时牌也可以通过供电线、通信线与主控制机102连接，主控制机102从而可以向倒计时牌供电以及发送消息。

当然，该信号灯控制系统还可以包括其他设备，在此不再赘述。

本申请实施例中，所述主控制机102的结构可以如图2所示。

参见图2，主控制机102包括：

(1)网络通信模块。网络通信模块可以为有线通信模块，或无线通信模块，或者二者的结合，该部分可为以太网口、通用分组无线服务技术(General Packet RadioService，简称GPRS)、窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)等模块，用于连接广域网。

(2)定位模块，该部分为全球定位系统(Global Positioning System，GPS)模块和/或北斗定位模块，用于获取定位信息与时间信息。

(3)存储模块，用于存储通过网络获取到的方案信息以及配置信息。

(4)串口通信模块，该模块可以为RS485通信模块，与通信线连接，用于与各个信号灯进行通信，例如下发对各信号灯的灯色输出命令，获取信号灯上传的检测信息等。

(5)光伏控制模块，可以包括光伏控制器，主要功能如下：用于获取太阳能电池板上的电能，为蓄电池充电，并为主控制机提供持续稳定的直流供电。

(6)检测模块，用于检测太阳能电池板以及蓄电池的电压、电流值，并将检测值送给主控器；当蓄电池的电量不足时，能够切断供电输出。

(7)电压转换模块，用于将光伏控制器输出的电压转换为控制器指定的电压，从而通过供电线向信号灯以及倒计时牌等供电。(同等功率下，电压越高，供电线上消耗的电量越小。)

电压转换模块可以包括DC/DC模块以及数字电位器。其中DC为“直流电”(DirectCurrent)的缩写。

DC/DC模块，可以为开关电源，该开关电源用于给除主控制机102以外所有设备供电，直接与供电线相连。该开关电源包括有一负反馈接口，与数字电位器的输出端连接，用于根据数字电位器的阻值控制输出电压。

数字电位器。该数字电位器作为DC/DC模块的反馈电阻，在主控制机102中的主控器的控制下调整阻值，进而实现对DC/DC模块输出的供电电压值的控制。

(8)主控器，可以为处理器等控制芯片，部分包括低功耗工业级主控器及其最小电路，实现对主控制机102内各模块的控制，执行主控制机102的各种动作，以及信号灯组灯色输出的控制与检测等功能。

本申请实施例中，每个信号灯的结构可以如图3所示。

参见图3，信号灯包括：

(1)灯头，灯头包括信号灯的红色发光二极管(Light Emitting Diode，LED)灯盘、黄色LED灯盘、绿色LED灯盘。

(2)LED驱动模块，该部分包括MOS管、LED电源，以及直流电流检测模块。用于在灯头点亮的同时，检测灯头的电流值，信号灯从而可以根据该电流值确定灯头实际发光状态。

(3)主控器。该部分包括低功耗工业级主控器及其最小电路，实现对信号灯内各模块的控制，内部能够实现计时器的功能。

(4)黄灯驱动模块。该部分为专用于驱动点亮黄灯LED灯盘，受定时器输出的电平控制。

(5)定时器，可以为555定时器。当该部分启动时，会输出脉冲信号，控制黄灯驱动模块使黄灯LED灯盘处于闪烁状态。

(6)定时器启动控制。该部分用于在信号灯的主控器的控制下，关闭或启动定时器电路。

(7)存储器，用于存储主控制机下发的命令、灯色输出命令，计时时间等。

(8)串口通信模块，用于通过通信线与主控制机通信。

(9)电压转换模块，用于将供电线上的电压转换为适合信号灯内部使用的电压。

(10)备用电源模块，该部分包括蓄电池，以及蓄电池充放电电路。其中蓄电池放电电路为信号灯内各模块供电。当蓄电池电量不足时，能够切断对主控器等部分的供电。

下面将描述主控制机102与信号灯之间的通信方式。

本申请实施例中，信号灯组中的每个信号灯都有本地通信地址，主控制机通过通信线向各信号灯下发灯色输出命令，灯色输出命令中包括命令内容、灯色输出阶段信息等，信号灯识别带有自身通信地址的灯色输出命令后，根据灯色输出命令中的命令内容做出相应灯色输出即可。同时，主信号灯，还可以将通信线上主控制机下发给每个信号灯的灯色输出命令，以及计时时间，一同存储于本地。

