SOLYSGearDrive太陽跟蹤器的控制系統設計

梁少林，王詠梅，石恩濤，王天放，王后茂

(1.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190； 2.中國科學院大學，北京 100049)

SOLYSGearDrive太陽跟蹤器的控制系統設計

梁少林1，2，王詠梅1，石恩濤1，王天放1，王后茂1

(1.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190； 2.中國科學院大學，北京 100049)

太陽跟蹤研究的發展，向太陽跟蹤器的控制系統智能化提出了更高的要求；以SOLYSGearDrive太陽跟蹤器為儀器平臺，創新性地提出利用路由器建立控制主機和太陽跟蹤器在局域網內，以及局域網和互聯網之間的通信,并以虛擬儀器開發軟件LabVIEW為軟件平臺，綜合調用百度地圖應用程序接口API和指令腳本文件，設計了一套控制系統。實現對儀器的狀態監測，指令控制，遠程訪問等；系統功能豐富，操作簡單，界面可視化好，普遍適用性強。

太陽跟蹤器；控制；局域網；模式；百度地圖；腳本文件

0 引言

自20世紀90年代以來，氣象觀測的進步以及太陽能利用的發展，向太陽跟蹤提出了更高的要求。國內外研制了各種類型的太陽跟蹤器，從單軸跟蹤到雙軸跟蹤，從單一跟蹤到混合跟蹤[1]，太陽跟蹤器不斷朝著高精度全自動多功能的目標發展。目前，已經進入了自動化芯片時代，傳感器和處理器相結合以完成太陽自動跟蹤，控制系統成為其工作核心[2]。

然而，大多數太陽跟蹤器并不配備專門的控制系統，或控制功能較為單一，操作不夠智能，界面可視化差。因此，研制一種功能豐富，操作方便，界面清晰，普遍適用性強的太陽跟蹤器控制系統，已經迫在眉睫。

1 儀器介紹

SOLYS Gear Drive太陽跟蹤器是由荷蘭Kipp&Zonen公司生產的一種新型全自動雙軸太陽跟蹤器。內置GPS接收器以獲取時間和地理位置信息，經過J.J Michalsky算法(1988)的處理得到太陽的位置信息，再經過四象限傳感器的校準，實現指向位置的微調，其精度可達0.02°。SOLYS Gear Drive 太陽跟蹤器采用齒輪傳動系統，最大載重達80 kg,最大扭矩達60 Nm，可抵抗20 m/s的強風。采用220 V交流和24 V直流兩種供電方式，且內置加熱器，工作溫度范圍擴展到-50～60℃，使太陽跟蹤器能夠在惡劣環境下工作。

2 系統設計

2.1 系統原理

目前，大多數太陽跟蹤器都是采用RS232串口實現與主機的通信，雖然能夠全雙工工作，但數據傳輸速率較低且距離有限，保密性差[3]。SOLYS Gear Drive 太陽跟蹤器除了可以通過RS485串口實現和主機的通信外，還具有一個以太網RJ45接口，因此，可以將主機和儀器直連或者同時接入局域網，實現對儀器的狀態監測和指令控制，若再接入互聯網，還可以實現對儀器的遠程訪問。這種方式不僅傳輸速率高且距離不受限制，主機通過IP地址的形式訪問儀器，因而保密性好。

如圖1所示，利用路由器建立局域網，將主機和儀器接入不同的LAN口，WAN口接入互聯網。再通過主機正確配置路由器的DHCP服務器，以分配給主機和儀器各一個IP地址[4]。

圖1 系統原理圖

利用LabVIEW數據通信中的TCP協議，可以實現太陽跟蹤器和主機的局域網內通信，打開TCP連接函數如圖2所示，除了要輸入IP地址外，還要輸入遠程端口或服務名稱，以指定TCP網絡連接，SOLYS Gear Drive 太陽跟蹤器的遠程端口如圖3所示，

