基于ARM嵌入式圖像處理平臺(tái)的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)

摘要：基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，以ARM微控制器為核心構(gòu)建嵌入式圖像處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤。系統(tǒng)采用CMOS圖像傳感器采集太陽(yáng)圖像，通過(guò)微控制器計(jì)算太陽(yáng)角度，通過(guò)串口控制轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的高精度跟蹤。同時(shí)，與視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律相結(jié)合，保證系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)，能可靠有效地跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)跟蹤；ARM微控制器；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；CMOS圖像傳感器

0 引言
隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，環(huán)保節(jié)能已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必要條件。目前，再生能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到人們的關(guān)注。太陽(yáng)能由于其普遍、無(wú)害、無(wú)限、長(zhǎng)久等特點(diǎn)，成為最綠色、最理想、最可靠的替代能源。但太陽(yáng)能同時(shí)存在分散，不穩(wěn)定，效率低等特點(diǎn)，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)為解決這一問(wèn)題提供了條件。
就目前的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)而言，如何最大限度提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換率，仍是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。有研究表明，和始終朝南的固定表面相比，與太陽(yáng)輻射方向始終保持垂直的表面對(duì)太陽(yáng)能的利用率提高約33％。太陽(yáng)跟蹤裝置可以保證太陽(yáng)輻射方向始終垂直于太陽(yáng)能電池板平面，使接收到的太陽(yáng)輻射大大增加，提高了太陽(yáng)能的接受率與利用率，因而得到廣泛的應(yīng)用。
太陽(yáng)跟蹤裝置的分類方法有很多，按照跟蹤方法，主要可分為視日運(yùn)動(dòng)跟蹤和光電跟蹤，視日運(yùn)動(dòng)跟蹤又可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤。光電跟蹤裝置有較高靈敏度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能通過(guò)反饋消除累積誤差，具有較大優(yōu)勢(shì)，但受環(huán)境影響很大。其關(guān)鍵部件是光電傳感器，常用的是光敏電阻。由于光敏電阻安裝位置不連續(xù)和環(huán)境光散射等因素的影響，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽(yáng)，精度有限。視日運(yùn)動(dòng)跟蹤能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，但是存在累積誤差。其中，單軸跟蹤裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但跟蹤誤差大；雙軸跟蹤裝置算法復(fù)雜，跟蹤難度較大，但跟蹤精度較高。
本文用基于32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來(lái)構(gòu)建太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，采用CMOS圖像傳感器來(lái)感知太陽(yáng)方位，并通過(guò)微控制器計(jì)算獲取太陽(yáng)跟蹤誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的高精度跟蹤。加入視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在跟蹤目標(biāo)丟失時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新定位。同時(shí)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，功耗低，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能應(yīng)用于各種太陽(yáng)能設(shè)備。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)以ARM微控制器作為主控制器，采用CMOS圖像傳感器采集圖像，并利用雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)支撐太陽(yáng)能電池板。其中雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制部分，通過(guò)串口與主控制器進(jìn)行通信。

如圖1所示是太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。在圖1中，CMOS圖像傳感器與太陽(yáng)能電池板處在同一平面，并固連在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)上；ARM處理器與雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用串口通信方式；系統(tǒng)的供電均由蓄電池支持(包括ARM控制板和轉(zhuǎn)臺(tái))，因而形成了一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。系統(tǒng)的基本工作原理是：根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律或CMOS圖像傳感器采集的天空?qǐng)D像，利用ARM處理器求取系統(tǒng)跟蹤控制參數(shù)，并通過(guò)串口來(lái)控制雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
1．2 硬件介紹
(1)ARM微控制器。從實(shí)用角度考慮，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)顯得尤為重要，ARM微處理器在保證高性能的前提下能夠盡量降低功耗。相對(duì)于PC機(jī)，ARM微處理器占用空間較小，質(zhì)量輕，可靠性強(qiáng)，硬件資源豐富，在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)為系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供了可能。系統(tǒng)選用32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來(lái)構(gòu)建控制平臺(tái)。運(yùn)用ARM微控制器構(gòu)建的嵌入式圖像處理平臺(tái)大大提高了圖像的處理速度，同時(shí)有效降低了系統(tǒng)成本。圖像處理系統(tǒng)還具有拆裝方便，配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，安全性得到大大提高。

(2)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)。系統(tǒng)采用集成式雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作電壓為24 V，可利用蓄電池供電。在圖2中，x向?yàn)樗椒较?，y向?yàn)榇怪狈较?。x向轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)太陽(yáng)方位角，y向轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)太陽(yáng)高度角。該雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)x向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-157°～+157°，y向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°～90°，集成了電機(jī)控制模塊，并提供串行接口，控制器可以利用串口通信來(lái)控制并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)在x向和y向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。
(3)CMOS圖像傳感器。圖像傳感器產(chǎn)品主要有CCD，CMOS，CIS三種。其中CMOS圖像傳感器集成度高，價(jià)格低廉，而且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出，軟件可編程控制，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)也具有較高的抗干擾性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用的圖像傳感器為OmniVision公司的OV 9650型COMS攝像頭，其功耗為30μW，陣列大小為1 300×1 028 pixels，焦距為4．85 mm，像素大小為3．18μm×3．18μm，支持軟件可編程控制，輸出圖像格式包括YUV，RGB等。