主控制机向各信号灯发送的灯色输出命令由以下四项组成：①通信地址、②灯色输出阶段信息、③命令内容、④校验信息。

①通信地址：即接收该灯色输出命令的信号灯的地址。

②灯色输出阶段信息：指示出该灯色输出命令在灯色输出周期中所对应的灯色输出阶段。由于信号灯控制系统中各个信号灯中各个颜色的灯的点亮状态为周期循环，每个灯色输出周期内分为多个灯色输出阶段，每个颜色的灯的点亮持续时间即为一个灯色输出阶段，例如红色输出阶段就是红色LED灯盘点亮的持续时间。灯色输出周期包括多个灯色输出阶段，可以按照时间顺序称为第一阶段，第二阶段等。若灯色输出命令对应灯色输出周期的第一阶段时，该部分信息的值可以为1，灯色输出命令对应灯色输出周期的第二阶段时，该部分信息的值可以为2,……灯色输出命令对应灯色输出周期的最后一个阶段时，该部分信息的值可以为0。

③命令内容：该部分信息为信号灯的输出命令，命令内容包括但不限于红灯点亮、黄灯点亮、绿灯点亮、绿灯闪烁、黄灯闪烁等几种。

当一台信号灯获得了属于它的灯色输出命令时(灯色输出命令的地址信息与信号灯的通信地址相同)，该信号灯会根据命令内容，做出相应的灯色输出，同时信号灯会向主控制机发送一条应答信息,例如命令内容为红灯点亮,表示指示信号灯将红色LED灯盘点亮。

若主控制机发送灯色输出命令后，灯色输出命令的通信地址对应的信号灯未发送应答信息给主控制机，则主控制机再次发送，若重复多次后主控制机仍未收到应答信息，主控制机控制信号灯组中的所有信号灯进入黄灯闪烁状态。

④校验信息：用于验证是否灯色输出命令是否有错误。

本申请实施例中，针对任一灯色输出周期，针对所述信号灯组中的任一信号灯，主控制机向该信号灯发送所述信号灯组中每个信号灯在该灯色输出周期的灯色输出命令。信号灯组中每个信号灯会存储信号灯组中其他信号灯在每个灯色输出周期的灯色输出命令。

上述方案中，信号灯组中每个信号灯都存储信号灯组中其他信号的灯色输出命令时，信号灯组中的任意一个信号灯都可以作为主信号灯，从而控制其他信号灯进行灯色输出。信号灯组中的主信号灯虽然是预设的信号灯，但维护人员也可以根据现场的实际情况指定一个信号灯作为主信号灯，此时，由于每个信号灯都存储信号灯组中其他信号的灯色输出命令，不需要额外的操作，被指定的主信号灯可以立即根据存储的灯色输出命令，对其他信号灯进行控制。

本申请实施例中，主控制机接收到灯色输出命令时，可以执行以下步骤：

主控制机当检测到主控制机下发的灯色输出命令对应该信号灯的灯色输出周期的第一阶段时，读取主控制机的主控器上计时器的计时时间，如果此时计时器上计时时间不为零，则采取以下步骤：将该计时时间与结束标志一同存储于主控制机的存储器中，该标志为一个灯色输出周期的结束标志；将计时器上计时时间清零；存储一条开始标志，该标志为一个灯色输出周期的开始标志；将灯色输出命令存储，同时存储与之对应的计时时间，此时该计时时间为0。

主控制机当检测到主控制机下发的灯色输出命令对应该信号灯的灯色输出周期的第一阶段时，读取主控制机的主控器上计时器的计时时间，如果此时计时器上计时时间为零，则计时器开始计时。将灯色输出命令存储，同时存储与之对应的计时时间，此时该计时时间为0。

主控制机当检测到主控制机下发的灯色输出命令不对应该信号灯的灯色输出周期的第一阶段时，则将此时计时器上的计时时间，与主控制机下发的灯色输出命令一同存储于本地存储器。

