基于MSP430和ZigBee的跟日運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許 芬， 梁雪輝，吳正旺

(北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)

0 引 言

太陽(yáng)能是一種清潔、豐富的能源。近年來(lái)隨著空氣污染的加重，人們對(duì)傳統(tǒng)化石能源的環(huán)境危害性有了更加切身的體會(huì)和更高程度的認(rèn)識(shí)。這種觀念上的改變使市場(chǎng)對(duì)清潔能源的需求不斷增長(zhǎng)。過(guò)去十年里，在政策引導(dǎo)下，中國(guó)民間對(duì)于光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、風(fēng)光熱互補(bǔ)發(fā)電等新能源發(fā)電站的建設(shè)呈現(xiàn)出蓬勃的熱情。我國(guó)目前是全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家。根據(jù)國(guó)家能源局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2015年，我國(guó)光伏總裝機(jī)容量已達(dá)到43.18 GW，其中光伏電站裝機(jī) 37.12 GW，分布式電站裝機(jī) 6.06 GW，年發(fā)電 392×108kW·h，占全國(guó)發(fā)電量的 0.7%。近年來(lái)，隨著政府補(bǔ)貼的壓力增大，提高光伏效率、降低光伏度電成本正在成為行業(yè)共識(shí)，跟蹤式光伏發(fā)電開(kāi)始在國(guó)內(nèi)興起。與光伏發(fā)電不同，太陽(yáng)能熱發(fā)電則是采用跟日反光裝置(定日鏡)把太陽(yáng)光聚集到吸熱器上然后進(jìn)行發(fā)電?！笆濉逼陂g在國(guó)家863項(xiàng)目支持下，由中科院電工所牽頭建設(shè)的我國(guó)第一個(gè)兆瓦級(jí)太陽(yáng)能光熱示范電站于2012年8月在延慶八達(dá)嶺成功發(fā)電。2013年9月，中控公司在青海德令哈建設(shè)的10 MW太陽(yáng)能熱發(fā)電站并網(wǎng)發(fā)電。2015年，國(guó)家能源局提出了到2020年底實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到10 GW，太陽(yáng)能熱利用集熱面積保有量達(dá)到8×108m2的目標(biāo)，太陽(yáng)能熱發(fā)電開(kāi)始進(jìn)入發(fā)展熱潮。不管是光伏發(fā)電、光熱發(fā)電，或者其他太陽(yáng)能熱利用項(xiàng)目，光利用效率決定了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的能效，進(jìn)而決定了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的單位成本。采用雙軸跟蹤方式的反光鏡可以保證采光面一直接收直射的太陽(yáng)光，從而提高入射的太陽(yáng)能量密度，提高系統(tǒng)光熱利用效率。

雙軸跟日運(yùn)動(dòng)控制方式主要有方位-俯仰運(yùn)動(dòng)方式和自旋-仰角運(yùn)動(dòng)方式[1]。方位-俯仰運(yùn)動(dòng)方式利用垂直地面的立軸和水平方向的俯仰軸運(yùn)動(dòng)改變鏡架的方位角和俯仰角，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。自旋-仰角方式通過(guò)鏡面的自旋和鏡架的仰角變化改變定日鏡的法線方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。自旋-仰角方式具有弧矢方向和子午方向成像距離始終保持一致的優(yōu)點(diǎn),但由于此種運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜,目前應(yīng)用并不多。

跟日方式有基于光電傳感器的光控法和基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)控法。時(shí)控法是根據(jù)天文公式計(jì)算出太陽(yáng)每個(gè)時(shí)刻在地平坐標(biāo)系下的精確位置然后調(diào)整跟日機(jī)械裝置的姿態(tài)使之追隨太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。光控法則是利用光電傳感器(光伏電池板，光敏電阻，光電二極管等)檢測(cè)太陽(yáng)的相對(duì)位置然后調(diào)整機(jī)械裝置跟蹤太陽(yáng)。相比于時(shí)控法，光控法容易受到天氣、浮云、飛鳥(niǎo)等外界干擾，而且成本相對(duì)較高，所以在實(shí)際應(yīng)用中一直受到限制。

