基于LabVIEW和WiFi的陽光導入器遠程測控系統

張 軍，白 濤，李義斌，陶 君，張新榮

(長安大學 a.工程機械虛擬仿真實驗教學中心；b.附屬中學,西安 710064)

0 引 言

面臨全球性的能源危機時，太陽能作為一種清潔綠色再生能源已受到廣泛關注[1]，在光伏發電、太陽能照明、太陽能熱水器得到應用。其中太陽光傳導照明技術[2-4]是太陽能利用領域的一個重要分支，它包括光導管傳導和光纖傳導兩種方式，光導管易受場地局限問題，光纖傳導中的光纖布置靈活，可類似安裝電線方式來傳導太陽光，更具優勢，應用范圍更廣。宋記鋒等[5]針對光纖傳輸的光譜特性進行研究發現，與LED燈的單色光譜相比，光纖傳導的太陽光與自然光具有良好的相似度，能滿足人們在室內享受健康陽光的需求，因此太陽光光纖傳導技術成為研究熱點。

陽光傳導的關鍵控制技術[6]在于實時準確追蹤太陽，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。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用；后者是利用太陽歷來計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，累計誤差大。為能在復雜天氣條件下實現大范圍高精度追蹤，需要融合兩種追光方法，并獲得系統的動態特性以制定合理的控制策略。目前太陽光追蹤控制系統在室外調試耗時費力，迫切需要一種遠程在線調控方法。在遠程設備調試與參數監控的已有不少研究[9-19]，然而針對太陽光追蹤裝置的在線參數調試和參數監控還缺乏研究。

為此，針對陽光導入器追蹤系統的在線參數監控和控制參數調整的需求，提出一種基于WiFi的遠程通信方案，設計了通信協議，采用LabVIEW開發遠程測控系統，實現控制系統的工作參數的在線監控和性能調試，提高太陽光導入器的追蹤控制性能和智能性。

1 陽光導入器工作原理及系統組成

1.1 工作原理

光纖導入式太陽光導光系統是通過裝置實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，然后通過光纖傳導聚焦的太陽光，實現太陽光的直接照明或利用，其工作原理如圖1所示。陽光導入裝置主要包括聚光透鏡及其裝置、光纖傳導束和照明等3部分，系統的核心就是讓透鏡聚焦太陽光并使其焦點正對光纖入口，實現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 太陽光聚光和傳導的工作原理

1.2 陽光導入器裝置

為滿足全方位高效追蹤太陽過程中的結構剛度及穩定性等要求，設計了一種具有高度角-方位角2個自由度的雙軸追蹤系統結構，系統結構如圖2所示。

追光裝置根據四象限追蹤傳感器獲取的方位角和高度角的偏移量，根據偏移量來調整高度角和方位角執行機構的偏轉角度，以保證受光平面始終正對太陽光線。設計樣機的受光平面上安裝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現太陽光的光纖傳導。

1.控制系統,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.導光光纖,8.亞克力防護罩,9.集光器,10.高度角轉動機構,11.方位角轉動機構

圖2 陽光導入系統結構圖

由于導光光纖的直徑d小，僅當透鏡聚焦到光纖受光范圍之內的太陽光才能被有效利用，并進行傳導。根據結構分析，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。為實現聚光焦點在2 mm范圍內，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 系統追蹤角度范圍

1.3 控制系統組成

以STM32F103為核心設計了追蹤控制系統，系統架構如圖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控制方位電機與高度電機實現追蹤太陽。而視日追蹤策略采用實時時鐘芯片DS1307和GPS/北斗模塊。系統中編碼器用于獲取集光平面當前方位和高度的姿態角，用于研究太陽位置運行軌跡及系統追蹤策略的特性；設置方位與高度限位開關用于保證追蹤起點和終點，以防止執行機構出現誤追蹤。

圖4 陽光導入器控制系統組成

2 測控系統設計

測控系統需滿足實時性要求，實時數據采集和傳輸陽光導入器的工作參數，并進行解析和圖形顯示以及參數存儲，同時可在線實現PID參數調整的要求。

2.1 系統組網方案

采用上下位機的設計模式，設計了基于C/S架構的陽光導入器測控網絡，通過WiFi模塊實現遠程數據交換，并在LabVIEW為平臺上開發了其遠程測控系統，系統組網如圖5所示。設置控制系統中的WiFi模塊工作在AP模式，系統服務器IP設為192.168.18:1818，PC通過服務器IP地址實現遠程實時在線參數監控和調試。

