智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

唐立軍，周年榮，張旭東

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

0 前言

單片機的出現(xiàn)推進了網(wǎng)絡(luò)時代的進一步發(fā)展，最開始出現(xiàn)的單片機性能比較低，結(jié)構(gòu)簡單，其容量較小，但很快出現(xiàn)了高性能的單片機彌補了之前單片機的不足[1]。微控制單元(Microcontroller Unit；MCU)，也叫單片微型計算機(Single Chip Microcomputer )，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如各種測控系統(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尋常的頭盔融合高端科技產(chǎn)品升級，實現(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、地質(zhì)探測等領(lǐng)域[3]。太陽能充電可將太陽能轉(zhuǎn)換成電能對所需物件進行充電，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。同時智能安全頭盔中太陽能充電狀態(tài)的有效監(jiān)測，對于確保智能安全頭盔的正常運行，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，設(shè)計了一款智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測系統(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)測效率，應(yīng)用價值高[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 智能安全頭盔的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，用絕熱泡沫填補兩曲面剩下的空間[7]。

1.2 太陽能充電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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

設(shè)計的智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測系統(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)核高性能單片機以及監(jiān)測數(shù)據(jù)跟蹤單元中的最大功率跟蹤模塊中采用的STC2C5412AD單片機是本文監(jiān)測系統(tǒng)采用的兩種關(guān)鍵的高性能MCU。

圖2 太陽能充電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基礎(chǔ)繼電器、CC2530設(shè)備和CorteX-M7單片機等構(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)測數(shù)據(jù)的采集。確保太陽能充電監(jiān)測系統(tǒng)的連接更加牢固，加速太陽能充電控制監(jiān)測程序的執(zhí)行能力，可通過CorteX-M7單片機完成。

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，實現(xiàn)總體監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效率傳輸。控制單元也是整個太陽能智能充電監(jiān)測系統(tǒng)的紐帶，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)測數(shù)據(jù)跟蹤單元間數(shù)據(jù)的交互連接[9]。

監(jiān)測數(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)測數(shù)據(jù)通過CC253設(shè)備傳輸?shù)匠潆娍刂破髦羞M行分析控制，該控制器采集充電控制器監(jiān)測數(shù)據(jù)的模式運行調(diào)控，同時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)測策略，實現(xiàn)安全頭盔太陽能充電的智能監(jiān)測。

1.2.2 Core-M7單片機模塊集成

太陽能充電監(jiān)測系統(tǒng)中CoreX-M7單片機擁有六級、雙發(fā)射超標量流水線，具有高精度的浮點運算單元，可降低對額外數(shù)字信號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單片機的智能集成地板，為了避免無意義監(jiān)測損耗，以太陽能充電線路的閉合狀態(tài)為基礎(chǔ)，對控制器電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，讓系統(tǒng)驅(qū)動能力實現(xiàn)最佳形態(tài)在較少的時間中，且強迫沒用全面使用的太陽能電子迅速進入器件控制電路[11]。該種單片機的內(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相關(guān)的運行指令以及數(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

系統(tǒng)中監(jiān)測數(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，采用卡爾曼算法融合預(yù)測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)動雙軸云臺使得電池陣列運行，對光源位置進行準確檢索，確保太陽能充電板中的電池陣列處于最大功率點周圍[12]。通過九軸姿態(tài)傳感器對電池陣列的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進行有效的檢測，確保跟蹤模塊對太陽光源位置進行準確跟蹤。

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

2）GPS子模塊：通過了解當?shù)亟?jīng)度、緯度和時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子模塊實時修正數(shù)據(jù)，為了提升太陽能數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果的精度，可通過太陽軌跡天文算法獲取太陽對應(yīng)的位置[13]。

地球自轉(zhuǎn)在單位時間內(nèi)形成的角度被稱為時角，并設(shè)置0°是中午12點形成的時角，且時角提升15°需要經(jīng)過1h，(-180°～180°)是時角的取值范疇，若A是當?shù)貢r間(單位：h)，則獲取的地方時角是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，南緯23°26"是太陽赤緯角在冬至日時。由此隨意一天赤緯角在整年中滿足：

其積日數(shù)是M，計算的起始時間是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，且觀測點緯度ε和太陽高度角b滿足：

太陽光線在地平面上的投影和當?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?shù)竭_正北方變成±180°，當方位角處在正午時全是0，且方位角β滿足：

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 最大功率跟蹤算法設(shè)計

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流程見圖4，可以看出其通過預(yù)測-實測-修正三個過程實現(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)測策略分析

分析監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測流程，對關(guān)鍵處理節(jié)點實施避障操作，合理選擇智能監(jiān)測策略。

2.2.1 太陽能控制巡跡

內(nèi)監(jiān)測走線、外監(jiān)測走線、環(huán)行走線是太陽能充電監(jiān)測系統(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)測巡跡選型策略。