郭鐵錚等研制了基于TMS320F2810的定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)[2]。定日鏡運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由2臺(tái)異步交流伺服電機(jī)和減速機(jī)組成?？刂葡到y(tǒng)采用開(kāi)-閉環(huán)相結(jié)合的模式對(duì)定日鏡的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，即開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)計(jì)算出定日鏡高度角和方位角位置，然后根據(jù)傳感器對(duì)定日鏡姿態(tài)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。該跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤精度可以達(dá)到3.5×10-3rad，但是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本比較高。北京延慶太陽(yáng)能熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)電站采用主從PLC的方式進(jìn)行定日鏡跟蹤控制。主PLC根據(jù)時(shí)間和天文公式計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻各個(gè)位置定日鏡要達(dá)到的方位角和高度角,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線下發(fā)到從PLC，然后通過(guò)變頻器和交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定日鏡的運(yùn)動(dòng)控制[3]。劉琨等介紹了一種基于TMS320F2801處理器和光伏電池板的自主供電式小型定日鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]。西班牙亞塞爾維亞大學(xué)與Solucar公司合作研制的MEMS太陽(yáng)跟蹤器采用太陽(yáng)光傳感器和Bang Bang控制對(duì)定日鏡進(jìn)行閉環(huán)控制。當(dāng)有直射太陽(yáng)光時(shí)，如果誤差信號(hào)幅值大于一個(gè)設(shè)定閾值，就起動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；如果誤差信號(hào)小于閾值，電機(jī)就停轉(zhuǎn)；當(dāng)太陽(yáng)被遮擋時(shí)，系統(tǒng)則進(jìn)入開(kāi)環(huán)模式[5]。

1 太陽(yáng)位置計(jì)算

日地之間的位置參數(shù)可以通過(guò)數(shù)值模擬法或理論展開(kāi)式法來(lái)計(jì)算，其中理論展開(kāi)式法精度更高[9]。本系統(tǒng)采用理論展開(kāi)式法計(jì)算太陽(yáng)的赤緯角，然后根據(jù)太陽(yáng)赤緯角、跟日系統(tǒng)所在緯度及跟蹤時(shí)間求出太陽(yáng)的方位角和高度角。

太陽(yáng)赤緯角是地球赤道所在平面與太陽(yáng)地球中心連線之間的夾角。由于日地相對(duì)位置變化，赤緯角每年在+23°27′ 與-23°27′ 的范圍內(nèi)變化。每年夏至赤緯角達(dá)到最大值+23°27′ ，該日中午太陽(yáng)位于地球北回歸線正上空，隨后赤緯角逐漸減小，至秋分日赤緯角變?yōu)?，到了冬至12月21日赤緯角達(dá)到最小值-23°27′ 。赤緯角的計(jì)算公式如下：

(1)

以地球上一點(diǎn)建立地平坐標(biāo)系，在此坐標(biāo)系下，太陽(yáng)的高度角和方位角可以根據(jù)天球赤道坐標(biāo)系的太陽(yáng)赤緯角δ和時(shí)間角ω來(lái)計(jì)算：

(2)

式中：hs是太陽(yáng)的高度角；βs是太陽(yáng)的方位角；δ是赤緯角；φ是緯度；ω是時(shí)間角。

以定日鏡頂點(diǎn)為原點(diǎn)，以天頂為Z軸，建立地平坐標(biāo)系OXYZ。假設(shè)靶標(biāo)相對(duì)于定日鏡中心點(diǎn)的方位角是βt, 高度角是ht,θ是太陽(yáng)入射角，根據(jù)反射定律及夾角余弦公式，可以推導(dǎo)得到定日鏡的法線方位角βn和高度角hn的計(jì)算公式[6]。

(3)

2 跟日系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙軸跟日系統(tǒng)包括水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)軸和俯仰方向轉(zhuǎn)動(dòng)軸，兩轉(zhuǎn)動(dòng)軸分別采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)。定日鏡的框架采用方鋼制成，尺寸為1.5 m×1.5 m，整個(gè)架子質(zhì)量約為30 kg。

為了減小系統(tǒng)成本，控制部分采用單片機(jī)MSP430F5438A作為控制器，通過(guò)兩相全數(shù)字式細(xì)分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)定日鏡的方位角和俯仰角調(diào)整。根據(jù)仿真計(jì)算，水平方向的運(yùn)動(dòng)范圍小于150°，俯仰方向的運(yùn)動(dòng)范圍小于50°。圖1是自動(dòng)跟日鏡架的三維機(jī)械模型圖。

