CN102339066A - 一种面向无线传感器网络的自适应太阳能跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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领域。本方法为：1)设定一调整因子函数l(θ)；2)太阳能节点初始化；3)初始化累加器，并记录当前偏离角度θ；4)太阳能节点以设定周期采集太阳能板的当前实际功率值，并记录当前偏离角度θ；5)太阳能节点计算出当前采样时刻太阳能板功率最大值；6)将当前采样时刻功率最大值与实际值的差值乘以采样周期计入累加器，并判断累加器的值是否超过设定阈值；7)如果累加器的值超过设定的阈值，则将太阳能板转动设定角度后，重复步骤3)～6)；否则重复步骤4)～6)。本方法可有效减少电机的转动次数和转动能耗，使得有效能量获取显著增加，并具有很好的适应性。

Description

一种面向无线传感器网络的自适应太阳能跟踪方法

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； 

3)每当太阳能板与入射光线垂直时进行初始化操作，用于清除前一次转动的历史信息，主要为累加器置零、记录此次垂直入射角度等； 

4)太阳能节点(即带有太阳能板的传感器节点)以不影响传感器节点工作为前提的周期T，采样太阳能板当前的实际功率值，并根据公式(3)与当前偏离角度求出最大功率值，将最大功率与实际功率的差值计入累加器A； 

5)当A·T∈[0.45W，0.55W]时，即累加能量接近电机耗能的一半时，将当前角度与垂直入射角度差的两倍转化为步进电机转动步数，并转动至相应位置；其中，T是采样实际功率的采样周期；W为电机每次转动的耗能； 

6)若此次累积仍未超过W/2，则继续周期性采样能量。 

首先，当太阳光线不直射太阳能板时，会影响太阳能板的能量转化效率。即转化的能量与当前时刻的光照强度及偏离太阳入射法线的方向有关。在晴朗无遮挡的情况下，偏离角度越大，转化效率越低。因此当存在偏离角度时需要引入一调整因子的函数来获得当前能量与直射能量的关系。可通过下式拟合偏离角度θ与调整因子l(θ)的关系，其中a＝0.0003178，b＝0.00003985。拟合效果见图2。 

l(θ)＝cosθ+a·θ+b·θ²     (1) 

此外，本发明提出过跟踪的转动模式。常用的跟踪方式可分为全跟踪与间隙跟踪。目前大多数的太阳能发电站都采用全跟踪方式，即太阳每转过一个微小的角度，太阳能板紧随其后，时刻保持与太阳光入射方向垂直。当忽略太阳能跟踪器电机耗能时，这种跟踪方式可以得到最大的能量输出。然而在类似传感器网络的微型系统中，相对节点来说，太阳板每次转动都消耗很大能量。前面分析可知，电机的实际耗能与其转动的次数紧密相关。因此，本文考虑间隙性的跟踪方式，通过动态优化每次转动的角度合理的减少转动次数达到节能的目的。 

间隙式跟踪也分为两种，如图3所示：一种是太阳光线偏离某一角度后，跟踪器也转过相同的角度与太阳光入射方向垂直，称为正跟踪方式；另一种是当太阳光线偏离某一角度后，跟踪器转过更大的角度，此时跟踪器法线仍与太阳光入射方向有一定的夹角，称为过跟踪方式。 

由于法线与太阳光入射方向的偏离会造成能量损失，通过将多个调整因子在时间轴上串联即可得出标准化收益函数r(t)。标准化收益函数是关于时间的函数，表示在某一时刻由于偏离角度的存在与垂直时最大输出功率的比值。偏离角度与时刻值是可以相互转化的，地球自转一周按24小时计，则太阳光线每转动1度约需要4分钟。假设12点方向为0度，则13点方向为15度。 

图4是正跟踪方式与过跟踪方式标准化收益函数的对比示意图。通过标准化收益函数图形能够看出跟踪策略，波谷对应着太阳能板的转动时刻，波峰对应着与太阳光入射方向垂直 的时刻，两个波谷的时间差对应电机的转动角度。从对比图中可以看出，同样达到0.97的能量效率时，过跟踪方式的转动次数比正跟踪要少很多。因此为了达到较高的能量效率与较少的转动次数，应该采用过跟踪方式。 

