张 军，白 涛，李义斌，陶 君，张新荣

(长安大学 a.工程机械虚拟仿真实验教学中心；b.附属中学,西安 710064)

0 引 言

面临全球性的能源危机时，太阳能作为一种清洁绿色再生能源已受到广泛关注[1]，在光伏发电、太阳能照明、太阳能热水器得到应用。其中太阳光传导照明技术[2-4]是太阳能利用领域的一个重要分支，它包括光导管传导和光纤传导两种方式，光导管易受场地局限问题，光纤传导中的光纤布置灵活，可类似安装电线方式来传导太阳光，更具优势，应用范围更广。宋记锋等[5]针对光纤传输的光谱特性进行研究发现，与LED灯的单色光谱相比，光纤传导的太阳光与自然光具有良好的相似度，能满足人们在室内享受健康阳光的需求，因此太阳光光纤传导技术成为研究热点。

阳光传导的关键控制技术[6]在于实时准确追踪太阳，使聚光装置的受光平面垂直于太阳光线并将太阳光聚焦于光纤直径范围内。太阳追踪方式集中在光电追踪[7-8]和视日追踪[10-12]，前者利用遮光原理，传感器从光线偏移产生的电信号获得太阳的偏移量，获取太阳光的位置，但该方法易受天气条件的影响，阴雨天及多云天难以应用；后者是利用太阳历来计算太阳方位角和高度角，确定太阳的相对位置，但该方法追踪精度不高，累计误差大。为能在复杂天气条件下实现大范围高精度追踪，需要融合两种追光方法，并获得系统的动态特性以制定合理的控制策略。目前太阳光追踪控制系统在室外调试耗时费力，迫切需要一种远程在线调控方法。在远程设备调试与参数监控的已有不少研究[9-19]，然而针对太阳光追踪装置的在线参数调试和参数监控还缺乏研究。

为此，针对阳光导入器追踪系统的在线参数监控和控制参数调整的需求，提出一种基于WiFi的远程通信方案，设计了通信协议，采用LabVIEW开发远程测控系统，实现控制系统的工作参数的在线监控和性能调试，提高太阳光导入器的追踪控制性能和智能性。

1 阳光导入器工作原理及系统组成

1.1 工作原理

光纤导入式太阳光导光系统是通过装置实时追踪太阳的位置确保太阳光线垂直于受光平面，利用聚光透镜将太阳光聚焦，然后通过光纤传导聚焦的太阳光，实现太阳光的直接照明或利用，其工作原理如图1所示。阳光导入装置主要包括聚光透镜及其装置、光纤传导束和照明等3部分，系统的核心就是让透镜聚焦太阳光并使其焦点正对光纤入口，实现太阳光在光纤中的传输，出光后形成一个58°椎形出光空间。

图1 太阳光聚光和传导的工作原理

1.2 阳光导入器装置

为满足全方位高效追踪太阳过程中的结构刚度及稳定性等要求，设计了一种具有高度角-方位角2个自由度的双轴追踪系统结构，系统结构如图2所示。

追光装置根据四象限追踪传感器获取的方位角和高度角的偏移量，根据偏移量来调整高度角和方位角执行机构的偏转角度，以保证受光平面始终正对太阳光线。设计样机的受光平面上安装18个固定焦距的聚光透镜，可将太阳光聚焦并耦合到集光器上实现太阳光的光纤传导。

1.控制系统,2.U支架,3.支撑架,4.壳体,5.受光平面,6.四象限追踪传感器,7.导光光纤,8.亚克力防护罩,9.集光器,10.高度角转动机构,11.方位角转动机构

图2 阳光导入系统结构图

由于导光光纤的直径d小，仅当透镜聚焦到光纤受光范围之内的太阳光才能被有效利用，并进行传导。根据结构分析，透镜聚焦角度范围如图3所示，其中透镜直径D为100 mm，集光器的直径d为2 mm，聚光透镜的焦距f为150 mm。为实现聚光焦点在2 mm范围内，追光装置的追踪角度φ范围需要满足[-0.340°,+0.340°]，装置的效率和太阳能的利用率才能最大。

图3 系统追踪角度范围

1.3 控制系统组成

以STM32F103为核心设计了追踪控制系统，系统架构如图4所示。光电追踪策略利用四象限传感器获取太阳方位角和高度角，通过偏移量Δx与Δy控制方位电机与高度电机实现追踪太阳。而视日追踪策略采用实时时钟芯片DS1307和GPS/北斗模块。系统中编码器用于获取集光平面当前方位和高度的姿态角，用于研究太阳位置运行轨迹及系统追踪策略的特性；设置方位与高度限位开关用于保证追踪起点和终点，以防止执行机构出现误追踪。

图4 阳光导入器控制系统组成

2 测控系统设计

测控系统需满足实时性要求，实时数据采集和传输阳光导入器的工作参数，并进行解析和图形显示以及参数存储，同时可在线实现PID参数调整的要求。

2.1 系统组网方案

采用上下位机的设计模式，设计了基于C/S架构的阳光导入器测控网络，通过WiFi模块实现远程数据交换，并在LabVIEW为平台上开发了其远程测控系统，系统组网如图5所示。设置控制系统中的WiFi模块工作在AP模式，系统服务器IP设为192.168.18:1818，PC通过服务器IP地址实现远程实时在线参数监控和调试。

