CN101226406A - 一种基于gps和gis的太阳跟踪系统及其实现方法 - Google Patents

一种基于gps和gis的太阳跟踪系统及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于GPS和GIS的太阳跟踪系统及其实现方法，通过所述的采光控制终端和监测控制中心对太阳跟踪系统进行控制并自动跟踪太阳。所述采光控制终端包括多种控制模块，GPS模块、太阳敏感器模块、终端通信模块、存储器模块和检测模块均与终端控制模块相连接并安装在采光控制终端上；所述监测控制中心包括数种控制模块，主通信模块、图层存储器模块和图层管理模块均与主控制模块相连接并安装在监测控制中心上。本发明不仅能使太阳跟踪装置精确地进行太阳跟踪，有效提高太阳能使用效率，降低传统能源的消耗，减少环境污染，而且还具有自动定位、自动纠偏、自动监控和自动报错功能。

Description

一种基于GPS和GIS的太阳跟踪系统及其实现方法
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，特别是涉及一种基于GPS和GIS的太阳跟踪系统及其实现方法。
背景技术
GPS即全球定位系统(Global Positioning System)，它是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星测量系统。GPS可以保证在地球上任意一点、任何时刻都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经度、纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，同时作为先进的测量手段和新的生产力，它已经融入到国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。GPS是目前最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天侯性的定位、定时优势必然会在更多领域中得到越来越广泛的应用。
GIS即地理信息系统(Geographic Information System)，它是一种基于计算机系统的综合工具，它可以对地球上所存在的东西和发生的事件进行快速成图和分析。GIS把地图的效果和地理分析功能与多种数据库的操作(如查询、统计、分析与预测等)集成在一起，这种独特的综合能力使得GIS与其他信息系统相区别。作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要技术与工具，近些年GIS得到了广泛的关注和迅速的发展。
太阳敏感器(Sun Sensor)是在航天领域中应用广泛的一类敏感器，所有的卫星上都配备有太阳敏感器。太阳敏感器通过敏感太阳矢量的方位来确定太阳矢量在星体坐标中的位置，从而获取航天器相对于太阳方位信息的光学姿态敏感器。太阳敏感器的构成主要包括三个方面：光学头部、传感器部分和信号处理部分。光学探头包括光学系统和探测器件，它利用光电转换功能实时获取星体相对太阳的姿态角度信息。光学头部可以采用狭缝、小孔、透镜、棱镜等方式；传感器部分可以选用CMOS器件、码盘、光栅、线阵CCD、面阵CCD、APS、SMART等器件；信号处理部分可采用分离电子元器件、单片机、可编程逻辑器件等。
众所周知，当今现代产业的飞速发展，使得传统能源资源急剧减少，加之传统能源的使用效率低下及能源产品利用的严重浪费，致使全球性的能源供给状况危机四伏，人类社会的进步和对生存环境的保护与资源的严重短缺已经形成了尖锐的矛盾。因此，世界各国无不对新能源产业和产品倍加关注和推崇，从而使得世界范围内的开发和利用新能源的浪潮一浪高过一浪，特别是对太阳能的开发和利用，也达到了前所未有的程度。太阳能资源是一个取之不尽、用之不完的绿色资源，为了充分地利用这一资源，提高太阳能的使用效率，人们一般采用跟踪太阳运动、尽量保持让阳光垂直照射采光器的方法，以此来实现阳光的最大采集量。目前所用的自动跟踪太阳的方法通常有三种：一种是单独使用时钟电路控制的方法，例如已公开的《时钟式太阳能跟踪装置》(中国专利ZL88221402.0)；一种是单独使用光敏器件的方法，例如已公开的《全自动跟踪阳光的采光装置》(中国专利ZL99228399.X)和《光敏式太阳能自动跟踪装置》(中国专利ZL200520034636.4)；另一种则是将前两种方法合并使用，如已公开的《微功耗定时太阳跟踪装置》(中国专利ZL02222766.0)。上述这些专利在有效地利用太阳能资源及提高太阳能使用效率方面提出了较好的解决方案，具有一定的使用价值。然而，这些太阳跟踪装置普遍存在着采光器垂直受光不充分、跟踪精度低或需要人工校正等缘于技术落后的缺点。而且更主要的是，这些太阳跟踪装置不具备全天候自动定位、自动纠偏、自动监控和自动报错功能，无法保证设备的正常运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于GPS和GIS的太阳跟踪系统及其实现方法，有效地解决采光器垂直受光不充分和跟踪精度低的问题，使采光器实时保持与阳光照射方向的垂直度，以此提高系统的跟踪精度和太阳能的使用效率。