将太阳能电池在一天中各个时刻正对太阳时所能转化的最大功率定义为最大功率输出曲线。太阳能板因为偏离角度的存在实际获得的功率为实际输出功率。则实际输出能量与最大输出能量的比值为能量效率。能量效率的大小表征了最大值的差距，可以用来作为评价算法好坏的指标。实际输出能量与电机转动消耗能量的差为有效能量。 

跟踪算法的目的是通过减少转动次数，来降低电机能耗，从而使得有效输出能量最大。转动次数的减少意味着不能时刻保持与太阳入射光线垂直，必然减少能量输出；转动次数越少，则偏离角度越大，与输出能量最大值的偏离也就越大。因此在转动次数与偏离角度之间存在一个优化问题。 

maxE 

$E={\∫}_{T_1}^{T_2}p\left(t\right)\·r\left(t\right)\mathrm{dt}-\mathrm{nW}---\left(2\right)$

E表示有效能量。它包括两部分，积分部分为获得的总能量，另一部分是转动耗能。其中p(t)是最大功率输出曲线，r(t)是标准化收益函数。W为步进电机每转动一次消耗的能量，n为转动次数。 

图5为当r(t)取图4所示的过跟踪曲线时，p(t)r(t)的函数曲线示例，实线表示最大功率输出曲线p(t)，虚线是相乘后的实际功率曲线，由于偏离角度的存在产生了如图所示的差值。 

当已知p(t)的变化规律时，可以通过解此优化问题求出r(t)，进而可得出在转动次数、转动时间与转动角度，并最终确定能量效率。然而，若采用此全局优化，必须已知p(t)的变化规律，但每天p(t)曲线的变化都是不确定的，很难在一天中的某一时刻预测到整个一天的变化规律。如果将p(t)确定，将不能适应天气的动态变化，无法得到最优的转动方案。为了达到快速自适应的目的，下面将从单次转动角度来分析。 

如果太阳能板不能时刻保持与太阳光入射角度垂直，必然会造成能量输出上的损失。若不计电机转动耗能，每次偏离角度越小则能量损失越少。但当电机转动能耗不可忽略时，情况就发生了改变，因为频繁的转动可能比角度偏离损失更多的能量。因此对于单步来说，转动时间的确定是要解决的首要问题。若转动次数过多，造成转动能耗比偏离损耗更大；若转动次数过少，偏离角度会造成较大的能量损失。由于步进电机存在转动步长的限制，通过对模型的简化，当角度偏离损耗与一次转动耗能相等时，为太阳能板转动的较优时刻。 

通过每隔一段时间对功率进行采样可得出实际输出功率，联合当前的偏离角度根据调整因子函数可以求出最大功率曲线，即根据公式(3)估计出最大功率，继而可得出最大值与实际值的差值，即偏离功率损失。 

p_max(t)＝p_actual(t)/l(θ) (3) 

p_loss＝p_max-p_actual

由于偏离损益函数在角度偏转较小时变化不大，且短时间内太阳光强度也不会有太大变化，为了简化模型，降低计算复杂度，设计可快速在低频率节点上执行的算法，将这两部分面积做近似相等处理。通过解下面离散方程得到对应时刻。如图6所示，则转动角度也近似为AB间对应夹角的两倍。 

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(p_{\max ,i}-p_{\mathrm{actual},i})\×T\≈W/2---\left(4\right)$

通过以上简化，可以在不损失太多精度的情况下，降低了计算量，更适于在计算资源严重受限的传感器网络中的应用，并减少对其他数据处理业务的影响。 

采样周期T可以以步进电机单位步长换算成的时间取代，即T＝t·βs，t＝240秒每度。常用的步进电机不是连续转动的，只能转过其最小步长的整数倍，设其最小步长为β。 

与现有技术相比，本发明的积极效果为： 

本方法可以有效减少电机的转动次数和转动能耗，使得有效能量获取显著增加，并可对复杂多变环境具有很好的适应性，图6-图9通过在各种天气下的实验，与传统全跟踪方式、固定方式进行了比较。结果显示如表1，本方法的能力效用都在98％以上，以接近极限值。 

