李 園，趙 熙，汪貴平

（長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，西安 710064）

太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為一種重要的可再生能源方式[1]，越來(lái)越得到國(guó)際社會(huì)的重視。作為我國(guó)新能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電站在國(guó)家政策引導(dǎo)和扶持下正在如火如荼地修建[2]。我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的主要集中地區(qū)是青藏高原、甘肅北部、寧夏北部和新疆南部等地區(qū)[3]，但由于風(fēng)沙較大，自然條件惡劣，光伏組件經(jīng)常受到積灰等因素影響，導(dǎo)致發(fā)電效率大幅下降，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)在主流的清潔方式為人工清潔，清潔的成本比較高[4]。針對(duì)上述情況，多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的太陽(yáng)能電池板清掃裝置，來(lái)解決光伏組件表面積灰清潔的問(wèn)題[5]。意大利UEMME公司推出的MANTASOLAR清潔機(jī)械，其載體是履帶車(chē)，操作人員在駕駛車(chē)體同時(shí)要不停地調(diào)整各個(gè)操作臂的位姿以清潔工作，這對(duì)于操作人員的操作要求太高[6]。新疆電科院與新疆大學(xué)聯(lián)合研制的光伏組件清掃機(jī)器人在鄭善光伏電站成功試運(yùn)行，該機(jī)器人采用橫向清掃的方式對(duì)光伏組件表面的積灰進(jìn)行無(wú)水清掃，采用多段清掃刷交錯(cuò)、緊密結(jié)合的結(jié)構(gòu)，清掃效果好，但是其缺少相應(yīng)的管理方案[7]。綜上所述，市面上現(xiàn)有的清潔設(shè)備都存在清掃效率較低、清掃效果不理想、環(huán)境適應(yīng)能力差、不能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)的清掃過(guò)程等問(wèn)題[8]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種光伏電池板智能清潔系統(tǒng)。其中移動(dòng)清潔機(jī)器人是一種智能化的光伏電池板清潔裝置，提高了光伏發(fā)電效率，減少了能源損耗；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)清潔機(jī)器人的統(tǒng)一管理；移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)顯示清潔信息并可遠(yuǎn)程控制清潔機(jī)器人運(yùn)行。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)、Web技術(shù)及APP技術(shù)彌補(bǔ)了現(xiàn)有清潔機(jī)器的多處不足。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括移動(dòng)清潔機(jī)器人、移動(dòng)終端（手機(jī)APP）以及上位機(jī)三部分，其整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。機(jī)器人通過(guò)采集光照強(qiáng)度信號(hào)來(lái)識(shí)別太陽(yáng)能板的灰塵度信息，根據(jù)污染程度決定是否進(jìn)行清掃，在清掃過(guò)程中機(jī)器人通過(guò)攝像頭采集到光伏電池板的信息，將清掃環(huán)境、清潔效果及其自身的電池信息、位置信息通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送至顯示終端；上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的電量、清潔進(jìn)度、故障等信息，將控制信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人，遠(yuǎn)程控制其完成作業(yè)；同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給移動(dòng)終端手機(jī)APP，可使用手機(jī)APP對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免工作人員死守崗位。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案Fig.1 System overall design scheme

2 清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，清潔機(jī)器人附著于導(dǎo)軌上，根據(jù)自身檢測(cè)和導(dǎo)軌控制清掃路徑。它由兩橫梁和兩立梁構(gòu)成，左右立梁采用現(xiàn)有的鋼導(dǎo)軌，并將清掃機(jī)構(gòu)固定在該導(dǎo)軌上，控制器通過(guò)對(duì)機(jī)器人的控制實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)構(gòu)自動(dòng)上下移動(dòng)，不會(huì)被導(dǎo)軌固定模式阻攔。本設(shè)計(jì)采用一塊飛思卡爾MC9S12XSDT256作為控制器，用于控制導(dǎo)軌上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，邊緣配備有紅外檢測(cè)裝置，可以判斷機(jī)器人清掃的位置，防止機(jī)器人觸碰到邊緣和跌落太陽(yáng)能光伏電板的的情況發(fā)生。同時(shí)，通過(guò)控制器串口接口連接到組態(tài)屏，利用組態(tài)屏按鍵對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行控制以及上位機(jī)通過(guò)無(wú)線方式對(duì)控制信息和顯示信息的下放，完成人機(jī)交互。