圖2 打開TCP連接函數

圖3 遠程端口號

利用TCP端口15000和15001，可以實現對儀器的監控。其中，TCP15001端口不支持主機命令或請求的發送，只支持儀器向主機的單方面信息傳遞，包括當前時間信息，經緯度信息，太陽位置信息，電機動作信息等，更新率為1秒。而TCP15000端口既支持主機指令的發送，也可及時地接收反饋信息，部分主要指令使用說明如表1所示。SOLYS Gear Drive 太陽跟蹤器主要有兩種工作模式：跟蹤模式和標準模式。跟蹤模式下儀器自動跟蹤太陽，標準模式下儀器根據動作指令運動，完成設定的運動軌跡。模式的切換通過FU指令實現。

表1 控制指令表

注：上標為*的指令只能在標準模式下使用

2.2 系統結構

系統結構如圖4所示，

圖4 控制系統結構圖

通過端口的選擇可以實現系統功能的切換。若TCP端口選擇15000，則可以向儀器發送指令，這里的指令來源有3種：自動更新，手動發送，腳本文件。若選擇自動更新，則主機循環向儀器發送“CT,LL,IS,MS,SI,SE”六條指令，并將反饋信息實時在LabVIEW前面板顯示。若選擇手動發送，則可以在指令輸入框輸入指令，除了要符合儀器工作模式外，還要滿足一定的格式要求。若將指令存儲在腳本文件如txt文件中，通過對文件的讀取，可以將指令取出執行，利用這個功能可以為儀器規劃運動軌跡。

2.3 前面板設計

基于LabVIEW的前面板界面設計如圖5所示，此時TCP端口選擇15000，儀器接受主機指令的發送，它主要分為以下幾個功能模塊。

圖5 前面板界面

(1)通信設置：輸入儀器IP地址和TCP端口，建立主機與儀器的通信連接，并顯示連接狀態。

(2)密碼保護：為“發送指令”功能設置密碼保護(PRotection)。在前面板中選擇PR使能是否有效，若不使能，指令使用權限不受限制，若PR使能，則只有輸入正確密碼，指令才會有效發送，進一步提高了控制系統的安全性。

(3)自動更新：若自動更新有效，則主機循環依次向儀器發送“CT,LL,IS,MS,SI,SE”六條指令，以獲取“當前世界時和指向位置，經度、緯度和氣壓，儀器狀態，電機狀態(包括方位角電機和天頂角電機)，太陽光強，儀器序列號”等信息并用前面板控件顯示。其中，方位角和天頂角顯示控件除了顯示指向位置外，還可以將指向位置與當前太陽位置的誤差及時計算并顯示出來。光強值和四象限傳感器值控件顯示太陽光強值和四象限傳感器經光電轉換得到的電壓值(一位有效位)，兩者之間的轉換關系與傳感器參數有關。利用JavaScript語言調用百度地圖API，編寫“輸入經緯度顯示位置”應用程序[5]，將其存儲路徑以統一資源定位符URL的形式發送給LabVIEW中的瀏覽器控件[6]，可以將經緯度信息實時在百度地圖中顯示出來。這里的經緯度默認情況下來自儀器獲取的經緯度，也支持手動輸入查詢位置功能。儀器狀態顯示控件顯示當前儀器的工作模式、操作、自動或手動運行、內部加熱以及調整情況等。電機狀態顯示控件用于顯示電機的運動狀態和工作電流等。

(4)常用指令：將常用指令以控件的形式表示，包括復位、WA、CO以及設置太陽運行速度等。其中，太陽運行速度為太陽跟蹤算法中的運行速度，如選擇“5min/day”,意思是使太陽一天的運行軌跡在5分鐘內完成，此時，儀器的指向也會跟著運動。

(5)指令輸入：在輸入框中可以手動輸入指令，以“PO”為例，輸入“PO 0 150”，使方位角電機指向150度位置，其中0為方位角電機的編號。執行完成后將反饋信息和方位角及時顯示。

