唐立軍，周年榮，張旭東

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

單片機(jī)的出現(xiàn)推進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的進(jìn)一步發(fā)展，最開始出現(xiàn)的單片機(jī)性能比較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其容量較小，但很快出現(xiàn)了高性能的單片機(jī)彌補(bǔ)了之前單片機(jī)的不足[1]。微控制單元(Microcontroller Unit；MCU)，也叫單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer )，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如各種測(cè)控系統(tǒng)、智能儀表等比較復(fù)雜性能高的系統(tǒng)中[2]。

智能安全頭盔是將一個(gè)尋常的頭盔融合高端科技產(chǎn)品升級(jí)，實(shí)現(xiàn)人們需求的智能性能頭盔，其主要應(yīng)用在應(yīng)急救助領(lǐng)域中，如火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、地質(zhì)探測(cè)等領(lǐng)域[3]。太陽能充電可將太陽能轉(zhuǎn)換成電能對(duì)所需物件進(jìn)行充電，太陽能是一種環(huán)?？稍偕Y源[4]，它主要通過太陽光線讓物體產(chǎn)生能量，通常用作發(fā)電。將太陽能充電技術(shù)應(yīng)用在智能安全頭盔中，可降低頭盔能耗，為頭盔提供豐富的能源。同時(shí)智能安全頭盔中太陽能充電狀態(tài)的有效監(jiān)測(cè)，對(duì)于確保智能安全頭盔的正常運(yùn)行，提高其安全性能具有重要的應(yīng)用意義。

本文利用高性能MCU單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一款智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其不僅能有效的跟蹤智能安全頭盔的太陽能充電情況，還能提升充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)效率，應(yīng)用價(jià)值高[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 智能安全頭盔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能安全頭盔包括頭盔構(gòu)架、太陽能電池列陣、聚合物電池、控制器等，見圖1。其詳細(xì)分布包括內(nèi)嵌蓄電池、前部面罩、尾部散熱片、半導(dǎo)體制冷片、冷面散熱層、透明工程塑料、太陽能電池板、電路板和冷面散熱層，這些設(shè)備構(gòu)成智能安全頭盔結(jié)構(gòu)。智能頭盔的內(nèi)外支架是連接兩曲面的連接設(shè)備，高強(qiáng)度工程塑料（頂蓋）是外曲面的制作材料[6]；導(dǎo)熱和重量是內(nèi)曲面思考的核心因素，因此選取比較純的導(dǎo)熱性能好的新型網(wǎng)狀鋁合金材料（將其用作散熱片和頭部支架），將絕熱材質(zhì)用作兩曲面間的支架。為了便于接受太陽光照射，將頭盔頂蓋做成透明，靠在曲面頭盔頂端內(nèi)部是太陽能電池列陣并做成曲形，用絕熱泡沫填補(bǔ)兩曲面剩下的空間[7]。

1.2 太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)參數(shù)和硬件總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用圖2描述?？梢钥闯鱿到y(tǒng)包括感知數(shù)據(jù)采集單元、控制傳輸單元、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤單元三部分。其中感知數(shù)據(jù)采集單元中的CorteX-M7內(nèi)核高性能單片機(jī)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤單元中的最大功率跟蹤模塊中采用的STC2C5412AD單片機(jī)是本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的兩種關(guān)鍵的高性能MCU。

圖2 太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基礎(chǔ)繼電器、CC2530設(shè)備和CorteX-M7單片機(jī)等構(gòu)成系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)采集單元[8]，其通過充電數(shù)據(jù)選擇、控制連接等功能，完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。確保太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的連接更加牢固，加速太陽能充電控制監(jiān)測(cè)程序的執(zhí)行能力，可通過CorteX-M7單片機(jī)完成。

