基于Arduino單片機的太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)設計

(吉林大學 應用技術學院，長春 130022)

0 引言

Arduino是一款靈動性較強的電子原型平臺，包含所有型號的Arduino板硬件設備和Arduino IDE操作軟件，具備極高的實用適應能力。這種單片機平臺組織的開放原始碼以simple I/O介面版語言作為編寫依據(jù)，且融合C語言、Java、Processing/Wiring等多種編程代碼作為新條件語句的生成環(huán)境。最基本的Arduino單片機包含軟、硬件組織兩種組成成分，其中硬件部分可以簡單概括為用作連接電路的Arduino電路板結構，而軟件部分則是具備更改操作能力的Arduino IDE代碼[1-2]。當系統(tǒng)計算機在IDE組織中編寫程序代碼時，輸出設備會將這些信息直接傳輸至Arduino電路板，并以此達到執(zhí)行系統(tǒng)語句指令的目的。

近年來太陽能智能充電控制器在多項工業(yè)領域中都出現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢頭，但隨著器件設備運行時間的不斷增加，連接穩(wěn)固性下降、控制通路無序等問題，都對控制元件自身的應用執(zhí)行能力造成嚴重負面影響。為解決上述問題，搭建一種基于Arduino單片機的太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)，按照軟硬件平臺搭建、控制器監(jiān)測方案選型、實用誤差標定的操作流程，將相關系統(tǒng)執(zhí)行參數(shù)調(diào)試至最佳應用狀態(tài)。

1 充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)的結構組織

在總體硬件結構的基礎上，連結Arduino單片機模塊，并對監(jiān)測協(xié)議進行有效移植，實現(xiàn)節(jié)點的定向傳輸，完成充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)的結構組織搭建。

1.1 系統(tǒng)參數(shù)與硬件總體結構

太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)設計參數(shù)：采用atmega8515l-8muavr單片機，40S68S37N03芯片，CC2530F64兼容設備，772100 PNOZ m B0基礎繼電器，ARM8227嵌入式主板ARM9處理器，MC34063API 34063AP1 DIP8/DC-DC/轉換器設備。

太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)的硬件總體結構包含感知數(shù)據(jù)采集、控制傳輸、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析3個組成環(huán)節(jié)。其中，感知數(shù)據(jù)采集單元由Arduino單片機模塊、CC2530設備和基礎繼電器組成，在執(zhí)行充電數(shù)據(jù)選擇、控制連接、監(jiān)測對照功能的基礎上，實現(xiàn)充電控制器的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)硬件總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體結構圖

Arduino單片機的功能是促進太陽能智能充電控制器監(jiān)測程序的迅速執(zhí)行，并以此達到鞏固系統(tǒng)連接穩(wěn)定能力的目的[3-4]?？刂苽鬏攩卧谔柲苤悄艹潆娍刂破鞅O(jiān)測系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，在IEEE802.15數(shù)據(jù)傳輸模塊與ARM處理器的促進下，連結太陽能以太接口，并整合器件電路與系統(tǒng)電源，在符合控制調(diào)試接口傳輸要求的前提下，供應系統(tǒng)控制監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速傳輸。監(jiān)測數(shù)據(jù)分析單元在CC2530設備的基礎上，利用DC-DC控制器截取充電控制器監(jiān)測數(shù)據(jù)的模式運行條件，并將其傳輸至太陽能充電板中進行深入分析研究。

1.2 Arduino單片機模塊集成

單片機控制器在外接自主計算機組織的同時，可以接受7～12 V的直流輸入電壓。在模塊單獨運行的過程中，充電控制數(shù)據(jù)保持數(shù)字輸入狀態(tài)，且可對器件電路提供5 V和3.3 V兩種備選輸出電壓條件。

Arduino單片機模塊采用BST-V51的智能集成底板，在太陽能充電線路處于閉合狀態(tài)的前提下，調(diào)整控制器電機轉速，使系統(tǒng)驅(qū)動能力在短時間內(nèi)達到頂峰狀態(tài)，并以此迫使未經(jīng)完全利用的太陽能電子快速流入器件控制電路，達到減少無功監(jiān)測消耗的目的。