将一个完整的灯色输出周期内，所有阶段的灯色输出命令，以及接收灯色输出命令时的计时器的计时时间，按照接收顺序排列并存储，并且在该组数据前(一个完整的灯色周期数据之前)要有开始标志、该组数据之后(一个完整的灯色周期数据之后)要有结束标志。主控制机存储的内容具体可以参考表1所示。

表1

表1中，T1为接收到对应灯色输出周期的第二阶段的灯色输出命令时，计时器上的计时时间；T2为接收到对应灯色输出周期的第三阶段的灯色输出命令时，计时器上的计时时间；其他依次类推。

TM为接收到对应灯色输出周期的最后一个阶段的灯色输出命令时，计时器上的计时时间；TS为接收到对应下一个灯色输出周期的第一阶段的灯色输出命令时，计时器上的计时时间。

本申请实施例中，所述主控制机还可以周期性的向所述信号灯组中的信号灯，发送心跳报文；所述信号灯组中的信号灯，接收到所述心跳报文后，可以向所述主控制机发送心跳响应报文。主控制机与信号灯之间通过心跳报文可以相互确认均处于在线状态。

信号组中的任意一个信号灯,在第二预设时长内未接收到所述主控制机发送的心跳报文，则确定所述主控制机离线或故障，所述第二预设时长大于所述心跳报文的发送周期。

本申请实施例中，系统的总电量消耗包括三部分：供电线消耗、各设备的电压转换模块的消耗(包括主控制机的电压转换模块、信号灯内部的电压转换模块)、系统内部消耗(即是各模块工作时，除供电线与电源模块以外，内部必须消耗的电量)。

由于系统中，信号灯、主控制机等设备之间距离相对较远，而除主控制机外其他设备都需要有主控制机通过供电线进行供电，因此供电线的距离较长。过长的供电线会引入过大电量损耗，使得部分电能被供电线消耗掉了。

供电线上的电量消耗，与传输线材质、芯径、长度，以及传输线上传输的电压值有关。提高传输线上传输的电压值，可以降低传输线上的电量损耗(原因为：传输线上的损失电量转化为了热量，在输送相同电量的前提下，提高电压值，可降低传输线上的电流，进而降低传输线上的发热)。

然而提高供电电压的同时也会引入不利的因素：当直流供电电压过高时，系统内各设备的电压转换模块的能量效率会有下降。因为对于电压转换模块，当输入电压与输出电压比值过大或过小，都会导致电压转换模块的转换效率降低(相应的电压转换模块上将有更多的能量以热能的方式被损失掉)。

对于系统各模块(包括主控制机/信号灯灯部分)内部(不包括供电线与电压转换模块的损耗)，其系统功率可以参考公式(1)所示。

P_总(u)＝P_供电线(u)+P_DC电源(u)+P_系统·····(1)

u为系统供电线上的供电电压，P_总(u)为系统的系统功率，P_供电线(u)为供电线上的功率，P_DC电源(u)为个模块中电压转换模块上的功率之和，而P_系统为除电压转换模块、供电线以外，系统其他部分的功率之和。

其中，随着供电线电压u的增加P_供电线(u)有减小的趋势(为递减函数)，而P_DC电源(u)随着供电线电压的增加，有增加的趋势。由于供电线上电压并不会影响系统各模块的内部各芯片/元器件等部分的供电电压值，因此P_系统不会随供电线电压变化。

当系统正常工作的情况下，且供电线上的电压值在各模块能够接受的范围内，公式中P_总(u)存在最小值。因此我们要找到P_总(u0)为最小值时，u0的取值。供电线上供电电压值为u0时，系统的系统功率最小，使得太阳能电池板供电的供电持续性更可靠。

具体的，结合图2，本申请实施例中，参与确定为供电线进行供电的供电电压的模块结构可以如图4所示。图4中，主控制机中的检测模块将检测到的光伏控制器的电压和电流，发送至主控制机中的主控器，主控制机中的主控器，通过调节电压转换模块中的数字电位器的阻值，调节DC/DC模块的输出电压，DC/DC模块的输出电压就是为供电线供电的供电电压。其中，电压转换模块中包括数字电位器和DC/DC模块。