控制傳輸單元在有效控制調(diào)節(jié)接口傳輸?shù)臈l件下，通過InDTU332數(shù)據(jù)傳輸模塊和ARM處理器推動(dòng)太陽能以太接口的連接以及器件電路同系統(tǒng)電源的聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)總體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效率傳輸。控制單元也是整個(gè)太陽能智能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的紐帶，實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤單元間數(shù)據(jù)的交互連接[9]。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤單元，通過InDTU332數(shù)據(jù)傳輸模塊將控制傳輸單元獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過CC253設(shè)備傳輸?shù)匠潆娍刂破髦羞M(jìn)行分析控制，該控制器采集充電控制器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的模式運(yùn)行調(diào)控，同時(shí)將其反饋到太陽能充電板中，再結(jié)合最大功率跟蹤模塊獲取的太陽能數(shù)據(jù)，選擇合理的智能監(jiān)測(cè)策略，實(shí)現(xiàn)安全頭盔太陽能充電的智能監(jiān)測(cè)。

1.2.2 Core-M7單片機(jī)模塊集成

太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中CoreX-M7單片機(jī)擁有六級(jí)、雙發(fā)射超標(biāo)量流水線，具有高精度的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可降低對(duì)額外數(shù)字信號(hào)處理器以及微控制器的需求[10]，是一種高性能的處理器。BST-V51是CoreX-M7單片機(jī)的智能集成地板，為了避免無意義監(jiān)測(cè)損耗，以太陽能充電線路的閉合狀態(tài)為基礎(chǔ)，對(duì)控制器電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力實(shí)現(xiàn)最佳形態(tài)在較少的時(shí)間中，且強(qiáng)迫沒用全面使用的太陽能電子迅速進(jìn)入器件控制電路[11]。該種單片機(jī)的內(nèi)存接口連接緊密，具有超高速的響應(yīng)速率，采用嵌入式跟蹤宏單元選擇和配準(zhǔn)相關(guān)的運(yùn)行指令以及數(shù)據(jù)軌跡，大大提高總體數(shù)據(jù)采集單元的能見度，提高數(shù)據(jù)采集性能。

1.2.3 最大功率跟蹤模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤單元中的太陽能最大功率跟蹤模塊結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 最大功率跟蹤模塊結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出最大功率跟蹤模塊的控制核心是STC2C5412AD單片機(jī)，采用卡爾曼算法融合預(yù)測(cè)太陽軌跡算法以及光敏傳感器得到的太陽方位信息，再驅(qū)動(dòng)雙軸云臺(tái)使得電池陣列運(yùn)行，對(duì)光源位置進(jìn)行準(zhǔn)確檢索，確保太陽能充電板中的電池陣列處于最大功率點(diǎn)周圍[12]。通過九軸姿態(tài)傳感器對(duì)電池陣列的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進(jìn)行有效的檢測(cè)，確保跟蹤模塊對(duì)太陽光源位置進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。

1）光敏和九軸姿態(tài)傳感器：通過四象限法實(shí)現(xiàn)光線傳感器最大功率跟蹤，其設(shè)計(jì)理念利用三點(diǎn)構(gòu)成平面，此模型選用三個(gè)光電三極管(3DU33)，三個(gè)傳感器，圓筒內(nèi)部有一個(gè)，在擋板外實(shí)行隔離的有兩個(gè)[12]。此傳感器輸出的光電流越大，光強(qiáng)度越強(qiáng)，反之輸出的光電流越小，光強(qiáng)度越弱，且電壓信號(hào)的產(chǎn)生采用信號(hào)調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)化電流信號(hào)得出。

2）GPS子模塊：通過了解當(dāng)?shù)亟?jīng)度、緯度和時(shí)間等信息可求解太陽高度角和方位角。系統(tǒng)中的最大功率跟蹤模塊利用GPS子模塊實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)，為了提升太陽能數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度，可通過太陽軌跡天文算法獲取太陽對(duì)應(yīng)的位置[13]。

地球自轉(zhuǎn)在單位時(shí)間內(nèi)形成的角度被稱為時(shí)角，并設(shè)置0°是中午12點(diǎn)形成的時(shí)角，且時(shí)角提升15°需要經(jīng)過1h，(-180°～180°)是時(shí)角的取值范疇，若A是當(dāng)?shù)貢r(shí)間(單位：h)，則獲取的地方時(shí)角是α：