表1、本发明方法与传统方法对比结果表 

附图说明

图1：算法执行过程流程图； 

图2：调整因子函数图形； 

图3：正跟踪方式与过跟踪方式示意图； 

(a)正跟踪方式，(b)过跟踪方式， 

图4：正跟踪与过跟踪效果对比； 

图5：最大功率与采样功率对比图； 

图6：实验--晴天算法有效输出功率比较； 

图7：实验--中午阴天算法有效输出功率比较； 

图8：实验--阴天算法有效输出功率比较； 

图9：实验--多变天气算法有效输出功率比较。 

图10：实验--多变天气算法有效输出功率比较。 

具体实施方案

下面参照附图并结合实施例对本发明进行详细的描述。 

太阳能跟踪装置包括太阳能板、锂电池、充电电路、太阳能支架与跟踪电机组成。太阳能板负责将太阳能转化为电能，并存储到锂电池中；跟踪电机为跟踪器的动力装置，用于调节太阳能板朝向；太阳能支架用于连接太阳能板与电机，并包含许多转动齿轮。 

每天日出的开始时刻，太阳能跟踪器通过水平方向两个光敏元件进行初始化操作，即在初始化阶段通过光敏电阻产生的电压差控制电机转动，使得太阳能板正对太阳直射方向。 

随后进入正常跟踪状态。正常跟踪状态中转动电机两次转动之间的时间为转动周期。在每个转动周期的开始时刻都需进行初始化操作，主要为累计器清零、校正当前角度等操作，太阳能跟踪器以10s为周期采样当前功率值。 

根据采样次数与采样周期可计算出当前偏离时间； 

根据偏离时间算出与太阳入射光法线的偏离角度；偏离时间的计算可依据地球自转一圈约为24小时，1圈约为360度，因此地球每转过1度约需要240s即4min计算。 

与太阳入射方向垂直的时刻可根据水平方向两个光敏电阻的电压差来确定，即当两个光敏电阻的电压差为零时(由于器件精度的限制，允许有2％左右的误差存在)为偏离角度为零的时刻； 

根据偏转角度与调整因子的关系算出此时刻的功率最大值。功率最大值与实际功率值之间的差为由于角度偏离造成的功率损耗，将此功率差乘以采样周期为角度偏离造成的能量损耗。 

将此能量损耗计入累加器，当累加器值接近电机转动耗能的一半时，即A∈[W/2×0.9，W/2×1.1]，为电机的转动时刻，转动的角度为当前偏转角度的两倍。 

当下一周期开始时重复此前操作，直至天黑时太阳板转化功率小于一定值时，不再转动。 

Claims (9)

1.一种面向无线传感器网络的自适应太阳能跟踪方法，其步骤为：

1)设定一调整因子函数l(θ)，其中θ为偏离角度；所述偏离角度为太阳光照射方向与太阳能板法线的夹角；

2)太阳能节点初始化，根据太阳光的照射方向确定太阳能板的朝向；

3)初始化累加器，并记录当前偏离角度θ；

4)太阳能节点以设定周期采集太阳能板的当前实际功率值，并记录当前偏离角度θ；

5)太阳能节点根据偏离角度θ与调整因子l(θ)算出当前采样时刻太阳能板功率最大值；

6)将当前采样时刻太阳能板功率最大值与当前实际功率的差值乘以采样周期计入累加器，并判断累加器的值是否超过设定阈值；

7)如果累加器的值超过设定的阈值，则将太阳能板转动设定角度后，重复步骤3)～6)；否则重复步骤4)～6)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于以天为周期对所述太阳能节点进行初始化。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于太阳能节点初始化时，将太阳能板的朝向正对当前太阳光的直射方向。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述调整因子函数l(θ)为：l(θ)＝cosθ+a·θ+b·θ²，其中a＝0.0003178，b＝0.00003985。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述设定阈值为转动太阳能板所需耗能的一半。

6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于所述设定角度的大小为当前偏离角度的2倍。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述太阳能板功率最大值p_max(t)的计算公式为：p_max(t)＝p_actual(t)/l(θ)，其中p_actual(t)为实际功率值。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述偏离角度θ的计算方法为：太阳能节点首先根据采样次数与采样周期计算出每次采样时的偏离时间；然后根据偏离时间算出每次采样时太阳能板法线与太阳入射光的偏离角度。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述设定周期为10秒。

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