基于ARM嵌入式图像处理平台的太阳跟踪系统

摘要：基于计算机视觉原理，以ARM微控制器为核心构建嵌入式图像处理平台，实现了对太阳的实时跟踪。系统采用CMOS图像传感器采集太阳图像，通过微控制器计算太阳角度，通过串口控制转台，实现对太阳的高精度跟踪。同时，与视日运动规律相结合，保证系统的可靠性。试验表明，该系统在降低系统能耗的同时，能可靠有效地跟踪太阳运动。
关键词：太阳跟踪；ARM微控制器；计算机视觉；CMOS图像传感器

0 引言
随着社会的发展和进步，环保节能已经成为人类可持续发展的必要条件。目前，再生能源的开发和利用越来越受到人们的关注。太阳能由于其普遍、无害、无限、长久等特点，成为最绿色、最理想、最可靠的替代能源。但太阳能同时存在分散，不稳定，效率低等特点，太阳能光伏系统为解决这一问题提供了条件。
就目前的太阳能光伏系统而言，如何最大限度提高太阳能的转换率，仍是国内外的研究热点。有研究表明，和始终朝南的固定表面相比，与太阳辐射方向始终保持垂直的表面对太阳能的利用率提高约33％。太阳跟踪装置可以保证太阳辐射方向始终垂直于太阳能电池板平面，使接收到的太阳辐射大大增加，提高了太阳能的接受率与利用率，因而得到广泛的应用。
太阳跟踪装置的分类方法有很多，按照跟踪方法，主要可分为视日运动跟踪和光电跟踪，视日运动跟踪又可分为单轴跟踪和双轴跟踪。光电跟踪装置有较高灵敏度，结构简单，能通过反馈消除累积误差，具有较大优势，但受环境影响很大。其关键部件是光电传感器，常用的是光敏电阻。由于光敏电阻安装位置不连续和环境光散射等因素的影响，系统不能连续跟踪太阳，精度有限。视日运动跟踪能够全天候实时跟踪，但是存在累积误差。其中，单轴跟踪装置结构简单，但跟踪误差大；双轴跟踪装置算法复杂，跟踪难度较大，但跟踪精度较高。
本文用基于32位ARM嵌入式微控制器S3C2440来构建太阳跟踪系统，采用CMOS图像传感器来感知太阳方位，并通过微控制器计算获取太阳跟踪误差，实现对太阳的高精度跟踪。加入视日运动规律，在跟踪目标丢失时，对系统进行重新定位。同时，该系统的结构简单轻便，功耗低，环境适应能力强，能应用于各种太阳能设备。

1 硬件设计
1．1 系统硬件结构
系统以ARM微控制器作为主控制器，采用CMOS图像传感器采集图像，并利用双轴转台来支撑太阳能电池板。其中双轴转台集成了电机驱动与控制部分，通过串口与主控制器进行通信。

如图1所示是太阳跟踪系统的硬件结构图。在图1中，CMOS图像传感器与太阳能电池板处在同一平面，并固连在双轴转台上；ARM处理器与双轴转台的电机驱动部分采用串口通信方式；系统的供电均由蓄电池支持(包括ARM控制板和转台)，因而形成了一个独立系统。系统的基本工作原理是：根据视日运动规律或CMOS图像传感器采集的天空图像，利用ARM处理器求取系统跟踪控制参数，并通过串口来控制双轴转台的转动。
1．2 硬件介绍
(1)ARM微控制器。从实用角度考虑，太阳跟踪系统的低功耗设计显得尤为重要，ARM微处理器在保证高性能的前提下能够尽量降低功耗。相对于PC机，ARM微处理器占用空间较小，质量轻，可靠性强，硬件资源丰富，在简化系统结构的同时为系统功能扩展提供了可能。系统选用32位ARM嵌入式微控制器S3C2440来构建控制平台。运用ARM微控制器构建的嵌入式图像处理平台大大提高了图像的处理速度，同时有效降低了系统成本。图像处理系统还具有拆装方便，配置灵活等优点，安全性得到大大提高。

(2)双轴转台。系统采用集成式双轴转台，其结构如图2所示，工作电压为24 V，可利用蓄电池供电。在图2中，x向为水平方向，y向为垂直方向。x向转角对应太阳方位角，y向转角对应太阳高度角。该双轴转台x向转动范围为-157°～+157°，y向转动范围为0°～90°，集成了电机控制模块，并提供串行接口，控制器可以利用串口通信来控制并驱动转台在x向和y向上的转动。
(3)CMOS图像传感器。图像传感器产品主要有CCD，CMOS，CIS三种。其中CMOS图像传感器集成度高，价格低廉，而且可以实现数字化输出，软件可编程控制，提高了系统设计的灵活性，同时也具有较高的抗干扰性和稳定性。系统采用的图像传感器为OmniVision公司的OV 9650型COMS摄像头，其功耗为30μW，阵列大小为1 300×1 028 pixels，焦距为4．85 mm，像素大小为3．18μm×3．18μm，支持软件可编程控制，输出图像格式包括YUV，RGB等。