張 軍，白 濤，李義斌，陶 君，張新榮

(長安大學(xué) a.工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；b.附屬中學(xué),西安 710064)

0 引 言

面臨全球性的能源危機(jī)時，太陽能作為一種清潔綠色再生能源已受到廣泛關(guān)注[1]，在光伏發(fā)電、太陽能照明、太陽能熱水器得到應(yīng)用。其中太陽光傳導(dǎo)照明技術(shù)[2-4]是太陽能利用領(lǐng)域的一個重要分支，它包括光導(dǎo)管傳導(dǎo)和光纖傳導(dǎo)兩種方式，光導(dǎo)管易受場地局限問題，光纖傳導(dǎo)中的光纖布置靈活，可類似安裝電線方式來傳導(dǎo)太陽光，更具優(yōu)勢，應(yīng)用范圍更廣。宋記鋒等[5]針對光纖傳輸?shù)墓庾V特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，與LED燈的單色光譜相比，光纖傳導(dǎo)的太陽光與自然光具有良好的相似度，能滿足人們在室內(nèi)享受健康陽光的需求，因此太陽光光纖傳導(dǎo)技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。

陽光傳導(dǎo)的關(guān)鍵控制技術(shù)[6]在于實(shí)時準(zhǔn)確追蹤太陽，使聚光裝置的受光平面垂直于太陽光線并將太陽光聚焦于光纖直徑范圍內(nèi)。太陽追蹤方式集中在光電追蹤[7-8]和視日追蹤[10-12]，前者利用遮光原理，傳感器從光線偏移產(chǎn)生的電信號獲得太陽的偏移量，獲取太陽光的位置，但該方法易受天氣條件的影響，陰雨天及多云天難以應(yīng)用；后者是利用太陽歷來計(jì)算太陽方位角和高度角，確定太陽的相對位置，但該方法追蹤精度不高，累計(jì)誤差大。為能在復(fù)雜天氣條件下實(shí)現(xiàn)大范圍高精度追蹤，需要融合兩種追光方法，并獲得系統(tǒng)的動態(tài)特性以制定合理的控制策略。目前太陽光追蹤控制系統(tǒng)在室外調(diào)試耗時費(fèi)力，迫切需要一種遠(yuǎn)程在線調(diào)控方法。在遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)試與參數(shù)監(jiān)控的已有不少研究[9-19]，然而針對太陽光追蹤裝置的在線參數(shù)調(diào)試和參數(shù)監(jiān)控還缺乏研究。

為此，針對陽光導(dǎo)入器追蹤系統(tǒng)的在線參數(shù)監(jiān)控和控制參數(shù)調(diào)整的需求，提出一種基于WiFi的遠(yuǎn)程通信方案，設(shè)計(jì)了通信協(xié)議，采用LabVIEW開發(fā)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的工作參數(shù)的在線監(jiān)控和性能調(diào)試，提高太陽光導(dǎo)入器的追蹤控制性能和智能性。

1 陽光導(dǎo)入器工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 工作原理

光纖導(dǎo)入式太陽光導(dǎo)光系統(tǒng)是通過裝置實(shí)時追蹤太陽的位置確保太陽光線垂直于受光平面，利用聚光透鏡將太陽光聚焦，然后通過光纖傳導(dǎo)聚焦的太陽光，實(shí)現(xiàn)太陽光的直接照明或利用，其工作原理如圖1所示。陽光導(dǎo)入裝置主要包括聚光透鏡及其裝置、光纖傳導(dǎo)束和照明等3部分，系統(tǒng)的核心就是讓透鏡聚焦太陽光并使其焦點(diǎn)正對光纖入口，實(shí)現(xiàn)太陽光在光纖中的傳輸，出光后形成一個58°椎形出光空間。

圖1 太陽光聚光和傳導(dǎo)的工作原理

1.2 陽光導(dǎo)入器裝置

為滿足全方位高效追蹤太陽過程中的結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性等要求，設(shè)計(jì)了一種具有高度角-方位角2個自由度的雙軸追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

追光裝置根據(jù)四象限追蹤傳感器獲取的方位角和高度角的偏移量，根據(jù)偏移量來調(diào)整高度角和方位角執(zhí)行機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角度，以保證受光平面始終正對太陽光線。設(shè)計(jì)樣機(jī)的受光平面上安裝18個固定焦距的聚光透鏡，可將太陽光聚焦并耦合到集光器上實(shí)現(xiàn)太陽光的光纖傳導(dǎo)。

1.控制系統(tǒng),2.U支架,3.支撐架,4.殼體,5.受光平面,6.四象限追蹤傳感器,7.導(dǎo)光光纖,8.亞克力防護(hù)罩,9.集光器,10.高度角轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu),11.方位角轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)