(6)腳本文件：將指令存儲在腳本文件如txt中，系統通過對文件的讀取取出指令并發送給儀器執行，使電機按照規劃的路徑運動。一個腳本文件和執行狀態如圖6所示，該腳本文件共10條指令，發送間隔為60秒，設置電機最大速度2.5°/s，最大加速度3.6°/s2。

圖6 一個txt腳本文件和其執行狀態

若TCP端口選擇15001，則儀器會將狀態信息實時發送給主機顯示。如圖7所示，格式是“信息種類；主機名稱；日期；時間；太陽方位角；太陽天頂角；方位角電機位置；天頂角電機位置；緯度；經度；氣壓；狀態碼；運行狀態；方位角電機狀態，天頂角電機狀態；校驗和”，其中，運行狀態以及電機狀態以編碼的形式表示。

圖7 儀器狀態信息

2.4 遠程訪問

以控制主機作為遠程訪問的服務器，并利用LabVIEW軟件自帶的Web發布工具，可以將控制系統的前面板發布到互聯網上。

由于控制主機和儀器是通過路由器配置的局域網進行通信的，因此，若遠程訪問的客戶端位于本局域網內，可以直接利用Web發布的地址URL對前面板進行訪問，若客戶端通過公網訪問服務器，則需要通過路由器進行正確的端口映射[7]。

3 結論

SOLYS Gear Drive 太陽跟蹤器控制系統利用以太網接口實現主機和儀器在局域網內以及局域網和互聯網之間的通信，并以IP尋址的方式實現主機對儀器的訪問，克服了傳統串口通信速率慢，距離短，保密性差的缺點。基于LabVIEW設計了儀器的控制面板，功能豐富，且操作簡單，界面可視化好。利用Web發布工具將前面板發布到互聯網上，還可以實現對儀器的遠程訪問，極大地滿足使用者的工作需求。此外，該系統只需要作簡單的指令修改，即可應用于其他太陽跟蹤器上，具有較強的普遍使用性。

[1] 朱志缸,陣 緯,毛行奎.自動太陽跟蹤器綜述[A].第十八屆全國電源技術年會論文集[C].2010:479-481.

[2] 趙建華,張婷婷.太陽跟蹤控制系統的研究與設計[J].電子測量技術,2016,39(3): 1-3.

[3] 向 平,畢玉慶,程建民,等.基于ARM的太陽跟蹤控制系統設計[J].計算機測量與控制,2009,17(6):1102-1105.

[4] 張 勇,張德運,蔣旭憲,等.路由器安全配置管理[J].計算機工程,2000,26(8):65-66.

[5] 弗拉納根.JavaScript權威指南[M].北京:機械工業出版社,2007.

[6] 楊樂平.LabVIEW高級程序設計[M].北京:清華大學出版社,2003.

[7] 傅 豐,徐洪章.端口映射的分析與應用[J].天中學刊,2006,21(2):59-60.

Design of Control System of SOLYS Gear Drive Sun Tracker

Liang Shaolin1,2, Wang Yongmei1, Shi Entao1, Wang Tianfang1, Wang Houmao1

(1.National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The development of the sun tracking research has put forward the demand to the intelligence of the control system of the sun tracker. Using the SOLYS Gear Drive sun tracker as hardware platform, a method that sets up the communication between the host and instrument via the LAN, the communication between the LAN and Ethernet by router is put forward innovatively, using the virtual instrument development software LabVIEW as software platform and utilizing the Baidu Maps JavaScript API and command script file comprehensively, a control system is designed. It can monitor the operation status of the instrument timely, control the instrument by sending command and visit the instrument remotely. The system have multiple functions and can be operated conveniently, the interface’ visualization is straightforward, the applicability is extensive.

sun tracker; control; LAN; mode; Baidu maps; script file

2016-08-10；

2016-09-06。

梁少林(1992-)，男，安徽阜陽人，博士研究生，主要從事空間環境探測技術,光電探測系統設計，智能儀器儀表技術等方向的研究。

1671-4598(2017)01-0082-02DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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