圖1 跟日反射系統(tǒng)CAD模型

2.1 控制系統(tǒng)總體方案

為了兼顧可靠性和自動(dòng)性，雙軸跟日控制系統(tǒng)采用獨(dú)立自動(dòng)控制加網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的方案?？刂乒?jié)點(diǎn)內(nèi)置自動(dòng)跟日程序，可以按照程序設(shè)定每日自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。該節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有ZigBee通信模塊，可以通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程的云服務(wù)器相聯(lián)。應(yīng)用工程師或普通用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程智能終端(比如智能手機(jī))對(duì)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)，完成參數(shù)設(shè)置，或者進(jìn)行時(shí)間修正、姿態(tài)校準(zhǔn)、系統(tǒng)復(fù)位等操作。整個(gè)控制系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，分別是跟日控制節(jié)點(diǎn)、支持ZigBee的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選型

從方便控制和降低成本的角度出發(fā)，系統(tǒng)選用了兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。跟日運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的水平運(yùn)動(dòng)方向阻尼較大，需要較高的輸出力矩。86步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出保持力矩為根據(jù)力矩估算，選用86步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加100倍比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)帶動(dòng)。俯仰方向的阻尼和力臂較小，采用57電機(jī)加一個(gè)50倍比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。2臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均可以采用微步距方式進(jìn)行控制，其中最小細(xì)分步數(shù)可以達(dá)到51 200步，對(duì)應(yīng)的角度為0.007°。

2.3 控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

具有ZigBee通信能力的控制節(jié)點(diǎn)完成對(duì)跟日反光鏡架的跟蹤控制任務(wù)?？刂乒?jié)點(diǎn)采用型號(hào)為MSP430F5438A的處理器，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)，ZigBee無(wú)線通信模塊，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接口電路，限位開(kāi)關(guān)接口電路，供電電路等，如圖3所示。

圖3 控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

主處理器是16位單片機(jī)MSP430F5438A。 MSP430F5438的系統(tǒng)主時(shí)鐘為25 MHz。片內(nèi)包含256 kB FLASH，16 kB SRAM，還帶有4個(gè)串口，4個(gè)SPI，4個(gè)定時(shí)器，一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，及多達(dá)87個(gè)I/O口。MSP430的供電電壓是3.3 V。為了方便程序BLS燒寫，主控板擴(kuò)展了一個(gè)USB接口，通過(guò)USB芯片CH340T，實(shí)現(xiàn)從USB輸入到串口的轉(zhuǎn)換。

2.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

跟日系統(tǒng)的2個(gè)軸都用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。選用的驅(qū)動(dòng)器為帶有細(xì)分功能的兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，微步細(xì)分最大可以達(dá)到51 200步/轉(zhuǎn)。單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)器輸出一定頻率的脈沖，由驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制電機(jī)的使能、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和控制脈沖。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采取共陽(yáng)接線法，用74HT04D芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.3.3 霍爾開(kāi)關(guān)接口電路

選用歐姆龍的霍爾開(kāi)關(guān)TL-Q5MC1-Z 作為2個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的限位開(kāi)關(guān)。當(dāng)2個(gè)運(yùn)動(dòng)軸達(dá)到限定位置時(shí),霍爾開(kāi)關(guān)輸出變?yōu)榈碗娖?，根?jù)霍爾開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)，單片機(jī)停止電機(jī)運(yùn)行，并把轉(zhuǎn)動(dòng)軸的當(dāng)前位置作為初始角度位置?；魻栭_(kāi)關(guān)的供電電壓和輸出信號(hào)都是12 V，需要把12 V轉(zhuǎn)換為5 V以便與單片機(jī)接口。接口板采用了LM317穩(wěn)壓芯片搭配片外電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。

2.3.4 供電電路

本文的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)涉及2臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，采用的驅(qū)動(dòng)器供電電壓范圍為DC 24～40 V，最大工作電流為6 A。由于不需要進(jìn)行軌跡控制，所以2個(gè)運(yùn)動(dòng)軸一般不同時(shí)運(yùn)動(dòng)。另外用于限位的霍爾開(kāi)關(guān)采用12 V直流供電，單片機(jī)5 V供電。系統(tǒng)選用24 V，350 W開(kāi)關(guān)電源給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電，開(kāi)關(guān)電源輸出的電壓通過(guò)一個(gè)12 V的穩(wěn)壓管和一個(gè)5 V的穩(wěn)壓管再輸出12 V電壓和5 V電壓，分別給霍爾開(kāi)關(guān)和單片機(jī)電路供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)跟日運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件包括3個(gè)部分：嵌入式控制器節(jié)點(diǎn)程序，ZigBee網(wǎng)關(guān)程序，云服務(wù)器上的WEB服務(wù)器程序及網(wǎng)頁(yè)界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