1.3 太陽能智能監(jiān)測協(xié)議移植

太陽能智能監(jiān)測協(xié)議是Light Weight IP協(xié)議與lwipopts協(xié)議的組合形式，既定義了固有的IP輕量級連接條件，也可在精簡控制條件下，更改充電控制器監(jiān)測源代碼的開放性強度。Light Weight IP協(xié)議可單獨移植充電控制器在監(jiān)測系統(tǒng)中的智能內(nèi)核，并且只能在監(jiān)測程序保持自定義開發(fā)狀態(tài)的前提下，才能對控制器裝置起到太陽能充電調(diào)節(jié)作用。lwipopts協(xié)議是一種存在于宏觀狀態(tài)下的太陽能充電調(diào)節(jié)指令，可以根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)智能內(nèi)核的連接情況，選擇控制器裝置所需的初始化條件[5-6]。根據(jù)上文可知，Arduino單片機是監(jiān)測系統(tǒng)硬件運行環(huán)節(jié)中的主要執(zhí)行設備，且BST-V51集成底板中的太陽能充電線路具備一定的電子輸出能力。太陽能智能監(jiān)測協(xié)議作為監(jiān)測系統(tǒng)中具有實體形態(tài)的軟件結構，可以通過編寫兩類分組小協(xié)議頭結點的方式，建立宏觀模式下的臨界代碼框架，再借助特定的子網(wǎng)掩碼，實現(xiàn)從基礎系統(tǒng)執(zhí)行記錄數(shù)據(jù)到完整監(jiān)測指令的協(xié)議移植操作。具體太陽能智能監(jiān)測協(xié)議移植操作流程如圖2所示。

圖2 太陽能智能監(jiān)測協(xié)議移植流程圖

1.4 充電控制器的監(jiān)測節(jié)點傳輸

充電控制器監(jiān)測節(jié)點始終按照IEEE802.15.4規(guī)則排列，且直接受到太陽能智能監(jiān)測協(xié)議的干擾影響。在充電控制器監(jiān)測節(jié)點的傳輸過程中，Arduino單片機首先根據(jù)太陽能智能監(jiān)測協(xié)議的移植程度，來判斷臨界代碼框架的完整情況。再在滿足系統(tǒng)監(jiān)測要求的情況下，排查可供選擇智能控制器執(zhí)行數(shù)據(jù)的解析結果。若排查結果為通過，則太陽能智能控制器數(shù)據(jù)自發(fā)進入充電監(jiān)測節(jié)點中，并跟隨系統(tǒng)的運行速度，完成整體的監(jiān)測循環(huán)流程；若排查結果為未通過，則智能控制器數(shù)據(jù)再需要經(jīng)歷太陽能監(jiān)測協(xié)議的解析處理，直至排查結果為通過，方可自發(fā)進入充電監(jiān)測節(jié)點中，完成系統(tǒng)的監(jiān)測循環(huán)操作。在整個監(jiān)測節(jié)點的傳輸過程中，智能控制器數(shù)據(jù)始終遵循Coord偽代碼編寫原理，且在接入監(jiān)測申請后的節(jié)點覆蓋情況由局部狀態(tài)直接轉化為全網(wǎng)覆蓋狀態(tài)，在不改變系統(tǒng)運行監(jiān)測初衷的前提下，可根據(jù)如下所示程序語言完成監(jiān)測節(jié)點傳輸?shù)膫未a編譯處理。

void main (void);

{

Protocol stack initialisation;

Global Enable Interrupy(); //臨界代碼框架生成

aplJoinNetwork(); //智能控制器執(zhí)行數(shù)據(jù)解析

APS DSTMODE SHORT;

If 'YES';

apl SendMSCi; //充電控制器監(jiān)測節(jié)點定向傳輸

If 'NO';

aplJoinNetwork();

Until 'YES';

apl SendMSCi;

Return;