通過太陽與地球中心連線與地球赤道平面間形成的夾角叫做赤緯角，太陽赤緯角在春分日和秋分日是0°，北緯23° 26"是太陽赤緯角在夏至日時(shí)，南緯23°26"是太陽赤緯角在冬至日時(shí)。由此隨意一天赤緯角在整年中滿足：

其積日數(shù)是M，計(jì)算的起始時(shí)間是1月1日，日期通過GPS數(shù)據(jù)幀中獲取，因此求解積日數(shù)M。

太陽光的入射方向和地平面間的夾角為太陽高度角，且觀測(cè)點(diǎn)緯度ε和太陽高度角b滿足：

太陽光線在地平面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€形成的夾角是太陽方位角且正南方向是0，并和東方成反比例，和西方成正比例，當(dāng)?shù)竭_(dá)正北方變成±180°，當(dāng)方位角處在正午時(shí)全是0，且方位角β滿足：

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 最大功率跟蹤算法設(shè)計(jì)

太陽能最大功率跟蹤是總體智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，系統(tǒng)軟件通過卡爾曼濾波算法融合光線傳感跟蹤法和太陽軌跡跟蹤法，實(shí)現(xiàn)太陽能最大功率的高精度跟蹤[14]。最大功率跟蹤算法的詳細(xì)流程見圖4，可以看出其通過預(yù)測(cè)-實(shí)測(cè)-修正三個(gè)過程實(shí)現(xiàn)太陽能最大功率的有效跟蹤。

圖4 最大功率跟蹤算法流程圖

2.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)策略分析

分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)流程，對(duì)關(guān)鍵處理節(jié)點(diǎn)實(shí)施避障操作，合理選擇智能監(jiān)測(cè)策略。

2.2.1 太陽能控制巡跡

內(nèi)監(jiān)測(cè)走線、外監(jiān)測(cè)走線、環(huán)行走線是太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的巡跡方向，融合兩類或兩類以上的巡跡方式得到5種太陽能充電監(jiān)測(cè)巡跡選型策略。

1）利用杜綁線連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全部巡跡走線，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配備兩個(gè)減速機(jī)輔助監(jiān)測(cè)裝備，完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)巡跡的內(nèi)監(jiān)測(cè)走線。此巡跡的優(yōu)點(diǎn)是可在系統(tǒng)內(nèi)部同CorteX-M7單片機(jī)相連，借助高性能單片機(jī)提高監(jiān)測(cè)性能，缺點(diǎn)是運(yùn)算量大[15]。

2）利用web數(shù)據(jù)線連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全部走線，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)真實(shí)損耗狀況可通過配備一個(gè)SAMRTDUINO設(shè)備和連接一個(gè)電機(jī)固定件獲取，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外監(jiān)測(cè)走線型巡跡，該種巡跡方式的優(yōu)點(diǎn)是能明確了解監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的損耗狀況，提高監(jiān)測(cè)精度。

3）杜邦線和web數(shù)據(jù)線分別連接太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)線和外線，且配備一個(gè)平臺(tái)共享設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的環(huán)形走線巡跡，其優(yōu)點(diǎn)是使用范圍廣，整體損耗費(fèi)用低，缺點(diǎn)是限制監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率。

4）融合內(nèi)線、外線以及環(huán)線的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尋跡方式，融合了三種尋跡方式的優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 監(jiān)測(cè)避障操作

合理處理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軌跡，對(duì)于避免系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重處理漏洞具有重要應(yīng)用意義。處理過程中，應(yīng)先明確系統(tǒng)中控制器設(shè)備的巡跡方式，分析產(chǎn)生故障數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)規(guī)范，再通過合理的運(yùn)算公式規(guī)劃監(jiān)測(cè)避障操作的規(guī)范。針對(duì)內(nèi)、外、環(huán)3類走線巡跡是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)避障管理的基本規(guī)范要求，設(shè)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備最高智能充電量低于其的選取標(biāo)準(zhǔn)是在單位時(shí)間內(nèi)，c是最長(zhǎng)充電時(shí)間，且用式(5)描述3類走線巡跡措施的監(jiān)測(cè)避障管理標(biāo)準(zhǔn)：