图5 测控系统组网架构

2.2 通信协议设计

远程测控系统与追光装置通过TCP/IP协议实现通信，追光装置与WiFi模块的参数交换是通过RS-232来发送报文，为此在TCP/IP包中需要设置私有通信协议以确保数据互传的可靠性。通信协议如表1所示，通信数据格式采用小端方式，包括帧头(Frame_Hand：0x2323)、目标地址(Frame_Adress)、帧号(Frame_ID)、数据内容(Frame_Byte)、帧尾(Frame_End：0x4040)。帧头、帧尾用于分析定位数据帧报文便于上下位机的数据解析；目标地址用于确定数据的来源方向，设置0x01为PC远端，0x02为太阳光追光装置；帧号定义数据帧ID，以区别每一组报文传送的数据内容，方便双方识别报文并提取其内容；每个报文中的数据)内容的长度为8，每个数据由2 Byte组成，主要包括四象限追踪传感器光强值、PID整定参数、方位-高度等信息。

2.3 程序功能设计

测控系统主要功能包括建立TCP端口的连接、读取报文、数据解析、数据存储和显示，以及PID参数和控制模式的发送。参数解析是通信系统的核心，因此以数据解析为例进行分析，其功能流程图如图6所示，依据表1通信格式来解析报文，功能包括①读取报文数据到Data_Array；②根据帧头Frame_Hand和帧尾Frame_End匹配来获取某一包的数据内容；③根据表1格式中Frame_ID的定义来解析对应的具体参数；④将剩余的报文重复以上步骤，直至所有报文解析完成。

图6 数据解析流程图

2.4 测控软件设计

采用LabVIEW进行程序功能设计，主程序后面板如图7所示。借助LabVIEW中的“TCP Open Connection.vi”节点连接阳光导入器的WiFi网络的IP和端口号，利用“TCP Read.vi”节点获取报文参数，利用解析程序获取感光传感器光强值、姿态角等参数，测控软件PID整定参数通过“TCP Write.vi”节点发送到追踪装置的控制系统，“TCP Close Connection.vi”节点用于关闭TCP通信。

图7 主循环的部分VI程序框图

由于LabVIEW中程序严格按照数据流的方向顺利进行，为了提高程序的实时性和效率，采用基于生产者/消费者的设计模式。考虑到阳光导入器的测控数据较少，引入了全局变量数组Arr_data，将采集的数据按照顺序更新数组Arr_data中内容，实时获取Arr_data中数据实现显示及存储(见图7)。

依据图6的流程图，基于LabVIEW的数据报文解析子vi程序，如图8所示。根据帧头匹配Frame_head.vi和帧尾匹配Frame_end.vi的获取有效数据帧，Frame_data.vi根据帧号Frame_ID解析具体参数内容，并实时更新数组Arr_data，显示面板会根据解析的参数实时刷新设备参数数据。

图8 数据解析子程序框图

3 测控系统功能实验

3.1 系统通信功能实验

为了验证测控系统的通信功能，按照图5组网要求连接对应的IP与端口号192.168.1.18：1818，实现TCP/IP协议收发数据。系统功能调试时，在STM32的开发环境通过修改对应参数变量值来验证软件功能，现场试验实时界面如图10所示。通信功能测控系统传输数据正确，能够实时监控工作参数。

图10 现场试验的实时监控界面

3.2 系统测控功能实验

为实现远程在线的控制系统参数调整，进行测控功能试验，图11(a)、(b)为不同PID参数下的追光效果。图11(a)所示追踪传感器在受光平面上出现阴影，说明此时太阳光线并未垂直照射四象限追踪传感器，受光平面上透镜不能将太阳光聚焦到集光器上。经多次现场在线调试整定PID参数，以PID控制参数Kp=0.6、Ki=0.05、Kd=0.25追光效果明显比较好，如图11(b)所示。太阳垂直照射四象限追踪传感器，传感器周围并未出现阴影，此时聚光镜将阳光光线聚焦到了光纤集光器。图11(c)为四象限传感器实时光强值曲线，随着太阳位置发生变化，追光过程曲线会出现振荡波动，波动时间取决于追踪精度。系统追踪精度越好，光强曲线调整时间越短，保持受光平面正对太阳时间长。实验结果表明，开发的阳光导入器远程测控系统减少了离线调试时间，提高了系统开发效率，为研究追踪控制系统和在线调试试验提供一种监控方法。

(a)偏离聚光 (b)垂直聚光

(c)实时曲线

4 结 语

为节约能源以及提高太阳能的利用率，实现现代高层建筑内白天充足光照，设计了一种高度角和方位角双轴的光纤导入式太阳光追踪装置。针对追踪装置在室外离线调试试验费时费力的问题，借助LabVIEW和WiFi模块设计了一种基于C/S架构的在线调试及参数监控的测控系统。通过试验表明，在该系统上能够实现参数的在线监控和PID控制参数的实时在线整定功能，极大地减少了阳光追踪装置离线试验调试时间，提高了效率，得到较好的追光效果，平台为阳光追踪导入装置开展智能互联提供基础。