[发明专利]一种面向无线传感器网络的自适应太阳能跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能跟踪方法，尤其涉及一种面向无线传感器网络的自适应太阳能跟踪方法，属于无线传感器网络技术领域。 

背景技术

无线传感器网络是由大量传感器节点以自组织方式构成的多跳无线网络系统，其目的是协同地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络融合了传感技术、嵌入式技术、无线网络技术、分布式智能信息处理等技术，具有规模大、成本低、组网灵活等特点，已经广泛应用于军事、科研、工业监控、医疗等领域。 

长期野外监测是传感器网络的重要应用之一。但由于能量供应的问题，一直受到监测时间与部署范围的限制。因此，如何获取能源是传感器网络长期野外监测的一个重要研究方向。由于野外环境缺乏能源基础设施，传感器节点必须通过收集环境能量以达到长期工作的目的，如太阳能、风能、地热和压力等。在众多能量获取方法中，太阳能是最具代表性，也是应用最广泛，最稳定的野外能量资源之一，故收集太阳能一直以来是众多实际应用系统普遍采用的能量获取方案。通过对环境能量的收集，可以延长传感网的网络寿命，方便了传感器网络的部署，降低了网络使用成本。可持续性的能源获取，使得传感器网络的野外长期监测应用成为可能。 

目前跟踪器基本有两大类：一类是根据地球自转规律计算跟踪运动轨迹的主动式跟踪器；另一类是实时探测太阳对地位置，控制对日角度的被动式跟踪器。 

主动式跟踪器分为控放式与时钟式。控放式跟踪器的基本原理为：在太阳光接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。该机制成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源，但是该跟踪器容易产生过跟踪的情况，只能用于单轴跟踪，精度低。时钟式跟踪器有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法：根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。其特点是电路简单，但由于时钟累积误差不断增加，系统的跟踪精度很低。 

被动式跟踪常用光敏元件进行跟踪，将四个完全相同的光敏元件分别放置于采光板的东南西北方向，利用光敏元件在光照时参数的变化。当太阳光垂直照射采光板，东西(南北) 两个光敏元件接收到的光照强度相同，此时电机不转动，当太阳光线与采光板的法线有夹角时，光敏元件反应出照度差，信号采集电路控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电机转动，直至两个光敏元件上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。但是这类跟踪器价格昂贵，且不能适应自然界中光线的变化，跟踪效果不太理想。 

目前采用的方式多为固定式跟踪，即采用简单的算法或者没有算法，盲目的跟踪太阳方向。其优点是装置较简单，成本较低；缺点是无法根据天气、最大光强、阴影、遮挡、气候等的变化，对跟踪策略做出调整，达到最优的跟踪效果。 

另外，已知所有跟踪设备都是针对太阳能发电站、太阳能热水器等大型用电设备的。将其直接应用于传感器网络还存在一些问题。首先，大型设备中配备较大的太阳能板，使得产生供电功率较大，而跟踪器转动电机的能耗相对产生能量基本可忽略，因此，此类设备可进行实时跟踪而忽略电机的耗能；但是小型化、低成本是大多数传感网的基本要求，要满足此条件，配备的太阳能板较小，每天转化的能量刚好满足其自身需求，是最佳情况，传感器节点本身都是低功耗设备，电机能耗相对传感器节点来说成为高能耗设备，因此电机能耗不可忽略。二是传感器网络野外部署环境复杂，遮挡等情形无法避免，不能保证具有良好的光照。因此，需要设计针对传感器网络的太阳能跟踪算法，以满足其野外长期部署的需求。 

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种面向无线传感器网络的自适应太阳能跟踪方法。 

在面向传感器网络可适应复杂场景的太阳能跟踪算法中，可以根据当前光照强度，计算转动时刻与转动角度，在对能量获取影响较小的前提下通过减少转动次数达到降低转动能量消耗的目的，从而提高有效能量收益。这种方法针对类似传感器网络的低能耗、小型化设备而设计，对复杂环境具有很好的适应性，比起目前的跟踪方法，在有效能量获取上更加高效。通过仿真实验，该算法的能量效用能够达到98％以上。 

如图1所示，本发明面向传感器网络可适应复杂场景的太阳能跟踪算法包括以下步骤： 

1)以每天作为一个大的周期进行太阳跟踪，在每两次转动之间作为一个小的周期进行转动； 

2)每个大周期的开始，根据早上太阳光的光照方向确定太阳能板的朝向，此为大周期的初始化过程；