具体的，所述主控制机，计算供电电压分别为N个预设电压值时，所述信号灯控制系统在每个预设电压值下的功率，获得N个系统功率，N为大于1的整数；所述N个预设电压值中的最大电压值为信号灯的最大输入电压，所述N个预设电压值中的最小电压值为信号灯的最小输入电压。将所述N个系统功率中功率值最小的系统功率对应的预设电压值作为向所述信号灯组中的信号灯供电的供电电压值。

举例来说，信号灯控制系统中，信号灯组包括4个信号灯，分别为信号灯1至信号灯4。主控制机可以执行以下步骤，确定在供电线上供电的供电电压值：

步骤一：确认供电线上的供电电压的最大电压值，以及最小电压值。

一种可能的方案中，可以根据以下方式确定最大电压值，以及最小电压值：

最大电压值VH＝min{主控制机的最高输出电压值、信号灯1的最高输入电压、信号灯2的最高输入电压值、信号灯3的最高输入电压值、信号灯4的最高输入电压值}，min{}表示取最小值运算。

最小电压值VL＝max{主控制机的最低输出电压值、信号灯1的最低输入电压、信号灯2的最低输入电压值、信号灯3的最低输入电压值、信号灯4的最低输入电压值}，max{}表示取最大值运算。

另一种可能的方案中，所述最大电压值为信号灯的最大输入电压，所述最小电压值为信号灯的最小输入电压。

当然，以上只是示例，还可以根据其他方式确定最大电压值，以及最小电压值，在此不再赘述。

步骤二：所述主控制机确定出N个预设电压值。

所述主控制机可以将所述主控制机能够输出电压的最小变化值ΔV作为供电电压值的变化值，从而确定所述N个预设电压值。

具体的，所述N个预设电压值可以为：V0至VN，其中，V0＝VL，VN＝VH，Vi＝VL+i×ΔV，i＝1，2，3···N-1。

步骤三：所述主控制机计算供电电压分别为N个预设电压值时，所述信号灯控制系统在每个预设电压值下的功率，获得N个系统功率。

主控制机输出的供电电压值为V0＝VL，待系统供电状态稳定后，记录检测模块返回的电流值以及电压值，并根据电流值以及电压值计算当前功率值P0；

主控制机输出的供电电压值为V1＝VL+ΔV，待系统供电状态稳定后，记录检测模块返回的电流值以及电压值，并根据电流值以及电压值计算当前功率值P1；

主控制机输出的供电电压值为V2＝VL+2ΔV，待系统供电状态稳定后，记录检测模块返回的电流值以及电压值，并根据电流值以及电压值计算当前功率值P2；

主控制机输出的供电电压值为V3＝VL+3ΔV，待系统供电状态稳定后，记录检测模块返回的电流值以及电压值，并根据电流值以及电压值计算当前功率值P3；

……

主控制机输出的供电电压值为VN＝VH，待系统供电状态稳定后，记录检测模块返回的电流值以及电压值，并根据电流值以及电压值计算当前功率值PN；

主控制机在记录的N个系统功率{P1、P2、P3……PN}中，寻找最小的系统功率。

步骤四：主控制机将所述N个系统功率中功率值最小的系统功率对应的预设电压值作为向所述信号灯组中的信号灯供电的供电电压值。主控制机控制通过调节电压转换模块中的数字电位器的电阻值，将电压转换模块中的DC/DC模块的输出电压调节到该最小的系统功率对应的预设电压值。

本申请实施例中，主控制机可以获取到以下信息：

系统功率Ps，Ps＝Us*Is，其中Us为系统的输出电压，Is为系统的输出电流。

太阳能电池板输出功率P_L，P_L＝Up*Ip，其中Up为太阳能电池板的供电电压，Ip为太阳能电池板的供电电流。

蓄电池充电电流Ic，以及蓄电池充电电压Uc等。

主控制机还可以获取到地面光照强度对应时间的分布函数f(t)，|f(t)|为在t时刻的光照强度(理想条件下，单位面积能够获得的太阳光能量)。该函数与地理位置、所处季节有关。地面光照强度对应时间的分布函数f(t)中，光照强度与时间t的关系可以如图5所示。