其中，3種走線巡跡措施的監(jiān)測(cè)避障指標(biāo)分別是ν1、ν2和ν3，杜邦線內(nèi)太陽能充電電子的平均傳輸速率是d′，兩個(gè)減速電機(jī)的輔助監(jiān)測(cè)參量是g1和g2，SMARTDUINO設(shè)備的智能充電系數(shù)是|r|，Web監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)線在最長(zhǎng)充電時(shí)間的消耗常量用zc表示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的真實(shí)損耗情況參數(shù)和環(huán)形巡跡措施的物理監(jiān)測(cè)時(shí)間分別用s和l表示。

復(fù)合型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)巡跡措施沒有鮮明的計(jì)算公式，獲取新復(fù)合型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)迅肌操作規(guī)范，應(yīng)基于式(5)，采用式(6)對(duì)ν1、ν2和ν3監(jiān)測(cè)避障指標(biāo)進(jìn)行加工：

其中，e、f和k分別表示走線型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)巡跡的避障指標(biāo)，這些指標(biāo)描述同三種巡跡措施監(jiān)測(cè)避障指標(biāo)關(guān)聯(lián)的監(jiān)測(cè)系數(shù)；ν4、ν5、ν6和ν7分別表示3.2.1小節(jié)描述的四種太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)巡跡選案的避障指標(biāo)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某型號(hào)智能安全頭盔，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)智能安全頭盔運(yùn)行的0.002 s到0.026 s時(shí)間段內(nèi)，本文系統(tǒng)、STM32系統(tǒng)以及PIC系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)安全頭盔的太陽能最大功率的跟蹤效果，結(jié)果分別見圖5、圖6、圖7。

圖5 STM32監(jiān)測(cè)系統(tǒng)跟蹤效果

分析圖5可知，STM32監(jiān)測(cè)系統(tǒng)到0.008s時(shí)，跟蹤到頭盔太陽能的最大跟蹤率，且持續(xù)了0.06 s。

分析圖6可知，PIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)到0.010 s時(shí)，跟蹤到最大跟蹤率，持續(xù)了0.04 s。

分析圖7可知，本文系統(tǒng)到0.006 s時(shí)跟蹤到太陽能最大功率，持續(xù)了0.08 s。對(duì)比分析圖5、圖6、圖7可知，本文系統(tǒng)跟蹤實(shí)驗(yàn)安全頭盔太陽能最大功率的速度高于其它兩個(gè)系統(tǒng)，且跟蹤最大功率的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)為了檢測(cè)本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)太陽能充電信號(hào)的穩(wěn)定性，對(duì)比分析三種系統(tǒng)進(jìn)行太陽能充電監(jiān)測(cè)過程中的監(jiān)測(cè)信號(hào)變化情況分析數(shù)據(jù)可知，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的不斷增加，STM32監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)值從3Mb上升到65 Mb，又從65 Mb下降到5 Mb，變化趨勢(shì)非常大，PIC監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)值從3 Mb上升到60 Mb，又從60 Mb下降到15 Mb，其變化趨勢(shì)也比較顯著，而本文系統(tǒng)的變化趨勢(shì)從3 Mb上升到45 Mb之后，一直在45 Mb左右間，其變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，說明本文系統(tǒng)進(jìn)行智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性好，為智能安全頭盔的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保障。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用了CorteX-M7和STC2C5412AD兩種高性能單片機(jī)，其中CorteX-M7內(nèi)核高性能單片機(jī)協(xié)助系統(tǒng)感知數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效率采集，STC2C5412AD單片機(jī)協(xié)助系統(tǒng)最大功率跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)太陽能最大功率的有效跟蹤，對(duì)光源位置進(jìn)行準(zhǔn)確檢索，確保太陽能充電板中的電池陣列處于最大功率點(diǎn)周圍。本文系統(tǒng)采用的兩種高性能MCU避免無意義監(jiān)測(cè)損耗，大大提高了總體系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效率，確保太陽能充電監(jiān)測(cè)智能安全頭盔的運(yùn)行穩(wěn)定，提升智能安全頭盔的使用時(shí)間。