控制器采用MSP430F5438A作為處理器，并嵌有ZigBee通信模塊，可以看成是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)?？刂乒?jié)點(diǎn)程序的主要功能包括單片機(jī)的初始化、事件管理、太陽(yáng)跟蹤算法、時(shí)間管理、跟日系統(tǒng)校準(zhǔn)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制、數(shù)據(jù)通信等。ZigBee網(wǎng)關(guān)程序主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、ZigBee節(jié)點(diǎn)之間通信等。云服務(wù)器上的軟件則包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用管理程序和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)界面程序。

3.1 控制節(jié)點(diǎn)程序

控制節(jié)點(diǎn)的軟件包括單片機(jī)資源管理、時(shí)間管理、跟日位置計(jì)算、跟日系統(tǒng)校準(zhǔn)、霍爾開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制等模塊。

控制節(jié)點(diǎn)主程序流程圖，如圖5所示。

圖5 控制節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

單片機(jī)上電之后，通過(guò)中斷程序?qū)ο到y(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和跟日反射裝置的經(jīng)緯度進(jìn)行設(shè)置。在WEB客戶端上通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取當(dāng)前時(shí)間，同時(shí)讀入當(dāng)前跟日反射裝置的經(jīng)緯度，目標(biāo)靶位的高度角和方位角等[7]。用戶輸入數(shù)據(jù)按照一定格式保存到數(shù)據(jù)庫(kù)的表格里。ZigBee網(wǎng)關(guān)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否有效，如果有效則把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為16進(jìn)制發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)，然后控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，利用式(2)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間太陽(yáng)的高度角和方位角[7]，并根據(jù)式(3)計(jì)算出跟日反射裝置的目標(biāo)姿態(tài)角，通過(guò)PWM輸出控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使反光鏡姿態(tài)達(dá)到目標(biāo)角度，把太陽(yáng)光線反射到指定的靶標(biāo)位置。考慮到太陽(yáng)的移動(dòng)比較慢，跟日運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制周期設(shè)置為60 s，即每隔60 s調(diào)整一次定日鏡的姿態(tài)角度。跟日系統(tǒng)的默認(rèn)工作模式是早上8點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入跟蹤模式，下午5點(diǎn)結(jié)束跟蹤回到初始零位?；氐匠跏剂阄缓?，控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗工作模式，即睡眠狀態(tài)。由于系統(tǒng)具有ZigBee無(wú)線通信功能,而且與云服務(wù)器相聯(lián)，跟日系統(tǒng)也可以根據(jù)本地天氣情況對(duì)工作模式及工作時(shí)間進(jìn)行智能控制，比如當(dāng)天氣預(yù)報(bào)有雨時(shí)，系統(tǒng)不進(jìn)行跟蹤，或有大風(fēng)預(yù)警時(shí)，則自動(dòng)停止跟蹤回到零位狀態(tài)。此外，在自動(dòng)跟蹤過(guò)程中如果反光鏡的跟日誤差增大，可以調(diào)用校準(zhǔn)程序?qū)Ω障到y(tǒng)的姿態(tài)角進(jìn)行修正，減小跟蹤誤差。

3.2 網(wǎng)絡(luò)控制程序

除了自動(dòng)跟蹤模式外，系統(tǒng)也允許用戶通過(guò)WEB進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制。網(wǎng)絡(luò)控制程序通過(guò)串口中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)控制節(jié)點(diǎn)的串口接收到數(shù)據(jù)后自動(dòng)進(jìn)入中斷，然后根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)控制定日鏡角度的目的。中斷響應(yīng)程序流程如圖6所示。

圖6 中斷響應(yīng)程序流程圖

控制節(jié)點(diǎn)的串口通信波特率設(shè)為2 400 bit/s，每10 ms發(fā)送1 Byte，共22 Byte[7]。數(shù)據(jù)發(fā)送格式如表1所示。

