Solarny znacznik drogowy LED: elektronika, konstrukcja i komunikacja radiowa

Aktywny znacznik drogowy to nie tylko diody LED umieszczone w obudowie. Urządzenie instalowane w nawierzchni musi łączyć sygnalizację, zasilanie i komunikację z konstrukcją zaprojektowaną pod obciążenia od kół pojazdów. W projekcie dla OEM INVENTRONICS połączył elektronikę małej mocy, fotowoltaikę i radio z analizą mechaniczną oraz doborem materiałów. Najważniejszym zadaniem było potraktowanie tych obszarów jako współzależnych części jednego produktu.

Projekt w skrócie

Opracowany znacznik wykorzystywał mikrokontroler sterujący sześcioma diodami LED. Powstały warianty monochromatyczne i RGB, umożliwiające różne wzory świecenia oraz kombinacje kolorów. Moduł radiowy w paśmie ISM 868 MHz pozwalał synchronizować znaczniki, uzyskiwać falę świetlną lub wspólne miganie oraz komunikować się z urządzeniami zewnętrznymi.

Zasilanie oparto na ogniwach fotowoltaicznych, magazynowaniu energii i elektronice low-power, bez potrzeby doprowadzenia zewnętrznego zasilania. W części mechanicznej zastosowano wewnętrzną strukturę honeycomb i dobrano mieszanki polimerowe z uwzględnieniem środowiska drogowego. Konstrukcję analizowano metodą elementów skończonych, wykorzystując naprężenia zredukowane według kryterium HMH.

Najważniejszy rezultat: powstała spójna konstrukcja aktywnego znacznika łącząca sygnalizację, radio, autonomiczne zasilanie oraz inżynierię mechaniczną i materiałową.

Wyzwanie klienta

Założeniem było aktywne oznakowanie instalowane bezpośrednio w nawierzchni. Miało zapewniać dobrą widoczność również przy niekorzystnej pogodzie, pracować bez zewnętrznego źródła energii oraz bezprzewodowo współdziałać z innymi znacznikami. Wśród rozważanych zastosowań były przejścia dla pieszych i strefy zagrożenia, w których skoordynowana sygnalizacja mogłaby zwracać uwagę uczestników ruchu.

Otoczenie narzucało wymagania wykraczające poza projekt elektroniki. Obudowa miała przenosić obciążenia od przejeżdżających pojazdów, a jednocześnie uwzględniać wodę, promieniowanie UV oraz kontakt z paliwami, olejami i innymi zanieczyszczeniami jezdni. Długotrwała eksploatacja wymagała więc rozpatrywania geometrii i materiału razem. Samo umieszczenie układu sterującego w szczelnej obudowie nie rozwiązywało problemu przenoszenia obciążeń.

Decyzje inżynierskie

Sterowanie światłem i synchronizacja. Radio ISM 868 MHz zapewniało komunikację pomiędzy znacznikami, potrzebną do skoordynowanych efektów, takich jak fala świetlna i zsynchronizowane miganie.

Przewidziano również współpracę z zewnętrznymi gatewayami ISM/GPRS, umożliwiającą zdalne monitorowanie i sterowanie systemem. Znacznik odpowiadał za lokalną sygnalizację i komunikację radiową w paśmie ISM, natomiast zewnętrzny gateway łączył tę komunikację z transmisją GPRS. Ten podział pozwalał rozpatrywać sterowanie światłem oraz dostęp do systemu zdalnego jako odrębne, współpracujące funkcje.

Bilans energii zamiast samego panelu. Ogniwa fotowoltaiczne zasilały układ magazynowania energii, z którego korzystały elektronika, LED i radio. W projekcie zastosowano komponenty o małym poborze mocy oraz położono nacisk na bilansowanie dostępnej energii. Celem zastosowania magazynu było podtrzymanie pracy również podczas dłuższych okresów zachmurzenia.

Ogólna zasada takiego zasilania jest prosta: energię pozyskiwaną w czasie trzeba zestawić z energią zużywaną przez sygnalizację i komunikację. Przy projektowaniu urządzenia solarnego znaczenie mają więc nasłonecznienie miejsca montażu, czas i wzory świecenia, aktywność radia oraz pojemność magazynu. Profil pracy jest częścią założeń energetycznych, a nie wyłącznie wyborem efektu świetlnego.

Geometria przenosząca obciążenia. Wewnątrz obudowy zastosowano heksagonalną strukturę typu honeycomb. Jej zadaniem było rozpraszanie obciążeń i kierowanie naprężeń do mniej wrażliwych obszarów konstrukcji. Taka decyzja dotyczyła sposobu przenoszenia sił przez obudowę, nie tylko jej zewnętrznego kształtu.