}

2 智能充電控制器監(jiān)測方案選型

利用充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件平臺結構，循跡太陽能控制器的監(jiān)測流程，并對其中的重要處理節(jié)點進行避障處理，完成智能充電控制器監(jiān)測方案的選型操作處理。

2.1 太陽能控制器循跡

太陽能控制器循跡分為內(nèi)監(jiān)測走線、外監(jiān)測走線、環(huán)形走線3種選型方向，由其中兩種或兩種以上循跡方式結合，又額外獲得4種選型方向，故基于Arduino單片機的太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)共包含7種循跡選型方式。

1)內(nèi)監(jiān)測走線型太陽能控制器循跡：配置兩個減速電機作為輔助太陽能智能充電控制器的輔助監(jiān)測設備，所有連接走線均采用杜邦線。這種控制器循跡方式從系統(tǒng)內(nèi)部直接連接了Arduino單片機與監(jiān)測控制器，既節(jié)省了架構搭建費用，也提升了系統(tǒng)監(jiān)測精準性，但整體后期循跡避障處理過程的運算量相對較大，不利于系統(tǒng)的綜合誤差標定處理。

2)外監(jiān)測走線型太陽能控制器循跡：配置一個SMARTDUINO裝置并外接一個電機固定件，用以獲取太陽能智能充電控制器的實際監(jiān)測消耗情況，所有連接走線均采用Web數(shù)據(jù)線。這種控制器循跡方式完全暴露于監(jiān)測系統(tǒng)外部，且整個操作過程中，太陽能充電控制器的實時消耗情況始終保持明朗狀態(tài)，具備最大化系統(tǒng)監(jiān)測精度的應用能力[7]。

3)環(huán)形走線型太陽能控制器循跡：僅配置一個平臺共享裝置，位于監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部的走線采用杜邦線、位于監(jiān)測系統(tǒng)外部的走線采用Web數(shù)據(jù)線[8]。這種循跡方式的監(jiān)測精準性相對受限，但總體消耗費用極地，應用范圍也不受系統(tǒng)監(jiān)測運行周期的絲毫影響。

4)內(nèi)監(jiān)測走線+外監(jiān)測走線型太陽能控制器循跡：這種循跡方式既具備較好的監(jiān)測精準性，又不需經(jīng)歷復雜的誤差數(shù)據(jù)處理過程。

5)內(nèi)監(jiān)測走線+環(huán)形走線型太陽能控制器循跡：免去了監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部走線對太陽能智能充電控制器實時消耗數(shù)據(jù)獲取的限制，且使系統(tǒng)的監(jiān)測精確度得到了最大化提升。

6)外監(jiān)測走線+環(huán)形走線型太陽能控制器循跡：可同時獲取監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)、外部太陽能智能充電控制器的實時消耗數(shù)據(jù)，且可將系統(tǒng)的監(jiān)測精確度長時間保持在最佳狀態(tài)。

7)內(nèi)監(jiān)測走線+外監(jiān)測走線+環(huán)形走線型太陽能控制器循跡：融合3種循跡方式的所有優(yōu)點。

2.2 監(jiān)測避障處理

(1)

其中，w1、w2、w3分別代表內(nèi)、外、環(huán)3種走線循跡方式監(jiān)測避障指標，f′代表杜邦線中太陽能充電電子的平均傳輸速率，y1、y2分別代表兩個減速電機的輔助監(jiān)測參量，|e|代表SMARTDUINO裝置的智能充電系數(shù)，ut代表最長充電時間條件下Web監(jiān)測數(shù)據(jù)線的消耗常量，p代表太陽能充電控制器的實時消耗狀態(tài)參量，k代表環(huán)形循跡方式的物理監(jiān)測周期。

復合型太陽能控制器循跡方式不具備明確的計算公式，只是在公式(1)的基礎上，通過分布加工w1、w2、w3三類監(jiān)測避障指標的方式，得到全新的復合型避障處理規(guī)則，其具體運算原理如公式(2)所示:

(2)