表1 串口數(shù)據(jù)發(fā)送格式[7]

3.3 ZigBee通信

無(wú)線通信采用CC2530+ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。ZigBee通信協(xié)議目前已成為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee室外通信距離可以達(dá)到1 km以上?？刂乒?jié)點(diǎn)和ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)ZigBee進(jìn)行通信。ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。云服務(wù)器上安裝了MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序，并向節(jié)點(diǎn)開(kāi)放遠(yuǎn)程訪問(wèn)接口。ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，將WEB客戶端的輸入數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出來(lái)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再利用Python中的PySerial模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)ZigBee模塊發(fā)送給跟日控制節(jié)點(diǎn)，完成WEB客戶端對(duì)定日鏡的遠(yuǎn)程控制。

4 實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，我們?cè)隍v訊云上申請(qǐng)了服務(wù)器賬號(hào)，包含1 GB的內(nèi)存和8 GB的硬盤，1 Mbps的互聯(lián)網(wǎng)帶寬。在服務(wù)器上搭建了相應(yīng)的程序。服務(wù)器端安裝了Python， MySQL，PHP，Apache，Ubuntu Server 等程序。

ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā),用到MySQL的db，serial，time和binascii 4個(gè)模塊，這4個(gè)模塊的功能是數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，串口通信，延時(shí)和二進(jìn)制及ASCII碼轉(zhuǎn)換。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分6 400步/圈，0.056 3度/步，脈沖輸出頻率可以根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)置。自動(dòng)跟蹤時(shí)的脈沖輸出頻率為66 kHz，在復(fù)位和校準(zhǔn)時(shí)，脈沖輸出頻率提高到500 kHz。由于采用時(shí)控法，時(shí)間精度對(duì)太陽(yáng)位置計(jì)算影響很大。采用網(wǎng)絡(luò)控制，每次輸入的時(shí)間都來(lái)自經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間，時(shí)間精度得到保證。

控制節(jié)點(diǎn)及跟日反光鏡如圖7所示。

(a) 控制節(jié)點(diǎn) (b) 跟日鏡圖7 控制節(jié)點(diǎn)和跟日鏡

跟日裝置安裝在校園內(nèi)一個(gè)教學(xué)樓的五層陽(yáng)臺(tái)上，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)把太陽(yáng)光反射到對(duì)面一座教學(xué)樓的一個(gè)北向房間的窗戶上，如圖8所示，以改善居室內(nèi)的采光和溫度狀況。

圖8 定日鏡跟日反射光斑

在實(shí)際應(yīng)用中，也可以根據(jù)天氣狀況對(duì)定日鏡進(jìn)行自動(dòng)起停和保護(hù)控制。在網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用程序中通過(guò)調(diào)用天氣網(wǎng)站對(duì)外開(kāi)放的API接口，可以獲得更多天文與環(huán)境信息，比如溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)速、空氣質(zhì)量(CO，CO2，PM10和PM2.5)等情況，然后在應(yīng)用程序中設(shè)定跟日系統(tǒng),可以自動(dòng)跟蹤天氣條件，如果天氣達(dá)不到要求條件時(shí)，反光鏡回到原位并停止跟蹤。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著綠色、可持續(xù)發(fā)展理念的推廣，可再生能源的應(yīng)用正在變得越來(lái)越廣泛。太陽(yáng)能作為自然界賦予人類的一種豐富的綠色能源，已經(jīng)在太陽(yáng)能發(fā)電、海水淡化、建筑取暖、交通動(dòng)力、照明、爐灶等多個(gè)領(lǐng)域取得應(yīng)用。智能反光裝置根據(jù)太陽(yáng)位置自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)并把太陽(yáng)光反射進(jìn)入背陽(yáng)的陰面房間，達(dá)到改善居室采光及提高溫度的目的。當(dāng)用戶不需要太陽(yáng)光照明時(shí)，可以通過(guò)手機(jī)登陸云服務(wù)器關(guān)閉系統(tǒng)，或者讓跟日系統(tǒng)把太陽(yáng)光反射到其他位置，符合節(jié)能和綠色發(fā)展的理念。本文基于單片機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的跟日運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合了ZigBee和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，具有成本低、應(yīng)用方便的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱發(fā)電、太陽(yáng)能照明、太陽(yáng)能爐灶等領(lǐng)域，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。