本发明的进一步目的是提供太阳跟踪系统的自动定位、自动纠偏、自动监控和自动报错功能，以此保证设备的正常运行。
本发明的目的和进一步目的是这样实现的：在采光器上设置采光控制终端，该终端包括用于接收卫星信号进行定位的GPS模块、用于收发通信网络信号的终端通信模块、用于确定太阳矢量方向并获取太阳方位信息的太阳敏感器模块、用于存储太阳视运动轨迹数学模型的存储器模块、用于检测采光控制终端的异常或故障的检测模块，以及用于分析和处理GPS定位数据、通信数据和太阳敏感器信息并指令驱动机构按照实时纠偏的太阳视运动轨迹数学模型进行工作的终端控制模块；所述的GPS模块、太阳敏感器模块、终端通信模块、存储器模块和检测模块均通过通用标准接口与所述的终端控制模块相连接并安装在所述的采光控制终端上。当然，所述的终端控制模块还可以是经过集成了所述GPS模块、太阳敏感器模块、终端通信模块、存储器模块或检测模块的终端控制集成模块。
另外，需要设置远程监测控制中心，所述的监测控制中心通过通信网络监控所述采光控制终端的运行，它包括用于收发通信网络信号的主通信模块、用于存储地图图层的图层存储器模块、用于提取并生成GIS地图图层的图层管理模块和用于监控所述采光控制终端工作状态的主控制模块；所述的主通信模块、图层存储器模块和图层管理模块均通过通用标准接口与所述的主控制模块相连接并安装在所述的监测控制中心上。同样，所述的主控制模块也可以是经过集成了所述主通信模块、图层存储器模块或图层管理模块的主控制集成模块。此外，在所述的监测控制中心还包括用于显示所生成的GIS地图图层的图像或显示主控制模块收到的由采光控制终端发出的信息，以及显示传输给所述采光控制终端的控制指令的显示单元。
使用时，先接通电源，系统进行初始化。采光控制终端上的GPS模块开始搜索卫星、计算定位，在得到定位数据(经纬度、高程和时间)之后，马上传输给在事先已经配置在存储器中的太阳视运动轨迹数学模型中进行入位，并把入位信息传给终端控制模块。同时，太阳敏感器模块开始寻找太阳，获取太阳位置信息并传给终端控制模块。终端控制模块在对入位信息和太阳位置信息进行解析后，便指令驱动机构按照所配置的太阳视运动轨迹数学模型运行，并实时修正太阳跟踪运行中的偏差，使所述采光器正对太阳，从而实现对太阳的自动跟踪。与此同时，采光控制终端的通信模块通过通信网络将GPS模块获得的定位信息、太阳位置信息和终端检测信息及时传输到监测控制中心。
在监测控制中心，所述的主控制模块在通过主通信模块收到采光控制终端的信息后，随即传输给图层管理模块，该模块从图层存储器模块中提取相关地图图层，对应所述采光控制终端的信息迅速生成GIS图层，并将所述GIS图层返还给主控制模块，且显示在显示单元的屏幕上。当所述采光控制终端运行异常、发生故障或采光器被外力移动或破坏时，所述检测模块会立刻向终端控制模块发出信号，所述终端控制模块会自动通过所述终端通信模块向所述监测控制中心发出信息；监测控制中心的主控制模块通过所述的主通信模块收到所述信息后，会自动生成产生异常、发生故障或其他信息的代码、类别和采光控制终端在所述的GIS地图图层上的准确位置，并显示在所述显示单元的屏幕上；随后监测控制中心将根据实际情况，自动通过主控制模块启动系统维护程序对产生异常或发生故障的采光控制终端进行远程试纠正或试排除，如果异常或故障得到排除，所述的监测控制中心主控制模块继续对所述采光控制终端进行实时监控；否则，监测控制中心的主控制模块将依据相关GIS地图图层所标定的具体位置和预设的电话，自动呼叫产生异常或发生故障的采光控制终端所在区域的维修人员上门进行抢修服务。
本发明的有益效果是：以GPS等多项先进的科学技术为手段和工具，提高或增加了太阳跟踪系统的自动化运行及监控水平，它不仅可以使采光器精确地进行太阳跟踪，有效地提高太阳能使用效率，降低传统能源的消耗，减少环境污染，而且具备自动定位、自动纠偏、自动监控和自动报错功能，另外还具有防盗功能。它可以在太阳能发电、太阳能集热、太阳能照明或太阳能储存等方面加以广泛的应用。
附图说明
