王長清 ，余丙濤 ，潘德強

(1.河南師范大學 物理與電子工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453007；2.河南師范大學 電磁波特征信息探測河南省高等學校重點學科開放實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453007；3.上海摩昆新能源科技有限公司,上海 201100)

0 引言

太陽能作為一種清潔、可持續(xù)發(fā)展的新能源，目前已經被大量利用。由于在同一地理位置觀測到的太陽方位角時刻處于變化當中，導致固定支架式太陽能電池板發(fā)電量較低。目前，國內部分光伏電站已經大量采用可跟蹤式太陽能支架。光伏電站一般建于人煙稀少的荒漠地區(qū)，占地面積大，系統(tǒng)維護較為困難，對跟蹤支架控制系統(tǒng)的可靠性和調試便利性提出了要求。文獻[1]提出的高精度太陽能跟蹤控制器解決了太陽跟蹤精度的問題，但是控制功能單一，實用性不強。文獻[2]提出的控制系統(tǒng)實用性較強，有大風天氣的保護模式，但是系統(tǒng)維護升級復雜，同時因為沒有備份系統(tǒng)程序，一旦程序出現不可恢復性問題，系統(tǒng)就不能正常工作，可靠性不高。

針對以上方案存在系統(tǒng)維護升級困難、可靠性不高的問題，本文提出的基于STM32的太陽能跟蹤系統(tǒng)，具有升級維護方便、系統(tǒng)可靠性高、實用性強的特點，目前已經被應用于內蒙古自治區(qū)察右中旗庫倫光伏電站的跟蹤式光伏支架項目中。為了解決系統(tǒng)升級困難的問題，該系統(tǒng)創(chuàng)新性地將ZigBee技術和應用編程技術結合應用于工程之中，實現了無線升級的功能，將后期維護升級人員的工作量減小到最少。為了方便后臺管理，系統(tǒng)將信息通過ModBus協(xié)議上報。該系統(tǒng)有抗風和抗雪兩種保護模式，提高了系統(tǒng)抵抗自熱災害的性能。為了保證系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)將控制芯片的片內Flash分為BootLoader程序區(qū)、主程序區(qū)和備份程序區(qū)，當主程序因不可知因素擾亂不能正常工作時，系統(tǒng)通過BootLoader程序跳轉至備份程序區(qū)繼續(xù)運行。同時，系統(tǒng)通過μC/OS II操作系統(tǒng)對系統(tǒng)任務進行調度管理，保證系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。經實際應用測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用ST公司的STM32F103ZET6為主控芯片，外部掛載GPS模塊、角度傳感器、EEROM、ZigBee模塊以及獨立鍵盤。系統(tǒng)通過GPS模塊獲取當前經緯度值，通過讀取STM32內部的時鐘模塊，計算出當前時間值，并通過經緯度和時間值計算出太陽方位角。系統(tǒng)通過讀取角度傳感器獲取當前太陽能板的方位角度值，計算出太陽當前的方位角與太陽能板傾斜角的角度差，再根據該差值驅動電機將太陽能板轉動一定角度。由于光伏電站一般建于人煙較少的地區(qū)，維護比較困難，所以對太陽追蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高。本系統(tǒng)通過對片內Flash進行分區(qū)，將片內512 K Flash分為BootLoader程序區(qū)、主程序區(qū)和備份程序區(qū)，保證系統(tǒng)在主程序卡死時能夠跳轉到備份程序區(qū)繼續(xù)運行，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于光伏電站占地面積太大，動輒多達1到2平方公里，動用人力來對區(qū)域內所有設備進行升級維護工作量太大，本系統(tǒng)通過ZigBee技術實現了區(qū)域內無線網絡覆蓋，使維護人員在一臺設備上即可對網內任一設備進行無線升級，減少了工作量。為了方便光伏電站對逐陽帆系統(tǒng)進行管理，本系統(tǒng)采用ModBus通訊協(xié)議提供RS485接口，以便后臺對追蹤系統(tǒng)進行參數設置和信息查詢。本系統(tǒng)設有獨立鍵盤，用于手動控制。由于系統(tǒng)較為復雜，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性都有一定的要求，所以本系統(tǒng)采用μC/OS II操作系統(tǒng)對任務進行管理。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)分為主板和從板，主板安裝在電控柜，用于控制三相交流電機。從板安裝于斜單軸主梁上，外部掛載角度傳感器，用于獲取角度信息。主板與從板通過RS485串行總線通信。主板的串口1用于獲取GPS信息，串口2用于與ZigBee模塊通信。串口3和串口4接RS485接口。串口5接RS232接口。電機驅動采用三相交流電機正反轉模塊。為了擴大ZigBee的通信范圍，系統(tǒng)通過CC2592進行功率放大。按鍵采用自鎖式按鍵開關。系統(tǒng)硬件結構圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 從板軟件設計

