基于ARM嵌入式圖像處理平臺的太陽跟蹤系統

摘要：基于計算機視覺原理，以ARM微控制器為核心構建嵌入式圖像處理平臺，實現了對太陽的實時跟蹤。系統采用CMOS圖像傳感器采集太陽圖像，通過微控制器計算太陽角度，通過串口控制轉臺，實現對太陽的高精度跟蹤。同時，與視日運動規律相結合，保證系統的可靠性。試驗表明，該系統在降低系統能耗的同時，能可靠有效地跟蹤太陽運動。
關鍵詞：太陽跟蹤；ARM微控制器；計算機視覺；CMOS圖像傳感器

0 引言
隨著社會的發展和進步，環保節能已經成為人類可持續發展的必要條件。目前，再生能源的開發和利用越來越受到人們的關注。太陽能由于其普遍、無害、無限、長久等特點，成為最綠色、最理想、最可靠的替代能源。但太陽能同時存在分散，不穩定，效率低等特點，太陽能光伏系統為解決這一問題提供了條件。
就目前的太陽能光伏系統而言，如何最大限度提高太陽能的轉換率，仍是國內外的研究熱點。有研究表明，和始終朝南的固定表面相比，與太陽輻射方向始終保持垂直的表面對太陽能的利用率提高約33％。太陽跟蹤裝置可以保證太陽輻射方向始終垂直于太陽能電池板平面，使接收到的太陽輻射大大增加，提高了太陽能的接受率與利用率，因而得到廣泛的應用。
太陽跟蹤裝置的分類方法有很多，按照跟蹤方法，主要可分為視日運動跟蹤和光電跟蹤，視日運動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，結構簡單，能通過反饋消除累積誤差，具有較大優勢，但受環境影響很大。其關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和環境光散射等因素的影響，系統不能連續跟蹤太陽，精度有限。視日運動跟蹤能夠全天候實時跟蹤，但是存在累積誤差。其中，單軸跟蹤裝置結構簡單，但跟蹤誤差大；雙軸跟蹤裝置算法復雜，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來構建太陽跟蹤系統，采用CMOS圖像傳感器來感知太陽方位，并通過微控制器計算獲取太陽跟蹤誤差，實現對太陽的高精度跟蹤。加入視日運動規律，在跟蹤目標丟失時，對系統進行重新定位。同時，該系統的結構簡單輕便，功耗低，環境適應能力強，能應用于各種太陽能設備。

1 硬件設計
1．1 系統硬件結構
系統以ARM微控制器作為主控制器，采用CMOS圖像傳感器采集圖像，并利用雙軸轉臺來支撐太陽能電池板。其中雙軸轉臺集成了電機驅動與控制部分，通過串口與主控制器進行通信。

如圖1所示是太陽跟蹤系統的硬件結構圖。在圖1中，CMOS圖像傳感器與太陽能電池板處在同一平面，并固連在雙軸轉臺上；ARM處理器與雙軸轉臺的電機驅動部分采用串口通信方式；系統的供電均由蓄電池支持(包括ARM控制板和轉臺)，因而形成了一個獨立系統。系統的基本工作原理是：根據視日運動規律或CMOS圖像傳感器采集的天空圖像，利用ARM處理器求取系統跟蹤控制參數，并通過串口來控制雙軸轉臺的轉動。
1．2 硬件介紹
(1)ARM微控制器。從實用角度考慮，太陽跟蹤系統的低功耗設計顯得尤為重要，ARM微處理器在保證高性能的前提下能夠盡量降低功耗。相對于PC機，ARM微處理器占用空間較小，質量輕，可靠性強，硬件資源豐富，在簡化系統結構的同時為系統功能擴展提供了可能。系統選用32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來構建控制平臺。運用ARM微控制器構建的嵌入式圖像處理平臺大大提高了圖像的處理速度，同時有效降低了系統成本。圖像處理系統還具有拆裝方便，配置靈活等優點，安全性得到大大提高。

(2)雙軸轉臺。系統采用集成式雙軸轉臺，其結構如圖2所示，工作電壓為24 V，可利用蓄電池供電。在圖2中，x向為水平方向，y向為垂直方向。x向轉角對應太陽方位角，y向轉角對應太陽高度角。該雙軸轉臺x向轉動范圍為-157°～+157°，y向轉動范圍為0°～90°，集成了電機控制模塊，并提供串行接口，控制器可以利用串口通信來控制并驅動轉臺在x向和y向上的轉動。
(3)CMOS圖像傳感器。圖像傳感器產品主要有CCD，CMOS，CIS三種。其中CMOS圖像傳感器集成度高，價格低廉，而且可以實現數字化輸出，軟件可編程控制，提高了系統設計的靈活性，同時也具有較高的抗干擾性和穩定性。系統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。