图1是本发明的构成示意图，图中代码表示：101---定位卫星；102---采光控制终端，103---采光器；104---驱动机构、105---支架、106---通信网络；107---监测控制中心，其中：108---显示单元。
图2是本发明构成采光控制终端的模块图，图中代码表示：201---终端控制模块；202---GPS模块；203---太阳敏感器模块；204---终端通信模块；205---存储器模块；206---检测模块。
图3是本发明构成监测控制中心的模块图，图中代码表示：301---主控制模块；302---主通信模块；303---图层存储器模块；304---图层管理模块。
图4是本发明的系统模块连接方框图，图中代码含义如上所示。
图5是本发明的运行步骤流程图，图中代码含义请见原图图框中所示，代码第一个字母S代表Steps，即“步骤”。
具体实施方式
下面结合图1至图5和实施例对本发明做进一步说明。
首先结合图1至图4对本发明进行说明。选择工作温度范围较宽的GPS模块(202)和数字式太阳敏感器模块(203)，通过标准接口将它们分别与终端控制模块(201)相连接。之后，选择GMS/GPRS无线通信模块作为终端通信模块(204)，选用DDR4型存储器作为存储器模块(205)并选用监控电路作为检测模块(206)。实际上，终端控制模块(201)是一个8位微控制器与处理器，存储器模块(205)和检测模块(206)是与终端控制模块(201)相嵌在一起的，从而构成了采光控制终端(102)。然后把采光控制终端(102)固定在采光器(103)上，以便于GPS模块(202)和太阳敏感器模块(203)更好地分别接收定位卫星(101)信息和太阳位置信息。另外，还需要把采光器(103)和驱动机构(104)固定在支架(105)上。除此之外，为监测控制中心(107)选配组件也十分重要，本实施例所选用的主控制模块(301)是一个服务器，实际上图层存储器模块(303)和图层管理模块(304)已经被安装或集成在服务器之中了。而主通信模块(302)同样选用GMS/GPRS无线通信模块，另外再选配一台高分辨率液晶显示器作为显示单元(108)，再将主通信模块(302)和显示单元(108)分别通过标准接口与主控制模块(301)相连接，从而实现了监测控制中心(107)的构成。本实施例选用GMS/GPRS无线通信网络作为通信网络(106)，采光控制终端(102)通过通信网络(106)与监测控制中心(107)相联通并实现信息的双向交换。
然后，再结合图5对本发明的运行步骤做进一步说明。在系统运行前，应先接通电源，对系统进行初始化并开始进入运行(S501)；GPS模块(202)开始搜索卫星、计算定位并得到定位数据(S502)；终端控制模块(201)接到定位数据后，马上将这些数据传到事先配置在存储器(205)中的太阳视运动轨迹数学模型里进行入位(S503)；与此同时，数字式太阳敏感器模块(203)开始寻找太阳，获取太阳位置信息(S504)；把位置信息传给终端控制模块(201)后，终端控制模块(201)便迅速解析定位数据、入位信息和太阳位置信息(S505)；随后，便指令驱动机构(104)按照配置在存储器模块(205)中的太阳视运动轨迹数学模型运行，并实时修正运行中的偏差，使采光器(103)正对太阳，从而实现采光器(103)对太阳运行的自动跟踪(S506)；在运行中，采光器(103)及采光控制终端(102)的运行信息会自动反馈到检测模块(201)(S507)；终端控制模块(201)一方面实时接受着来自检测模块(201)的检测信息，另一方面通过终端通信模块(204)(S508)经由通信网络(106)(S520)将获得的定位信息、太阳位置信息和对采光器(103)及采光控制终端(102)运行状况的检测信息及时传输到监测控制中心(107)，主控制模块(301)对通过主通信模块(302)收到的采光控制终端(102)的多种信息进行处理(S509)；并指令图层管理模块(304)从图层存储器模块(303)中提取相关图层，对应所述采光控制终端(102)的信息迅速生成GIS图层(S510)；如果在收到的信息中没有故障信息，则程序自动返回主控制模块(301)，进入对采光控制终端(102)的实时监控(S511)；如果在收到的信息中确有故障信息，便自动生成产生异常、发生故障或其他信息的代码、类别及采光控制终端(102)的准确位置，并显示在所述显示单元(108)的屏幕上(S512)；随后，主控制模块(301)自动启动维护程序对产生异常或发生故障的采光控制终端(102)进行远程试纠正或试排除(S513)；如果问题顺利解决，故障得以排除，则程序自动返回主控制模块(301)，继续对采光控制终端(102)进行实时监控(S511)；相反。如果问题无法解决，故障依然存在，则主控制模块(301)依据相关GIS地图图层所标定的具体位置和预设的电话，自动呼叫所述产生异常或发生故障的采光控制终端(102)所辖区域的维修人员进行上门抢修服务(S515)。