圖2 陽光導(dǎo)入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于導(dǎo)光光纖的直徑d小，僅當(dāng)透鏡聚焦到光纖受光范圍之內(nèi)的太陽光才能被有效利用，并進(jìn)行傳導(dǎo)。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，透鏡聚焦角度范圍如圖3所示，其中透鏡直徑D為100 mm，集光器的直徑d為2 mm，聚光透鏡的焦距f為150 mm。為實(shí)現(xiàn)聚光焦點(diǎn)在2 mm范圍內(nèi)，追光裝置的追蹤角度φ范圍需要滿足[-0.340°,+0.340°]，裝置的效率和太陽能的利用率才能最大。

圖3 系統(tǒng)追蹤角度范圍

1.3 控制系統(tǒng)組成

以STM32F103為核心設(shè)計(jì)了追蹤控制系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。光電追蹤策略利用四象限傳感器獲取太陽方位角和高度角，通過偏移量Δx與Δy控制方位電機(jī)與高度電機(jī)實(shí)現(xiàn)追蹤太陽。而視日追蹤策略采用實(shí)時時鐘芯片DS1307和GPS/北斗模塊。系統(tǒng)中編碼器用于獲取集光平面當(dāng)前方位和高度的姿態(tài)角，用于研究太陽位置運(yùn)行軌跡及系統(tǒng)追蹤策略的特性；設(shè)置方位與高度限位開關(guān)用于保證追蹤起點(diǎn)和終點(diǎn)，以防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)誤追蹤。

圖4 陽光導(dǎo)入器控制系統(tǒng)組成

2 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)需滿足實(shí)時性要求，實(shí)時數(shù)據(jù)采集和傳輸陽光導(dǎo)入器的工作參數(shù)，并進(jìn)行解析和圖形顯示以及參數(shù)存儲，同時可在線實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)調(diào)整的要求。

2.1 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

采用上下位機(jī)的設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)了基于C/S架構(gòu)的陽光導(dǎo)入器測控網(wǎng)絡(luò)，通過WiFi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換，并在LabVIEW為平臺上開發(fā)了其遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，系統(tǒng)組網(wǎng)如圖5所示。設(shè)置控制系統(tǒng)中的WiFi模塊工作在AP模式，系統(tǒng)服務(wù)器IP設(shè)為192.168.18:1818，PC通過服務(wù)器IP地址實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時在線參數(shù)監(jiān)控和調(diào)試。

圖5 測控系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)與追光裝置通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信，追光裝置與WiFi模塊的參數(shù)交換是通過RS-232來發(fā)送報文，為此在TCP/IP包中需要設(shè)置私有通信協(xié)議以確保數(shù)據(jù)互傳的可靠性。通信協(xié)議如表1所示，通信數(shù)據(jù)格式采用小端方式，包括幀頭(Frame_Hand：0x2323)、目標(biāo)地址(Frame_Adress)、幀號(Frame_ID)、數(shù)據(jù)內(nèi)容(Frame_Byte)、幀尾(Frame_End：0x4040)。幀頭、幀尾用于分析定位數(shù)據(jù)幀報文便于上下位機(jī)的數(shù)據(jù)解析；目標(biāo)地址用于確定數(shù)據(jù)的來源方向，設(shè)置0x01為PC遠(yuǎn)端，0x02為太陽光追光裝置；幀號定義數(shù)據(jù)幀ID，以區(qū)別每一組報文傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，方便雙方識別報文并提取其內(nèi)容；每個報文中的數(shù)據(jù))內(nèi)容的長度為8，每個數(shù)據(jù)由2 Byte組成，主要包括四象限追蹤傳感器光強(qiáng)值、PID整定參數(shù)、方位-高度等信息。

2.3 程序功能設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)主要功能包括建立TCP端口的連接、讀取報文、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲和顯示，以及PID參數(shù)和控制模式的發(fā)送。參數(shù)解析是通信系統(tǒng)的核心，因此以數(shù)據(jù)解析為例進(jìn)行分析，其功能流程圖如圖6所示，依據(jù)表1通信格式來解析報文，功能包括①讀取報文數(shù)據(jù)到Data_Array；②根據(jù)幀頭Frame_Hand和幀尾Frame_End匹配來獲取某一包的數(shù)據(jù)內(nèi)容；③根據(jù)表1格式中Frame_ID的定義來解析對應(yīng)的具體參數(shù)；④將剩余的報文重復(fù)以上步驟，直至所有報文解析完成。

圖6 數(shù)據(jù)解析流程圖

2.4 測控軟件設(shè)計(jì)