從板用于采集太陽能板當前方位角度值并通過RS485總線反饋給主板。從板的程序流程圖如圖2。

系統(tǒng)首先配置時鐘，本系統(tǒng)采用外部8 MHz晶振，經芯片內部倍頻后，系統(tǒng)時鐘為72 MHz。外設初始化包括IIC、定時器和串口。MPU6050的初始化包括解除休眠狀態(tài)、設置陀螺儀采樣率選擇量程等。主程序通過檢測接收完成標志位來判斷一幀數據是否接收完成，并檢測是否是關鍵字，若是關鍵字，則讀 MPU6050，計算三軸角度并通過串口發(fā)送。

圖2 從板程序流程

3.2 主板軟件設計

主板的程序分為BootLoader部分和APP部分。

BootLoader部分用于無線IAP和處理系統(tǒng)異常，代碼存放在片內Flash 0x8000000到0x8002FFF 12 KB空間范圍內。程序首先解鎖Flash，然后初始化串口和IIC。IIC掛載24C02，用于存放系統(tǒng)標識字。初始化完成后，讀取存在24C02中的標識字，并進行加1操作，再存入24C02。在主循環(huán)中讀取存放在24C02中的標識字，通過標識字的值來判斷系統(tǒng)當前的狀態(tài)。如果標識字為1，說明此刻在進行IAP應用程序升級，此時系統(tǒng)通過Ymodem協(xié)議接收.bin文件并執(zhí)行新程序。如果標識字為2，說明App程序卡死，導致系統(tǒng)沒有及時復位，此時程序跳轉至備份程序區(qū)。當標識字大于2時，說明備份程序也卡死，此時程序不再跳轉，點亮LED進行報警。BootLoader程序的地址偏移量為0，共12 K地址空間；App程序的地址偏移量為0x3000，250 K地址空間；備份程序的地址偏移量為0x41800，250 K地址空間。BootLoader程序流程圖如圖3。

圖3 BootLoader程序流程

App部分程序流程圖如圖4。系統(tǒng)通過μC/OS II操作系統(tǒng)來對各個任務進行管理。由于App部分的代碼存放在Flash中的地址偏移量為0x8003000，所以在程序開始時，需要設置地址偏移量：SCB-＞VTOR=Flash_BASE|0x3000。設置完后初始化各種外設并初始化系統(tǒng)，創(chuàng)建開始任務，最后開始對系統(tǒng)的各個任務進行處理。

圖4 App程序流程圖

啟動任務主要是用于創(chuàng)建二值信號量、郵箱、內存區(qū)和系統(tǒng)的各種任務。在完成創(chuàng)建后，需要刪除啟動任務。

系統(tǒng)設置任務用于設置系統(tǒng)參數，由于系統(tǒng)設置任務是關鍵任務，所以其優(yōu)先級僅次于起始任務。系統(tǒng)設置任務通過串口1與上位機連接，設置的參數有時間、經緯度、板長、板間距、限位角、避風角、避雪角度。系統(tǒng)首先通過SETSYSTEM指令進入系統(tǒng)設置狀態(tài)，并通過串口在上位機界面上打印提示信息。進入系統(tǒng)設置狀態(tài)以后，通過不同的指令進行不同參數的設置。在設置RTC時間時，需要將時間換算成秒數，再將該值寫入RTC的秒寄存器，同時注意閏年換算。由于電站后臺需要對系統(tǒng)信息進行查詢，所以需要將系統(tǒng)參數寫入到保持寄存器中，方便后臺查詢管理。在系統(tǒng)設置的循環(huán)中加入系統(tǒng)延時，即將該任務掛起，提高系統(tǒng)的實時性。保證在進行系統(tǒng)設置時，系統(tǒng)的各個任務仍然可以調度。系統(tǒng)設置任務的程序流程圖如圖 5。