主控制机还可以获取到太阳能电池板的有效照射面积时间分布函数S(t)。太阳能电池板在转换太阳能为电能时，与太阳光的角度可以如图6所示。由于太阳能电池板的安装角度不能调整，而太阳照射的角度随时间发生变化，因此引入S(t),具体形式如下：

其中S为太阳能电池板的面积，θ为阳光与太阳能电池板的垂直夹角，

为阳光与太阳能电池板的水平夹角，由于太阳能电池摆放角度一定，通过或联网(连接到气象台)获取太阳的在天空中的位置(黄道坐标)，进而得到θ与

的取值。由于太阳的位置随时间变化，所以θ与

为随时间变化的函数，即：θ(t)与

这两个函数可以通过太阳的位置变化获得，在此不再赘述。

主控制机还可以获取到天气分布函数T(t)。该函数与当日的天气以及太阳能电池效率有关，|T(t)|代表在某种天气下，理想的光照强度，最终能转换为照射到光伏电池板上能量的比例。由于天气随时间实时变化，因此该函数的取值也实时变化，该函数由远端服务器从气象局获取本地的气象信息后生成。为了计算方便，还可以将天气分布函数T(t)设置为一个固定值。

本申请实施例中，主控制机还可以获取到从t0时刻开始到t1时刻，系统的总耗费电能W(t0,t1)。

主控制机根据上述参数，通过公式(3)计算得到蓄电池的容量Q(t0,t1)，该值的含义为从t0时刻开始到t1时刻后，蓄电池中电荷的容量。其中t1为在t0之后的时刻。

其中Q_t0代表t0时刻时，蓄电池能够输出的最大电量。

η2为所述蓄电池的输出能量的能量转化效率。当太阳能电池的输出功率为0时，通过以下公式(4)获取。

其中，Ib为蓄电池放电电流，Ub为蓄电池放电电压。

该公式中η1为太阳能电池板输出能量到所述蓄电池内存储电能的能量转化效率，由以下公式获取；

其中，P_L为所述太阳能电池板的输出功率。P_B为所述蓄电池的输出功率。

令t0为现在的时刻，则当Q(t0,t1)值大于零时，表示系统在t1时刻能够有足够的电量余量。当Q(t0,t1)小于零时，说明t1时刻内系统有很大的断电风险。

由于函数中t0取值必须为现在时刻，因此t0为定值。公式(3)可以改写为:

公式(6)计算出的Q(t)，为t时刻，蓄电池的剩余电量。

由于天气、光照等情况很难拟合成为数学表达式，因此T(t)、S(t)、f(t)三个函数最合理的型式为离散的分布函数。同时为了使积分运算更容易实现，虚拟服务器端需将公式(6)改写为如下型式。

公式(6)为通过频繁采样的方式中，Δt为采样间隔，n为从t0开始到t时刻的采样次数，T(ti)、S(ti)、f(ti)为每次采样时的天气影响、太阳能电池板的有效光照面积、光照强度。

本申请实施例中，主控制机还可以确定蓄电池的供电时长，具体的，可以根据以下公式确定蓄电池的供电时长T：

所述蓄电池的供电时长T满足以下公式：

T＝Q/[60*(P_S/η₂-η₁*P_L)]

其中，Q为所述蓄电池在的剩余电量，该值可以根据公式(3)或公式(6)或公式(7)计算,P_L为所述太阳能电池板的输出功率，P_S为所述信号灯控制系统的系统功率，η₁为所述太阳能电池板输出能量到所述蓄电池内存储电能的能量转化效率，η₂为所述蓄电池的输出能量到信号灯控制系统消耗能量的能量转化效率。

本申请实施例中，主控制机确定所述蓄电池的供电时长小于第一预设时长时，可以停止向所述信号灯组供电，并向所述信号灯组内的信号灯发送关机命令，所述关机命令用于指示所述主控制机将关机。相应的，所述信号灯组中的每个信号灯，使用各自的备用电源模块进行供电；所述信号灯组中的主信号灯，接收到所述关机命令后，控制所述信号灯组中信号灯的灯色输出，所述主信号灯为所述信号灯组中预设的信号灯。