采用LabVIEW進(jìn)行程序功能設(shè)計(jì)，主程序后面板如圖7所示。借助LabVIEW中的“TCP Open Connection.vi”節(jié)點(diǎn)連接陽光導(dǎo)入器的WiFi網(wǎng)絡(luò)的IP和端口號，利用“TCP Read.vi”節(jié)點(diǎn)獲取報文參數(shù)，利用解析程序獲取感光傳感器光強(qiáng)值、姿態(tài)角等參數(shù)，測控軟件PID整定參數(shù)通過“TCP Write.vi”節(jié)點(diǎn)發(fā)送到追蹤裝置的控制系統(tǒng)，“TCP Close Connection.vi”節(jié)點(diǎn)用于關(guān)閉TCP通信。

圖7 主循環(huán)的部分VI程序框圖

由于LabVIEW中程序嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)流的方向順利進(jìn)行，為了提高程序的實(shí)時性和效率，采用基于生產(chǎn)者/消費(fèi)者的設(shè)計(jì)模式。考慮到陽光導(dǎo)入器的測控數(shù)據(jù)較少，引入了全局變量數(shù)組Arr_data，將采集的數(shù)據(jù)按照順序更新數(shù)組Arr_data中內(nèi)容，實(shí)時獲取Arr_data中數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)顯示及存儲(見圖7)。

依據(jù)圖6的流程圖，基于LabVIEW的數(shù)據(jù)報文解析子vi程序，如圖8所示。根據(jù)幀頭匹配Frame_head.vi和幀尾匹配Frame_end.vi的獲取有效數(shù)據(jù)幀，F(xiàn)rame_data.vi根據(jù)幀號Frame_ID解析具體參數(shù)內(nèi)容，并實(shí)時更新數(shù)組Arr_data，顯示面板會根據(jù)解析的參數(shù)實(shí)時刷新設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖8 數(shù)據(jù)解析子程序框圖

3 測控系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)通信功能實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證測控系統(tǒng)的通信功能，按照圖5組網(wǎng)要求連接對應(yīng)的IP與端口號192.168.1.18：1818，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)功能調(diào)試時，在STM32的開發(fā)環(huán)境通過修改對應(yīng)參數(shù)變量值來驗(yàn)證軟件功能，現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)時界面如圖10所示。通信功能測控系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)正確，能夠?qū)崟r監(jiān)控工作參數(shù)。

圖10 現(xiàn)場試驗(yàn)的實(shí)時監(jiān)控界面

3.2 系統(tǒng)測控功能實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線的控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，進(jìn)行測控功能試驗(yàn)，圖11(a)、(b)為不同PID參數(shù)下的追光效果。圖11(a)所示追蹤傳感器在受光平面上出現(xiàn)陰影，說明此時太陽光線并未垂直照射四象限追蹤傳感器，受光平面上透鏡不能將太陽光聚焦到集光器上。經(jīng)多次現(xiàn)場在線調(diào)試整定PID參數(shù)，以PID控制參數(shù)Kp=0.6、Ki=0.05、Kd=0.25追光效果明顯比較好，如圖11(b)所示。太陽垂直照射四象限追蹤傳感器，傳感器周圍并未出現(xiàn)陰影，此時聚光鏡將陽光光線聚焦到了光纖集光器。圖11(c)為四象限傳感器實(shí)時光強(qiáng)值曲線，隨著太陽位置發(fā)生變化，追光過程曲線會出現(xiàn)振蕩波動，波動時間取決于追蹤精度。系統(tǒng)追蹤精度越好，光強(qiáng)曲線調(diào)整時間越短，保持受光平面正對太陽時間長。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開發(fā)的陽光導(dǎo)入器遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)減少了離線調(diào)試時間，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，為研究追蹤控制系統(tǒng)和在線調(diào)試試驗(yàn)提供一種監(jiān)控方法。

(a)偏離聚光 (b)垂直聚光

(c)實(shí)時曲線

4 結(jié) 語

為節(jié)約能源以及提高太陽能的利用率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代高層建筑內(nèi)白天充足光照，設(shè)計(jì)了一種高度角和方位角雙軸的光纖導(dǎo)入式太陽光追蹤裝置。針對追蹤裝置在室外離線調(diào)試試驗(yàn)費(fèi)時費(fèi)力的問題，借助LabVIEW和WiFi模塊設(shè)計(jì)了一種基于C/S架構(gòu)的在線調(diào)試及參數(shù)監(jiān)控的測控系統(tǒng)。通過試驗(yàn)表明，在該系統(tǒng)上能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的在線監(jiān)控和PID控制參數(shù)的實(shí)時在線整定功能，極大地減少了陽光追蹤裝置離線試驗(yàn)調(diào)試時間，提高了效率，得到較好的追光效果，平臺為陽光追蹤導(dǎo)入裝置開展智能互聯(lián)提供基礎(chǔ)。