以上所述，仅是本发明的优选实施例而已，并不是以此来限定本发明的保护范围。也就是说，在不脱离本发明技术特征的情况下，本发明可以以各种形式予以实施。同样，基于本发明技术特征的所有衍生形式均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于GPS和GIS的太阳跟踪系统，它包括采光器、驱动机构和支架，其特征在于，还包括：
采光控制终端，该部分包括用于接收卫星信号进行定位的GPS模块、用于确定太阳矢量方向并获取太阳方位信息的太阳敏感器模块、用于收发通信网络信号的终端通信模块、用于存储太阳视运动轨迹数学模型的存储器模块、用于检测采光控制终端异常或故障的检测模块，以及用于分析和处理GPS数据、太阳敏感器信息、通信信息或检测信息并指令驱动机构按照太阳视运动轨迹数学模型进行工作并实时修正太阳跟踪偏差的终端控制模块；所述的GPS模块、太阳敏感器模块、终端通信模块、存储器模块和检测模块均与所述的终端控制模块通过通用标准接口相连接，并安装在所述的采光控制终端上，而且所述的采光控制终端的控制端口与所述的驱动机构的电路相连接；
监测控制中心，该部分包括用于收发通信网络信号的主通信模块、用于存储地图图层的图层存储器模块、用于提取并生成GIS地图图层的图层管理模块和用于监控所述采光控制终端工作状态的主控制模块；所述的主通信模块、图层存储器模块和图层管理模块均与所述的主控制模块通过通用标准接口相连接，并安装在所述的监测控制中心上。
2.根据权利要求1所述的太阳跟踪系统，其特征在于所述的采光控制终端与所述的监测控制中心是通过通信网络进行连接并实现信息交换的。
3.根据权利要求1所述的太阳跟踪系统，其特征在于所述的终端控制模块可以是集成了所述GPS模块、太阳敏感器模块、终端通信模块、存储器模块、或检测模块的终端控制集成模块。
4.根据权利要求1所述的太阳跟踪系统，其特征在于所述的主控制模块可以是集成了所述主通信模块、图层存储器模块或图层管理模块的主控制集成模块。
5.根据权利要求1所述的太阳跟踪系统，其特征在于所述的监测控制中心还包括用于显示所生成的所述GIS地图图层的图像或显示所接收到的所述采光控制终端的信息，以及显示传输给所述采光控制终端的控制指令的显示单元。
6.一种基于GPS和GIS的太阳跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、接通电源，系统初始化并开始进入运行；
(2)，所述的GPS模块开始搜索卫星进行定位，把得到的定位数据传输给所述的终端控制模块；
(3)、所述的终端控制模块把定位数据传给事先配置在存储器模块中的太阳视运动轨迹数学模型进行入位；
(4)、所述的太阳敏感器模块把太阳位置的实时信息传输给所述的终端控制模块；
(5)、所述终端控制模块对入位信息和太阳位置信息进行解析；
(6)、所述终端控制模块指令驱动机构按所述的太阳视运动轨迹数学模型运行，并实时修正运行偏差，使所述的采光器正对太阳，同时将运行信息反馈给检测模块；
(7)、所述检测模块对所述采光控制终端的运行进行实时检测；
(8)、所述采光控制终端的终端通信模块通过通信网络将GPS模块获得的定位信息、太阳位置信息和检测信息传输到监测控制中心；
(9)、所述监测控制中心的主控制模块在通过所述的主通信模块收到所述采光控制终端的信息后进行处理；
(10)、所述图层管理模块从所述图层存储器模块中提取相关地图图层，并结合对应的采光控制终端的全部信息迅速生成GIS地图图层；
(11)、所述主控制模块进入对所述采光控制终端的实时监控。
7.根据权利要求6所述的太阳跟踪方法，其特征在于还包括以下步骤：
(12)、当所述的监测控制中心主控制模块一旦收到所述的采光控制终端传来的产生异常或发生故障的信息时，会自动生成异常、故障或其他信息的代码和类别及所述采光控制终端在所述的GIS地图图层上的准确位置，并显示在所述显示单元的屏幕上；
(13)、所述的监测控制中心主控制模块启动系统维护程序，对产生异常或发生故障的所述采光控制终端自动进行远程试纠正或试排除；
(14)、异常或故障如果被排除，所述的监测控制中心主控制模块继续对所述采光控制终端实时监控；否则
(15)、所述的监测控制中心主控制模块将依据相关GIS地图图层所标定的具体位置和预设的电话，自动呼叫产生异常或发生故障的所述采光控制终端所在区域的维修人员上门进行抢修服务。
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