可选的，当T的值小于第一预设时长时，可能在短时间内有断电的风险，此时主控制机需要向网络上的远端软件系统上报异常，由远端软件系统通知维护人员到现场通过向蓄电池充电，避免因系统断电，导致路口无法进行交通信号控制的风险。

蓄电池电量的供电时长小于第一预设时长时，主控制机的光伏控制模块会将供电线的电量输出切断，此时主控制机内除光伏控制模块以外，其他所有模块都将因没有供电而关闭。此时系统主控制机不会再向各信号灯广播心跳报文。同时系统中的倒计时牌等设备由于供电中断，也将关闭。

本申请实施例中，主信号灯可以接收每个灯色输出周期中，所述主控制机向所述信号灯组中的每个信号灯，发送的灯色输出命令。

由于每只信号灯内都有备用电源模块，即使主控制机停止供电，信号灯内部也能维持正常的供电，此时，所述信号灯组中的主信号灯，确定所述主控制机离线或故障时，确定出一个目标灯色输出周期的所有灯色输出命令，并根据目标灯色输出周期的所有灯色输出命令在应急时间段内控制所述信号灯组中信号灯输出相应的灯色，所述主信号灯为所述信号灯组中预设的信号灯，所述应急时间段为所述主控制机离线或故障时的时间段，所述目标灯色输出周期为确定所述主控制机离线或故障之前的任意一个灯色输出周期。

本申请实施例中，所述信号灯组中的主信号灯接收到所述主控制机发送的关机命令，或者在第二预设时长内未接收到所述主控制机发送的心跳报文，则确定所述主控制机离线或故障，所述第二预设时长大于所述心跳报文的发送周期。

主信号灯确定所述主控制机离线或故障后，具体控制方式如下：

步骤一：该主信号灯的主控器，找到存储器中最近的或倒数第二近的一个完整灯色输出周期的所有灯色输出阶段对应的灯色控制命令，如表1所示，可以通过寻找开始标志和结束标志实现确定一个完整灯色输出周期的所有灯色输出阶段对应的灯色控制命令。

步骤二：主信号灯启动计时器，并按照该灯色输出周期内每个灯色输出阶段的灯色控制命令的时间顺序，依次向信号灯组内各个信号灯发送灯色控制命令。

步骤三：主信号灯若确定提取的灯色控制命令中，含有自身的灯色控制命令，即灯色控制命令中的通信地址信息为该主信号灯的通信地址，则根据灯色控制命令输出相应灯色。

步骤四：主信号灯发送给其他信号灯的灯色控制命令完成后，要等待该信号灯返回应答信息。

步骤五：主信号灯当发送给信号灯的灯色控制命令没有应答时，尝试再次发送，若重复多次仍无应答，则控制所有信号灯进入黄灯闪烁状态。

信号灯内的备用电池模块电量较低时，将停止向信号灯内包括主控器、存储器、串口通信模块等部分供电，此时信号灯内定时器启动控制、定时器电流、黄灯驱动模块将启动，信号灯将输出黄灯闪烁信号。

具体的，如图7所示，可以包括以下步骤：

步骤701：信号灯检测到备用电池模块电量小于预设电量。

步骤702：信号灯内将停止向信号灯内以下模块供电：主控器、存储器、串口通信模块、灯头、LED驱动模块等。

步骤703：信号灯不再向定时器控制电路输出脉冲信号，从而指示定时器控制电路控制定时器。

步骤704：信号灯的定时器控制电路控制定时器启动。

步骤705：信号灯控制黄灯LED灯盘输出黄灯闪烁信号。

当光照足够，且蓄电池积蓄一定足够电能后，光伏控制模块会再次输出供电，此时系统主控制机内包括主控器的所有模块启动，启动后系统主控制机按照如下方式恢复对信号灯的控制。

①系统主控制机恢复启动后，向通信线上发送心跳报文；

②主信号灯接收到心跳报文，会继续输出灯色控制命令，直到该组灯色控制命令中，最后阶段的灯色控制命令发送完成(即i＝0阶段的方案发送完成)，等待结束标志的计时时间到达，发出一条结束标志，然后停止输出灯色控制命令，等待系统主控制机恢复控制信号灯；