W ogólnym ujęciu mechanicznym liczy się nie wyłącznie wielkość siły, lecz także miejsce jej przyłożenia i droga przekazywania obciążenia. Struktura wewnętrzna wpływa na rozkład naprężeń. W tej realizacji geometrię oceniano z wykorzystaniem analizy numerycznej, która wspierała decyzje o konstrukcji obudowy.

Materiał jako część rozwiązania. Dobrano mieszanki polimerowe o zwiększonej odporności na UV, węglowodory, warunki atmosferyczne i obciążenia mechaniczne. Były to kryteria istotne dla urządzenia pracującego w nawierzchni, gdzie oddziaływania środowiskowe i nacisk pojazdów dotyczą tej samej obudowy. Dobór materiału uzupełniał zatem projekt geometrii: oba obszary odpowiadały na wymagania długotrwałej eksploatacji drogowej.

W wymaganiach dotyczących ochrony obudowy przyjęto cel konstrukcyjny IP68. Szczelność rozpatrywano obok odporności materiału i przenoszenia obciążeń od kół pojazdów.

Pięć współpracujących warstw urządzenia

Warstwy były od siebie zależne: wzory świecenia i aktywność radia wpływały na bilans energii, a elektronika i magazyn energii musiały zmieścić się w obudowie przenoszącej obciążenia oraz pracującej w środowisku drogowym. Dlatego decyzje elektroniczne, energetyczne, mechaniczne i materiałowe podejmowano jako elementy jednego produktu.

Zakres odpowiedzialności INVENTRONICS

Zakres prac obejmował elektronikę sterującą LED, komunikację radiową, zasilanie fotowoltaiczne z magazynowaniem energii oraz konstrukcję mechaniczną. INVENTRONICS połączył te zadania z analizą naprężeń i doborem materiałów obudowy. Projekt nie sprowadzał się zatem do dostarczenia płytki elektronicznej do gotowej osłony.

Wspólne rozpatrywanie tych obszarów było szczególnie istotne ze względu na powiązane wymagania: sygnalizacja i radio korzystały ze wspólnego zasobu energii, a obudowa miała jednocześnie spełniać zadania środowiskowe i mechaniczne.

Konstrukcja mechaniczna i analiza FEM

Do oceny obudowy zastosowano FEM, czyli metodę elementów skończonych. W analizie wykorzystano naprężenia zredukowane według kryterium HMH, Hubera-Misesa-Hencky’ego, łączącego składowe stanu naprężenia w jedną wartość. Analiza wspierała ocenę rozkładu naprężeń i optymalizację zachowania obudowy pod obciążeniem od pojazdów.

W praktyce projektowej FEM pozwala przyjrzeć się nie tylko miejscu przyłożenia siły, ale także obszarom, do których obciążenie przekazuje struktura wewnętrzna. Model materiału i warunki podparcia wiążą geometrię z przewidywanym sposobem użytkowania. Dla takiego urządzenia jest to ważne narzędzie oceny współpracy zewnętrznej obudowy i jej wewnętrznych wzmocnień.

Rezultaty projektu

Rezultatem było opracowanie aktywnego znacznika łączącego sześć LED, sterowanie mikrokontrolerowe, synchronizację radiową i własne zasilanie fotowoltaiczne z magazynowaniem energii. Konstrukcja honeycomb, analiza FEM z kryterium HMH oraz dobór polimerów odpowiadały na wymagania montażu w nawierzchni.

Możliwość komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi tworzyła potencjał współpracy z ITS, czyli inteligentnymi systemami transportowymi. Z kolei warianty monochromatyczne i RGB oraz synchronizacja pozwalały rozpatrywać różne sposoby aktywnego oznakowania, którego celem było wspieranie bezpieczeństwa ruchu.

Wartość dla producenta OEM

Dla producenta OEM ten projekt pokazuje znaczenie wspólnego rozwijania elektroniki, mechaniki i materiałów. Zasilanie solarne trzeba rozpatrywać wraz ze sposobem świecenia i komunikacji, a obudowę wraz z obciążeniami oraz otoczeniem chemicznym. Żaden z tych obszarów nie może być oceniany wyłącznie na podstawie pojedynczego komponentu.

Przy podobnym zadaniu warto przed rozpoczęciem projektowania określić miejsce montażu, oczekiwane wzory sygnalizacji, warunki energetyczne, sposób integracji z systemem nadrzędnym i wymagania badawcze. Taki zestaw założeń pomaga uzgodnić funkcje urządzenia oraz kryteria akceptacji gotowego produktu, zanim zostaną dobrane komponenty i geometria obudowy.

Tworzysz urządzenie OEM do pracy na zewnątrz? Skontaktuj się z INVENTRONICS i przedstaw funkcje oraz warunki montażu. Poznaj nasz zakres rozwoju produktu, łączący elektronikę, mechanikę i zasilanie.

Najczęstsze pytania