圖5 測控系統組網架構

2.2 通信協議設計

遠程測控系統與追光裝置通過TCP/IP協議實現通信，追光裝置與WiFi模塊的參數交換是通過RS-232來發送報文，為此在TCP/IP包中需要設置私有通信協議以確保數據互傳的可靠性。通信協議如表1所示，通信數據格式采用小端方式，包括幀頭(Frame_Hand：0x2323)、目標地址(Frame_Adress)、幀號(Frame_ID)、數據內容(Frame_Byte)、幀尾(Frame_End：0x4040)。幀頭、幀尾用于分析定位數據幀報文便于上下位機的數據解析；目標地址用于確定數據的來源方向，設置0x01為PC遠端，0x02為太陽光追光裝置；幀號定義數據幀ID，以區別每一組報文傳送的數據內容，方便雙方識別報文并提取其內容；每個報文中的數據)內容的長度為8，每個數據由2 Byte組成，主要包括四象限追蹤傳感器光強值、PID整定參數、方位-高度等信息。

2.3 程序功能設計

測控系統主要功能包括建立TCP端口的連接、讀取報文、數據解析、數據存儲和顯示，以及PID參數和控制模式的發送。參數解析是通信系統的核心，因此以數據解析為例進行分析，其功能流程圖如圖6所示，依據表1通信格式來解析報文，功能包括①讀取報文數據到Data_Array；②根據幀頭Frame_Hand和幀尾Frame_End匹配來獲取某一包的數據內容；③根據表1格式中Frame_ID的定義來解析對應的具體參數；④將剩余的報文重復以上步驟，直至所有報文解析完成。

圖6 數據解析流程圖

2.4 測控軟件設計

采用LabVIEW進行程序功能設計，主程序后面板如圖7所示。借助LabVIEW中的“TCP Open Connection.vi”節點連接陽光導入器的WiFi網絡的IP和端口號，利用“TCP Read.vi”節點獲取報文參數，利用解析程序獲取感光傳感器光強值、姿態角等參數，測控軟件PID整定參數通過“TCP Write.vi”節點發送到追蹤裝置的控制系統，“TCP Close Connection.vi”節點用于關閉TCP通信。

圖7 主循環的部分VI程序框圖

由于LabVIEW中程序嚴格按照數據流的方向順利進行，為了提高程序的實時性和效率，采用基于生產者/消費者的設計模式。考慮到陽光導入器的測控數據較少，引入了全局變量數組Arr_data，將采集的數據按照順序更新數組Arr_data中內容，實時獲取Arr_data中數據實現顯示及存儲(見圖7)。

依據圖6的流程圖，基于LabVIEW的數據報文解析子vi程序，如圖8所示。根據幀頭匹配Frame_head.vi和幀尾匹配Frame_end.vi的獲取有效數據幀，Frame_data.vi根據幀號Frame_ID解析具體參數內容，并實時更新數組Arr_data，顯示面板會根據解析的參數實時刷新設備參數數據。

圖8 數據解析子程序框圖

3 測控系統功能實驗

3.1 系統通信功能實驗

為了驗證測控系統的通信功能，按照圖5組網要求連接對應的IP與端口號192.168.1.18：1818，實現TCP/IP協議收發數據。系統功能調試時，在STM32的開發環境通過修改對應參數變量值來驗證軟件功能，現場試驗實時界面如圖10所示。通信功能測控系統傳輸數據正確，能夠實時監控工作參數。

圖10 現場試驗的實時監控界面

3.2 系統測控功能實驗

為實現遠程在線的控制系統參數調整，進行測控功能試驗，圖11(a)、(b)為不同PID參數下的追光效果。圖11(a)所示追蹤傳感器在受光平面上出現陰影，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。經多次現場在線調試整定PID參數，以PID控制參數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)為四象限傳感器實時光強值曲線，隨著太陽位置發生變化，追光過程曲線會出現振蕩波動，波動時間取決于追蹤精度。系統追蹤精度越好，光強曲線調整時間越短，保持受光平面正對太陽時間長。實驗結果表明，開發的陽光導入器遠程測控系統減少了離線調試時間，提高了系統開發效率，為研究追蹤控制系統和在線調試試驗提供一種監控方法。

(a)偏離聚光 (b)垂直聚光

(c)實時曲線

4 結 語

為節約能源以及提高太陽能的利用率，實現現代高層建筑內白天充足光照，設計了一種高度角和方位角雙軸的光纖導入式太陽光追蹤裝置。針對追蹤裝置在室外離線調試試驗費時費力的問題，借助LabVIEW和WiFi模塊設計了一種基于C/S架構的在線調試及參數監控的測控系統。通過試驗表明，在該系統上能夠實現參數的在線監控和PID控制參數的實時在線整定功能，極大地減少了陽光追蹤裝置離線試驗調試時間，提高了效率，得到較好的追光效果，平臺為陽光追蹤導入裝置開展智能互聯提供基礎。