③系统主控制机待接收到通信线上信号灯发出的结束标志，系统主控制机恢复对信号灯的控制。

综上，本申请实施例提供的信号灯控制系统具有以下特点：1.可通过太阳能供电，不依赖与现场供电环境，节能环保；2.该系统对于蓄电池电量不足等异常情况，有完善的应对机制，因此整套系统可靠；3.能够提前预知可能存在供电风险，提醒维护人员及时采取应对措施，避免异常情况发生；4.方案只需在主控制机附近放置太阳能电池板和蓄电池组即可，方便布设，系统结构简单。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种信号灯控制系统，其特征在于，包括：

太阳能电池板，用于利用太阳能转换的电能，为蓄电池充电；

主控制机，用于获取灯色输出命令，所述灯色输出命令用于控制所述主控制机所管理的信号灯组中信号灯的灯色输出，并发送至所述信号灯组中的信号灯；确定向所述信号灯组中的信号灯供电的供电电压值，并通过所述蓄电池按照所述供电电压值为所述信号灯组中的信号灯进行供电；所述供电电压值为使得系统的系统功率最小的电压值；

所述信号灯组，包括至少一个信号灯，用于接收所述主控制机发送的灯色输出命令，并根据所述主控制机发送的灯色输出命令输出相应的灯色；

所述信号灯组中的主信号灯：接收每个灯色输出周期中，所述主控制机向所述信号灯组中的每个信号灯，发送的灯色输出命令；

所述信号灯组中的所述主信号灯，确定所述主控制机离线或故障时，确定出一个目标灯色输出周期的所有灯色输出命令，并根据目标灯色输出周期的所有灯色输出命令在应急时间段内控制所述信号灯组中信号灯输出相应的灯色，所述主信号灯为所述信号灯组中预设的信号灯，所述应急时间段为所述主控制机离线或故障时的时间段，所述目标灯色输出周期为确定所述主控制机离线或故障之前的任意一个灯色输出周期。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控制机具体用于：

计算供电电压分别为N个预设电压值时，所述信号灯控制系统在每个预设电压值下的功率，获得N个系统功率，N为大于1的整数；

将所述N个系统功率中功率值最小的系统功率对应的预设电压值作为向所述信号灯组中的信号灯供电的所述供电电压值。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控制机具体用于：

确定所述蓄电池的供电时长小于第一预设时长时，停止向所述信号灯组供电，并向所述信号灯组内的信号灯发送关机命令，所述关机命令用于指示所述主控制机将关机；

所述信号灯组中的每个信号灯，使用各自的备用电源模块进行供电；所述信号灯组中的主信号灯，接收到所述关机命令后，控制所述信号灯组中信号灯的灯色输出，所述主信号灯为所述信号灯组中预设的信号灯。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述蓄电池的供电时长T满足以下公式：

T＝Q/[60*(P_S/η₂-η₁*P_L)]

其中，Q为所述蓄电池的剩余电量,P_L为所述太阳能电池板的输出功率，P_S为所述信号灯控制系统的系统功率，η₁为所述太阳能电池板输出能量到所述蓄电池内存储电能的能量转化效率，η₂为所述蓄电池的输出能量到信号灯控制系统消耗能量的能量转化效率。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主控制机具体用于：

周期性的向所述信号灯组中的信号灯，发送心跳报文；

所述信号灯组中的信号灯，接收到所述心跳报文，并向所述主控制机发送心跳响应报文。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号灯组中的所述主信号灯具体用于：

接收到所述主控制机发送的关机命令，或者在第二预设时长内未接收到所述主控制机发送的心跳报文，则确定所述主控制机离线或故障，所述第二预设时长大于所述心跳报文的发送周期。

7.如权利要求1至6任一所述的系统，其特征在于，所述主控制机具体用于：

通过与所述信号灯组中的每个信号灯连接的供电线，为所述信号灯组中的每个信号灯供电。

8.如权利要求1至6任一所述的系统，其特征在于，所述主控制机具体用于：

通过与所述信号灯组中的每个信号灯连接的通信线，与所述信号灯组中的每个信号灯通信。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述通信线为RS485总线，或以太网网线。

Images