1）利用杜綁線連接監(jiān)測系統(tǒng)的全部巡跡走線，為監(jiān)測系統(tǒng)配備兩個減速機輔助監(jiān)測裝備，完成監(jiān)測系統(tǒng)巡跡的內(nèi)監(jiān)測走線。此巡跡的優(yōu)點是可在系統(tǒng)內(nèi)部同CorteX-M7單片機相連，借助高性能單片機提高監(jiān)測性能，缺點是運算量大[15]。

2）利用web數(shù)據(jù)線連接監(jiān)測系統(tǒng)的全部走線，監(jiān)測系統(tǒng)真實損耗狀況可通過配備一個SAMRTDUINO設(shè)備和連接一個電機固定件獲取，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)外監(jiān)測走線型巡跡，該種巡跡方式的優(yōu)點是能明確了解監(jiān)測系統(tǒng)的損耗狀況，提高監(jiān)測精度。

3）杜邦線和web數(shù)據(jù)線分別連接太陽能充電監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)線和外線，且配備一個平臺共享設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的環(huán)形走線巡跡，其優(yōu)點是使用范圍廣，整體損耗費用低，缺點是限制監(jiān)測準確率。

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

2.2.2 監(jiān)測避障操作

合理處理系統(tǒng)監(jiān)測軌跡，對于避免系統(tǒng)出現(xiàn)嚴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)量級規(guī)范，再通過合理的運算公式規(guī)劃監(jiān)測避障操作的規(guī)范。針對內(nèi)、外、環(huán)3類走線巡跡是監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測避障管理的基本規(guī)范要求，設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備最高智能充電量低于其的選取標準是在單位時間內(nèi)，c是最長充電時間，且用式(5)描述3類走線巡跡措施的監(jiān)測避障管理標準：

其中，3種走線巡跡措施的監(jiān)測避障指標分別是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′，兩個減速電機的輔助監(jiān)測參量是g1和g2，SMARTDUINO設(shè)備的智能充電系數(shù)是|r|，Web監(jiān)測數(shù)據(jù)線在最長充電時間的消耗常量用zc表示，監(jiān)測系統(tǒng)的真實損耗情況參數(shù)和環(huán)形巡跡措施的物理監(jiān)測時間分別用s和l表示。

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

其中，e、f和k分別表示走線型監(jiān)測系統(tǒng)巡跡的避障指標，這些指標描述同三種巡跡措施監(jiān)測避障指標關(guān)聯(lián)的監(jiān)測系數(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)測系統(tǒng)巡跡選案的避障指標。

3 仿真實驗

實驗對象為某型號智能安全頭盔，檢測實驗智能安全頭盔運行的0.002 s到0.026 s時間段內(nèi)，本文系統(tǒng)、STM32系統(tǒng)以及PIC系統(tǒng)，對實驗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)測系統(tǒng)跟蹤效果

分析圖5可知，STM32監(jiān)測系統(tǒng)到0.008s時，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)測系統(tǒng)到0.010 s時，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時跟蹤到太陽能最大功率，持續(xù)了0.08 s。對比分析圖5、圖6、圖7可知，本文系統(tǒng)跟蹤實驗安全頭盔太陽能最大功率的速度高于其它兩個系統(tǒng)，且跟蹤最大功率的持續(xù)時間長。實驗為了檢測本文系統(tǒng)監(jiān)測太陽能充電信號的穩(wěn)定性，對比分析三種系統(tǒng)進行太陽能充電監(jiān)測過程中的監(jiān)測信號變化情況分析數(shù)據(jù)可知，隨著監(jiān)測時間的不斷增加，STM32監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)值從3Mb上升到65 Mb，又從65 Mb下降到5 Mb，變化趨勢非常大，PIC監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測信號數(shù)值從3 Mb上升到60 Mb，又從60 Mb下降到15 Mb，其變化趨勢也比較顯著，而本文系統(tǒng)的變化趨勢從3 Mb上升到45 Mb之后，一直在45 Mb左右間，其變化趨勢相對穩(wěn)定，說明本文系統(tǒng)進行智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測的穩(wěn)定性好，為智能安全頭盔的穩(wěn)定運行提供了可靠的保障。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的智能安全頭盔太陽能充電監(jiān)測系統(tǒng)，采用了CorteX-M7和STC2C5412AD兩種高性能單片機，其中CorteX-M7內(nèi)核高性能單片機協(xié)助系統(tǒng)感知數(shù)據(jù)采集單元實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效率采集，STC2C5412AD單片機協(xié)助系統(tǒng)最大功率跟蹤模塊實現(xiàn)太陽能最大功率的有效跟蹤，對光源位置進行準確檢索，確保太陽能充電板中的電池陣列處于最大功率點周圍。本文系統(tǒng)采用的兩種高性能MCU避免無意義監(jiān)測損耗，大大提高了總體系統(tǒng)的監(jiān)測效率，確保太陽能充電監(jiān)測智能安全頭盔的運行穩(wěn)定，提升智能安全頭盔的使用時間。