上式中，w4、w5、w6、w7分別代表內(nèi)監(jiān)測走線+外監(jiān)測走線型太陽能控制器循跡的避障指標、內(nèi)監(jiān)測走線+環(huán)形走線型太陽能控制器循跡的避障指標、外監(jiān)測走線+環(huán)形走線型太陽能控制器循跡的避障指標、內(nèi)監(jiān)測走線+外監(jiān)測走線+環(huán)形走線型太陽能控制器循跡的避障指標，i、l、j分別代表與內(nèi)、外、環(huán)3種走線循跡方式監(jiān)測避障指標相關的監(jiān)測利用系數(shù)。

3 系統(tǒng)誤差標定

在太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)運行過程中，產(chǎn)生誤差的因素來自多個方面。特別是在控制器設備循跡等多個執(zhí)行處理流程中，往往不僅要考慮到多種應用線路器件間的結合適配性，還要通過多種技術手段，使系統(tǒng)的監(jiān)測精準程度不斷向預期標準數(shù)值靠近[9-10]。簡單來說，誤差標定就是在保持系統(tǒng)運行設備主觀能動性完整的前提下，利用數(shù)據(jù)逼近的處理手段，使與監(jiān)測精準度相關的可變偏差結果逐漸縮小，直至最終結果滿足人為可接受物理范圍需求。

控制器數(shù)據(jù)采集誤差、監(jiān)測目標選取誤差、運行環(huán)境誤差是三類主要系統(tǒng)誤差條件?？刂破鲾?shù)據(jù)采集誤差多發(fā)生于監(jiān)測系統(tǒng)軟、硬件設備原件的安裝過程，受到Arduino單片機充電干擾條件χ的直接影響，取D作為控制器數(shù)據(jù)采集上限條件，可將該項采集誤差結果表示為：

(3)

其中，d代表控制器數(shù)據(jù)的隨機采集向量，λ代表Arduino單片機的智能化干擾頻率，s代表太陽能控制器所承受的平均監(jiān)測干擾數(shù)據(jù)量。

監(jiān)測目標選取誤差標定以避障處理原則選取作為執(zhí)行依據(jù)，在默認基于Arduino單片機太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)采用內(nèi)走線循跡方式的前提下，可將該項誤差采集結果表示為：

(4)

δ代表與內(nèi)走線循跡方式相關的選取系數(shù)，s代表與監(jiān)測目標選取相關的被積向量，F(xiàn)(w1)代表監(jiān)測系統(tǒng)默認定義的、與內(nèi)走線循跡相關的目標函數(shù)，?F(w1)代表該函數(shù)定義式的定積分表達式。

運行環(huán)境誤差是與太陽能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)執(zhí)行結果最相關的物理系數(shù)條件。設ξ1、ξ2代表兩個不同的監(jiān)測系統(tǒng)默認控制器充電偏移向量，F(xiàn)3代表該項誤差采集結果，則其具體表達式如下。

(5)

聯(lián)立公式(3)、(4)、(5)，利用數(shù)據(jù)逼近處理要求，可將基于Arduino單片機太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)的誤差標定結果表示為：

(6)

上式中，n代表太陽能智能充電控制器的監(jiān)測可信賴度，x代表平均誤差標定系數(shù)。

4 系統(tǒng)運行調(diào)試

系統(tǒng)運行調(diào)試主要包括監(jiān)測太陽能控制器連接穩(wěn)固能力測試、通路控制曲線繪制兩個方面。已知控制器穩(wěn)固性越高、通路曲線密集區(qū)域越多，系統(tǒng)監(jiān)測精準程度越高，反之則越低。

4.1 充電電路架設

在40S68S37N03芯片的支持下，將8個外接充電腳柱樁分別與Arduino單片機、IEEE802.15數(shù)據(jù)傳輸模塊、ARM處理器、CC2530設備順次相連，其中每2個腳柱樁對應一個系統(tǒng)原件，按照從上之下、從左至右的連接順序。C18、R11、C8、U5是4個相同的定向設備控制開關，其中C18、R11開關直接控制40S68S37N03芯片的連接閉合狀態(tài)，C8、U5則與外接電阻相連，通過相同的連接或閉合狀態(tài)來控制電阻是否接入電路。