2.1.2 清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)

清潔機(jī)器人是該系統(tǒng)的主要組成部分，也是執(zhí)行部分，代替操作者去現(xiàn)場(chǎng)完成作業(yè)。其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由微控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器、直流電機(jī)、監(jiān)控軟件、電源等組成。如圖2所示，處于控制系統(tǒng)核心部件的微控制器將輸出的控制信號(hào)送至直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，從而完成對(duì)上下端行走機(jī)器人直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制機(jī)器人行走。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由蓄電池供電，小型太陽(yáng)能光伏電板提供給蓄電池充電；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與上位機(jī)的連接，最終實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)機(jī)器人運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)與控制。

圖2 移動(dòng)清潔機(jī)器人模塊圖Fig.2 Module diagram of mobile cleaning robot

（1）控制模塊

選用飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XDT256作為主控芯片，通過(guò)單片機(jī)的PWM脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。為了提高整體控制的精確度，本文選用步進(jìn)電機(jī)控制清掃機(jī)器人的整體左右移動(dòng)，通過(guò)主控制器發(fā)出PWM脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而控制機(jī)器人的整體移動(dòng)；同時(shí)在上下清掃過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制直流電機(jī)帶動(dòng)清掃刷的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能光伏電板的清掃，最終實(shí)現(xiàn)智能清潔。

（2）通信與顯示模塊

通信模塊選用工業(yè)級(jí)串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，將清潔裝置上的機(jī)器人編號(hào)、實(shí)時(shí)位置、電量以及光伏電板上的污染信息實(shí)時(shí)傳輸給后臺(tái)上位機(jī)，操作者通過(guò)顯示終端能夠清楚地看到清潔機(jī)器人的信息。采用威綸通組態(tài)屏顯示清潔機(jī)器人信息，組態(tài)屏上顯示機(jī)器人的的清掃進(jìn)程、以及控制機(jī)器人啟停、清掃模式等信息，同時(shí)可通過(guò)屏幕選擇清掃模式，達(dá)到對(duì)太陽(yáng)能光伏電板不同程度的清潔目的。

（3）清掃模塊

通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電板的清掃。在光伏電板清掃過(guò)程中，首先使用兩端清掃刷對(duì)電板進(jìn)行初步清掃，當(dāng)清掃完成以后，通過(guò)清潔機(jī)器人中間清潔棉模塊對(duì)太陽(yáng)能光伏電板進(jìn)行擦拭，最終完成對(duì)太陽(yáng)能光伏電板的清潔功能。

（4）檢測(cè)模塊

主要由接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、編碼器等構(gòu)成。單片機(jī)控制器通過(guò)讀取傳感器、編碼器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)清掃機(jī)器人的精確控制，使整個(gè)清掃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。紅外光電開(kāi)關(guān)對(duì)邊緣進(jìn)行檢測(cè)；紅外非接觸溫度測(cè)量傳感器測(cè)量太陽(yáng)能光伏電板上的溫度，將溫度信息通過(guò)無(wú)線傳輸傳送至上位機(jī)；光照傳感器將采集到的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過(guò)模擬I2C數(shù)據(jù)接口傳送到控制器中，根據(jù)無(wú)污染情況下采集到的光照強(qiáng)度與發(fā)電的電壓值進(jìn)行對(duì)比，繪制相應(yīng)的比例曲線，對(duì)比二者在一定的光照強(qiáng)度下的發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能光伏電板的自動(dòng)清掃。為了避開(kāi)白天情況下清掃太陽(yáng)能光伏電板對(duì)發(fā)電量的影響，故將在上位機(jī)終端設(shè)置特定的時(shí)間段進(jìn)行清洗，有效地避開(kāi)在不同的時(shí)間點(diǎn)上對(duì)整個(gè)太陽(yáng)能光伏電板發(fā)電量的影響。

（5）電源模塊

本設(shè)計(jì)選取蓄電池作為整個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)能模塊，微型太陽(yáng)能光伏發(fā)電板作為蓄電池的能量來(lái)源。蓄電池有12 V和24 V兩種輸出電能方式，為整個(gè)光伏清潔機(jī)器人提供電能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