圖5 系統(tǒng)設置任務程序流程

由于ModBus任務的實時性較高，可用信號量或者郵箱來觸發(fā)，在實際測試中發(fā)現將ModBus處理函數放在定時器中斷服務程序中更好。本系統(tǒng)支持ModBus的命令有01，02，03，04，05，15，16。保持寄存器中包含的信息為從機地址、時間信息、經緯度、限位角、工作模式等信息。

按鍵任務用于檢測按鍵事件，保證系統(tǒng)可以手動控制。任務輪詢模式按鍵是否有按鍵按下，如果按下，進行消抖，發(fā)送郵箱。在按鍵任務中需要注意的是系統(tǒng)必須是輪詢電平而不是上升沿或者下降沿。在模式按鍵按下之前，正轉和反轉按鍵按下，系統(tǒng)不做任何操作。

電機驅動任務用于獲取GPS、RTC、角度數據。并根據當前系統(tǒng)模式來驅動電機。電機驅動任務的程序流程圖如圖 6。

圖6 電機驅動任務程序流程

經計算，太陽方位角基本上為2分鐘轉0.5度，因此程序對實時性要求不高。當模式按鍵按下以后，按鍵任務會發(fā)送郵箱給電機驅動任務。當電機驅動任務接收到郵箱以后，會檢測正轉反轉以及模式按鍵是否按下。3個按鍵均為自鎖按鍵，只有在模式按鍵有效的情況下，正反轉按鍵才有效。如果在1秒之內沒有收到郵箱，此時電機驅動任務結束掛起，取得CPU所有權。申請內存存放 GPS、角度、時間信息。讀 GPS，如果當前GPS無效，讀RTC時間，并將時間值寫入時間寄存器。讀角度值，如果角度值無效，電機停止轉動，并點亮LED報警。讀模式寄存器的值，1為自動模式，2為避風模式，3為避雪模式。如果是自動模式，需要根據時間、經緯度、板子參數計算出太陽的方位角，驅動電機。

3.3 ZigBee程序設計

ZigBee部分主要是透傳作用。系統(tǒng)采用的ZigBee協(xié)議版本為ZStack 2.5.1a。協(xié)調器與上位機相連，在協(xié)調器收到串口數據以后，將收到的數據進行廣播。所有子節(jié)點收到協(xié)調器廣播的數據以后，將數據通過串口發(fā)送給控制板。如果當前的控制板處于BootLoader模式，則控制板將ZigBee模塊通過串口發(fā)送過來的數據寫入Flash。子節(jié)點將控制板通過串口發(fā)送過來的數據單播給協(xié)調器，協(xié)調器收到子節(jié)點單播的數據以后，通過串口發(fā)送給上位機。系統(tǒng)需要預編譯MT_TASK，在MT層處理串口數據。在MT層接收完一幀數據以后，將數據打包，發(fā)往應用層。應用層收到數據以后，將數據解包，然后調用AF_DataRequest()函數將串口字符串發(fā)送出去。當收到空中發(fā)過來的數據以后,應用層會有AF_INCOMING_MSG_CMD事件產生，在該事件的處理函數中對數據進行解包，然后將有效數據通過串口發(fā)送出去。

4 結論

該系統(tǒng)的創(chuàng)新處為把ZigBee技術應用于光伏電廠，通過ZigBee技術和應用程序編程技術實現了系統(tǒng)程序無線更新，減輕了調試人員的工作量。通過對片內Flash分區(qū)，寫入備份程序，保證了系統(tǒng)的可靠性。同時系統(tǒng)的多種工作模式保證了系統(tǒng)的抗風、抗雪性能。在實際現場的測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定。目前，該系統(tǒng)已經被應用于上海摩昆新能源科技有限公司承擔的內蒙庫倫光伏電站二期可跟蹤光伏支架的項目中。

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