在確保40S68S37N03芯片正常運行，C18、R11、C8、U5開關同時閉合，外接電阻直接連入充電電路的前提下，開始對太陽能智能控制器監(jiān)測效果的實驗檢測。

4.2 監(jiān)測太陽能控制器連接穩(wěn)固能力測試

分別將基于Arduino單片機太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)和普通監(jiān)測系統(tǒng)與實驗用外界檢測采集裝置相連，前者為實驗組、后者為對照組。多次調(diào)節(jié)CC2530設備，使監(jiān)測用控制器設備的充電頻率處于30～50 Hz之間，為減少實際操作次數(shù)，本次實驗共取30 Hz、40 Hz、50 Hz三種控制器設備充電頻率作為實驗備選條件。每次調(diào)節(jié)操作后保持1 min的靜置時間，使外界檢測數(shù)值表中數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，并記錄此時數(shù)值表中所顯示的NS數(shù)值(控制器連接穩(wěn)固系數(shù))，詳細實驗數(shù)據(jù)結果如表1、表2所示。

表1 實驗組NS數(shù)值表 Mb

表2 對照組NS數(shù)值表 Mb

縱向觀察實驗組NS數(shù)值可知，隨著充電頻率不斷增加，NS數(shù)值增加明顯。已知NS數(shù)值與系統(tǒng)監(jiān)測精準性呈現(xiàn)正相關影響關系，在整個實驗過程中，實驗NS數(shù)值最大值可達0.96，即為接近1(NS數(shù)值永遠不可能超過1)，極為符合系統(tǒng)實際監(jiān)測需求。而對照組NS數(shù)值僅能在充電頻率處于30～40 Hz之間時，保持明顯上升情況，充電頻率達到50 Hz時，對照組NS數(shù)值變化異常，甚至有可能低于30 Hz情況下的NS數(shù)值，且最大值也遠低于1，對系統(tǒng)實際監(jiān)測需求的符合程度遠低于實驗組。

4.3 監(jiān)測通路控制曲線

監(jiān)測通路控制曲線由多個degee節(jié)點連接而成，在保持4.2中操作步驟不變的前提下(已知控制器設備充電頻率對degee監(jiān)測器數(shù)值并無影響，本次實驗默認頻率參量為30 Hz)，在每次CC2530設備調(diào)節(jié)操作后，觸動ARM處理器，直至degee監(jiān)測器數(shù)值發(fā)生改變，并記錄第一次改變時的數(shù)值情況，作為一個degee節(jié)點，經(jīng)過多次記錄后，可繪制如圖3所示的監(jiān)測通路控制曲線。

圖3 監(jiān)測通路控制曲線圖

由圖3可知，基于Arduino單片機的太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)，信號波形較為穩(wěn)定、規(guī)律。該系統(tǒng)能有效地改變傳統(tǒng)系統(tǒng)在檢測過程中，檢測通路信號突變較大的問題。

為保證實驗結果的真實性，取第10～40次的中端實驗數(shù)據(jù)作為主要參考依據(jù)。分析圖3可知，在該段時間內(nèi)，實驗組監(jiān)測通路控制曲線出現(xiàn)了相對明顯的周期性變化趨勢，且最大值、最小值的變化趨勢均有據(jù)可循，對于太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)來說，這種周期性波動趨勢極易提升系統(tǒng)自身的監(jiān)測精準性。對照組監(jiān)測通路控制曲線在該段時間內(nèi)，無明顯波動變化趨勢，且最大值、最小值的變化狀態(tài)也不唯一，不利于系統(tǒng)監(jiān)測精準度的提升。

5 結束語

在Arduino單片機的支持下，太陽能智能充電控制器監(jiān)測系統(tǒng)具備了一定的穩(wěn)固能力，且使控制通路信號突變的物理現(xiàn)狀得到了有效改善。軟硬件設備方面，也不再受到節(jié)點傳輸限制等條件的影響，可對系統(tǒng)誤差等運算物理量進行基本標定處理，對提升系統(tǒng)自身的監(jiān)測精準度具備極強的促進意義。