清潔機(jī)器人工作軟件流程如圖3所示。導(dǎo)軌控制器需要通過(guò)傳感器采集信息，控制機(jī)器人的移動(dòng)。機(jī)器人接收到清潔指令后，首先浸濕清潔棉，然后通過(guò)控制各個(gè)清潔刷的正反轉(zhuǎn)動(dòng)與啟停，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電板的整體清潔。

3 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 機(jī)器人工作軟件流程Fig.3 Software flow chart of robot working

WCF是由微軟公司推出的一系列支持?jǐn)?shù)據(jù)通信的應(yīng)用程序框架。清潔機(jī)器人服務(wù)平臺(tái)的基本架構(gòu)為C/S架構(gòu)[10]，并采用基于WCF的面向服務(wù)構(gòu)架（SOA）的開(kāi)發(fā)方式[9，12]。 移動(dòng)終端即手機(jī) APP，它是在基于Java的可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)平臺(tái)Eclipse環(huán)境下開(kāi)發(fā)完成，通過(guò)HTTP接口與后臺(tái)服務(wù)傳輸JSON數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[13]。本系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)端、Windows上位機(jī)和Android移動(dòng)終端四部分，系統(tǒng)服務(wù)的用戶對(duì)象主要是系統(tǒng)管理人員。管理人員使用的是上位機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)值班人員使用的是移動(dòng)終端，另外整個(gè)系統(tǒng)需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)中心，包括服務(wù)端和數(shù)據(jù)服庫(kù)。清潔機(jī)器人服務(wù)平臺(tái)是多平臺(tái)、分布式[12]系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of management system

3.2 客戶端設(shè)計(jì)

光伏電池板智能清潔系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)接收多臺(tái)清潔機(jī)器人的狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的位置、故障等信息。通過(guò)上位機(jī)軟件設(shè)定清掃時(shí)間、選擇清掃模式等，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的清掃狀態(tài)遠(yuǎn)程控制清潔機(jī)器人完成作業(yè)；通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）機(jī)器人編號(hào)、型號(hào)、位置信息的錄入、修改以及刪除；

（2）顯示所有機(jī)器人的總體狀態(tài)，如在役、工作以及故障機(jī)器人的數(shù)目，查詢具體機(jī)器人狀態(tài)信息，顯示其工作模式、清掃進(jìn)程、機(jī)器人故障、以及各個(gè)模塊信息；

（3）遠(yuǎn)程操控機(jī)器人如清掃預(yù)約等；

（4）機(jī)器人清掃歷史查詢?nèi)缜鍜呷掌?、清掃開(kāi)始以及結(jié)束時(shí)間和清掃所耗時(shí)等。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，搭建了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行測(cè)試。清潔機(jī)器人如圖5所示，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光伏電池板的清潔。如圖6所示為上位機(jī)設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面，其狀態(tài)監(jiān)控界面顯示了當(dāng)前機(jī)器人的工作信息。

圖5 清潔機(jī)器人實(shí)物Fig.5 Mobile cleaning robot

圖6 人機(jī)交互界面Fig.6 Human-computer interactive interface

手機(jī)APP實(shí)時(shí)監(jiān)控上位機(jī)收到的各種信息，如圖7所示為移動(dòng)清潔機(jī)器人當(dāng)前工作狀態(tài)顯示界面以及查詢編號(hào)001清潔機(jī)器人的清掃歷史界面，包括其當(dāng)時(shí)的清掃模式、清掃進(jìn)程和所用電量等。

圖7 移動(dòng)終端顯示界面Fig.7 Displaying interface of mobile terminal

經(jīng)驗(yàn)證可知，該機(jī)器人能有效完成對(duì)光伏組件表面的清潔，管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄機(jī)器人的清潔數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析市面上光伏組件清潔裝置的不足，本文設(shè)計(jì)了一種光伏電池板智能清潔系統(tǒng)。該系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏組件的智能清潔，同時(shí)管理系統(tǒng)記錄了機(jī)器人清潔歷史，并完成無(wú)人值守和多臺(tái)機(jī)器人的人機(jī)交互，從根本上改善了工作人員的工作環(huán)境，降低了光伏電站的運(yùn)營(yíng)成本，為新能源的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。