基于风光互补供电技术的无线视频监控系统设计

　　1.前言

　　随着社会的发展，人们对安防监控的要求日益提高。在不断延伸的高速公路、在不便施工的繁华地段等特殊区域，传统的监控系统施工布线方式难以开展，施工成本高昂，这已经严重制约了安防监控系统的应用。

　　鉴于此本文设计了一种基于风光互补供电技术的无线视频监控系统，系统采用风光互补发电技术供电，利用mesh技术设计了无线组网方式以及组网回程故障诊断方法，为实现视频信息远距离无线传输提出了一种新的解决方案。

　　风电和光电独立发电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡。考虑太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性，风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，在经济上具有非常高的性价比，风光互补发电系统是自然资源利用较好的独立电源系统[1]。

　　2.风光互补发电系统

　　监控设备是否合适采用风光互补供电方式与所在地区的风力及日照条件有很大的关系,需要对当地的风力及日照条件分析。除自然条件对系统的影响较大之外，合理的匹配计算对系统也至关重要,即在当地风能、太阳能资源条件一定的前提下,采用合适的风力发电机和太阳能电池组合,达到系统内部最优配置。

　　2.1风能供电

　　风能发电是一种将风能转换为机械能,由机械能再转换为电能的机电装置。风力发电机组独立发、供电系统是:利用风力发电,并向蓄电池组充电,把储存在蓄电池组的电能以直流和交流两种多制式电源,供给各种设备和工具使用[2]。风力发电对当地风速、风机安装位置以及风机叶片安装十分敏感，对不同区域不同气候需考虑周详[3]。

　　2.2太阳能供电

　　太阳能光伏电池将太阳辐射能量直接转换成直流电，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。太阳能供电系统由光伏阵列、太阳能充放电控制器、蓄电池构成[2]。

　　因为监控系统的重要性,光伏阵列设计须考虑在全年中的光照最差的季节,光伏阵列每天产生的电能可以满足负载的每日用电需求。光伏阵列计算如下[3]：

　　其中为并联组件数量，为日平均负载，为库伦效率，为组件日输出，为衰减因子。

　　其中为串联组件数量，为系统电压，为组件电压。

　　2.3蓄电池系统

　　蓄电池是风能和太阳能发电之后的储能装置，应选用性价比高的风光发电系统储能用铅酸蓄电池。蓄电池组设计中,应考虑最大允许放电深度、平均放电率、温度修正因子这3个计算修正参数[3]。蓄电池组计算方法如下[3]:

　　其中，为蓄电池组容量，为平均放电率，为自给天数，为负载工作时间，为日平均负载，为最大允许放电深度，为温度修正因子。

　　其中，串联蓄电池数，为并联蓄电池数，为负载电压，为蓄电池电压。

　　2.4充放电控制器

　　充放电控制器是对风光互补发电系统中进行管理和控制的设备,在整个系统中起着重要的作用。设计系统负载为50W,风机日发电量约为1.3KW，太阳能电池组日发电量约为0.9KW，负载设备日耗电量约1.4KW。

　　系统在蓄电池饱和后可连续没有风没有太阳能补充能量的情况下正常供电3天。

　　3无线组网传输

　　3.1mesh无线技术

　　为了满足高速公路、偏远地区等特殊区域的固定无线视频监控和车辆移动无线视频监控的组网通信需求，为特殊地区及情况提供便捷、灵活、经济的视频监控解决方案，本设计方案中采用了下一代无线Mesh(网状网技术)移动无线宽带技术，由于无线Mesh技术领先性，mesh技术已在北美、欧洲和亚太等国家和地区进行了无线城市、交通线路等环境下的大规模部署；Mesh技术提供了高速移动和快速漫游切换的能力，满足交通系统大规模部署的需要[4]。无线Mesh网络具有自我组织、自动配置、性能自动调节、链路自动修复等特性，支持负载均衡和冗余备份功能，为无线监控、移动无线监控等视频和语音服务提供了稳定可靠的承载平台。

　　设计的Mesh拓扑组网，设备节点之间采用无线级联方式通信，同时每个节点都可与其他节点使用点对多点point-to-multipoint的方式连接。这样，可构建的网状网络内每个节点都有一条以上的无线上联链路，提高了无线传输服务的可用性。

　　从拓扑角度来说，Mesh拓扑结构超越了传统无线网桥的点到点、点到多点的拓扑结构，从而从根本上解决了城市范围内大规模无线网络部署中存在的建筑物等阻挡物的影响。

　　如上图所示，系统采用802.11a（5.8GHz）作为节点之间的无线互联技术，同时每个节点提供802.11a的用户覆盖。可以同时利用5.1~5.3GHz和5.4~5.7GHz，将提供24个非重叠的802.11a信道。这种多频率、多信道的无线组网方式可以更有效的在5.8GHz频段避免外来的干扰，室外基站在支持5.8GHz的基础上，同时支持4.9GHz的使用，作为需要授权使用的频段，4.9GHz频率更加“干净”，能够提供更多的即可用于无线覆盖也可以用作无线回程无线频率资源。

　　设计的Mesh系统具有自动配置能力，当网络中一个或者多个新加入的节点时，系统也可以自动发现新节点，通过管理界面对节点进行Mesh组网授权后，新节点会自动下载配置，降低了网络部署和管理运维的工作负荷。

　　无线网络连接建立后形成Mesh结构，每个网络节点以一定的时间间隔不断的执行决策算法。每个节点具有的分布式智能以信号强度和网络性能为指标，在多条无线链路中选取最优路径。这保证了任何由于网络单元被增加或是移除导致的网络拓扑变化都可以立即被检测到并进行相关的措施，保证网络总是处于最优的性能和运行状态。这样，网络必须具备了以下两个自组网特性：

　　Self-tuning性能自我调节

　　Self-Healing链路自动修复

　　如下图所示，在故障发生前，Mesh网络节点保持主链路、备选链路的信息，并且不断的动态的更新链路信息列表；当网络中的某一点由于供电、损毁等原因出现故障，其他周边设备会迅速的在备选链路表中，选取具有最优参数的备选链路作为主链路；Mesh系统的SMFR(ScalableMeshFastRe-route)[5]算法提供迅速的链路修复，在毫秒级别即完成主备链路的切换，整个过程不会造成数据的中断丢失。

　　通过多射频技术使用和合理的多信道规划，相邻扇区使用的信道间隔在2个信道或以上，相邻中继节点使用信道间隔在1个信道或以上，这样充分的保证系统整体性能，并且降低干扰的影响。

　　设计方案Mesh技术支持节点间的移动接入和快速切换，移动节点处理切换/漫游，通过在移动车辆上架设Mesh设备，即可在固定的多个节点之间进行移动和切换。

　　在应急救灾中，必须尽快的作出决策，该特性允许在移动车辆部署高清晰视频监控。使视频监控图像可以通过Mesh网络实时的回传到统一的指挥调度中心，作为重要决策的依据；对快速切换的支持，可

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