基于風光互補供電技術的無線視頻監控系統設計

　　1.前言

　　隨著社會的發展，人們對安防監控的要求日益提高。在不斷延伸的高速公路、在不便施工的繁華地段等特殊區域，傳統的監控系統施工布線方式難以開展，施工成本高昂，這已經嚴重制約了安防監控系統的應用。

　　鑒于此本文設計了一種基于風光互補供電技術的無線視頻監控系統，系統采用風光互補發電技術供電，利用mesh技術設計了無線組網方式以及組網回程故障診斷方法，為實現視頻信息遠距離無線傳輸提出了一種新的解決方案。

　　風電和光電獨立發電系統都存在一個共同的缺陷，就是資源的不確定性導致發電與用電負荷的不平衡。考慮太陽能與風能在時間上和地域上都有很強的互補性，風光互補發電系統在資源上具有最佳的匹配性，在經濟上具有非常高的性價比，風光互補發電系統是自然資源利用較好的獨立電源系統[1]。

　　2.風光互補發電系統

　　監控設備是否合適采用風光互補供電方式與所在地區的風力及日照條件有很大的關系,需要對當地的風力及日照條件分析。除自然條件對系統的影響較大之外，合理的匹配計算對系統也至關重要,即在當地風能、太陽能資源條件一定的前提下,采用合適的風力發電機和太陽能電池組合,達到系統內部最優配置。

　　2.1風能供電

　　風能發電是一種將風能轉換為機械能,由機械能再轉換為電能的機電裝置。風力發電機組獨立發、供電系統是:利用風力發電,并向蓄電池組充電,把儲存在蓄電池組的電能以直流和交流兩種多制式電源,供給各種設備和工具使用[2]。風力發電對當地風速、風機安裝位置以及風機葉片安裝十分敏感，對不同區域不同氣候需考慮周詳[3]。

　　2.2太陽能供電

　　太陽能光伏電池將太陽輻射能量直接轉換成直流電，供負載使用或存貯于蓄電池內備用。太陽能供電系統由光伏陣列、太陽能充放電控制器、蓄電池構成[2]。

　　因為監控系統的重要性,光伏陣列設計須考慮在全年中的光照最差的季節,光伏陣列每天產生的電能可以滿足負載的每日用電需求。光伏陣列計算如下[3]：

　　其中為并聯組件數量，為日平均負載，為庫倫效率，為組件日輸出，為衰減因子。

　　其中為串聯組件數量，為系統電壓，為組件電壓。

　　2.3蓄電池系統

　　蓄電池是風能和太陽能發電之后的儲能裝置，應選用性價比高的風光發電系統儲能用鉛酸蓄電池。蓄電池組設計中,應考慮最大允許放電深度、平均放電率、溫度修正因子這3個計算修正參數[3]。蓄電池組計算方法如下[3]:

　　其中，為蓄電池組容量，為平均放電率，為自給天數，為負載工作時間，為日平均負載，為最大允許放電深度，為溫度修正因子。

　　其中，串聯蓄電池數，為并聯蓄電池數，為負載電壓，為蓄電池電壓。

　　2.4充放電控制器

　　充放電控制器是對風光互補發電系統中進行管理和控制的設備,在整個系統中起著重要的作用。設計系統負載為50W,風機日發電量約為1.3KW，太陽能電池組日發電量約為0.9KW，負載設備日耗電量約1.4KW。

　　系統在蓄電池飽和后可連續沒有風沒有太陽能補充能量的情況下正常供電3天。

　　3無線組網傳輸

　　3.1mesh無線技術

　　為了滿足高速公路、偏遠地區等特殊區域的固定無線視頻監控和車輛移動無線視頻監控的組網通信需求，為特殊地區及情況提供便捷、靈活、經濟的視頻監控解決方案，本設計方案中采用了下一代無線Mesh(網狀網技術)移動無線寬帶技術，由于無線Mesh技術領先性，mesh技術已在北美、歐洲和亞太等國家和地區進行了無線城市、交通線路等環境下的大規模部署；Mesh技術提供了高速移動和快速漫游切換的能力，滿足交通系統大規模部署的需要[4]。無線Mesh網絡具有自我組織、自動配置、性能自動調節、鏈路自動修復等特性，支持負載均衡和冗余備份功能，為無線監控、移動無線監控等視頻和語音服務提供了穩定可靠的承載平臺。

　　設計的Mesh拓撲組網，設備節點之間采用無線級聯方式通信，同時每個節點都可與其他節點使用點對多點point-to-multipoint的方式連接。這樣，可構建的網狀網絡內每個節點都有一條以上的無線上聯鏈路，提高了無線傳輸服務的可用性。

　　從拓撲角度來說，Mesh拓撲結構超越了傳統無線網橋的點到點、點到多點的拓撲結構，從而從根本上解決了城市范圍內大規模無線網絡部署中存在的建筑物等阻擋物的影響。

　　如上圖所示，系統采用802.11a（5.8GHz）作為節點之間的無線互聯技術，同時每個節點提供802.11a的用戶覆蓋。可以同時利用5.1~5.3GHz和5.4~5.7GHz，將提供24個非重疊的802.11a信道。這種多頻率、多信道的無線組網方式可以更有效的在5.8GHz頻段避免外來的干擾，室外基站在支持5.8GHz的基礎上，同時支持4.9GHz的使用，作為需要授權使用的頻段，4.9GHz頻率更加“干凈”，能夠提供更多的即可用于無線覆蓋也可以用作無線回程無線頻率資源。

　　設計的Mesh系統具有自動配置能力，當網絡中一個或者多個新加入的節點時，系統也可以自動發現新節點，通過管理界面對節點進行Mesh組網授權后，新節點會自動下載配置，降低了網絡部署和管理運維的工作負荷。

　　無線網絡連接建立后形成Mesh結構，每個網絡節點以一定的時間間隔不斷的執行決策算法。每個節點具有的分布式智能以信號強度和網絡性能為指標，在多條無線鏈路中選取最優路徑。這保證了任何由于網絡單元被增加或是移除導致的網絡拓撲變化都可以立即被檢測到并進行相關的措施，保證網絡總是處于最優的性能和運行狀態。這樣，網絡必須具備了以下兩個自組網特性：

　　Self-tuning性能自我調節

　　Self-Healing鏈路自動修復

　　如下圖所示，在故障發生前，Mesh網絡節點保持主鏈路、備選鏈路的信息，并且不斷的動態的更新鏈路信息列表；當網絡中的某一點由于供電、損毀等原因出現故障，其他周邊設備會迅速的在備選鏈路表中，選取具有最優參數的備選鏈路作為主鏈路；Mesh系統的SMFR(ScalableMeshFastRe-route)[5]算法提供迅速的鏈路修復，在毫秒級別即完成主備鏈路的切換，整個過程不會造成數據的中斷丟失。

　　通過多射頻技術使用和合理的多信道規劃，相鄰扇區使用的信道間隔在2個信道或以上，相鄰中繼節點使用信道間隔在1個信道或以上，這樣充分的保證系統整體性能，并且降低干擾的影響。

　　設計方案Mesh技術支持節點間的移動接入和快速切換，移動節點處理切換/漫游，通過在移動車輛上架設Mesh設備，即可在固定的多個節點之間進行移動和切換。

　　在應急救災中，必須盡快的作出決策，該特性允許在移動車輛部署高清晰視頻監控。使視頻監控圖像可以通過Mesh網絡實時的回傳到統一的指揮調度中心，作為重要決策的依據；對快速切換的支持，可

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