專利名稱：一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)太陽能跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能跟蹤方法，尤其涉及一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)太陽能跟蹤方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)同地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測信息，并報(bào)告給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式智能信息處理等技術(shù)，具有規(guī)模大、成本低、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、科研、工業(yè)監(jiān)控、醫(yī)療等領(lǐng)域。長期野外監(jiān)測是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用之一。但由于能量供應(yīng)的問題，一直受到監(jiān)測時(shí)間與部署范圍的限制。因此，如何獲取能源是傳感器網(wǎng)絡(luò)長期野外監(jiān)測的一個(gè)重要研究方向。由于野外環(huán)境缺乏能源基礎(chǔ)設(shè)施，傳感器節(jié)點(diǎn)必須通過收集環(huán)境能量以達(dá)到長期工作的目的，如太陽能、風(fēng)能、地?zé)岷蛪毫Φ?。在眾多能量獲取方法中，太陽能是最具代表性，也是應(yīng)用最廣泛，最穩(wěn)定的野外能量資源之一，故收集太陽能一直以來是眾多實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)普遍采用的能量獲取方案。通過對(duì)環(huán)境能量的收集，可以延長傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命，方便了傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署，降低了網(wǎng)絡(luò)使用成本?？沙掷m(xù)性的能源獲取，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的野外長期監(jiān)測應(yīng)用成為可能。目前跟蹤器基本有兩大類一類是根據(jù)地球自轉(zhuǎn)規(guī)律計(jì)算跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡的主動(dòng)式跟蹤器；另一類是實(shí)時(shí)探測太陽對(duì)地位置，控制對(duì)日角度的被動(dòng)式跟蹤器。主動(dòng)式跟蹤器分為控放式與時(shí)鐘式。控放式跟蹤器的基本原理為在太陽光接收器的西側(cè)放置一偏重，作為太陽光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動(dòng)力，使太陽光接收器向西偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)制成本低廉，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源，但是該跟蹤器容易產(chǎn)生過跟蹤的情況，只能用于單軸跟蹤，精度低。時(shí)鐘式跟蹤器有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時(shí)法根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)變動(dòng)。其特點(diǎn)是電路簡單，但由于時(shí)鐘累積誤差不斷增加，系統(tǒng)的跟蹤精度很低。被動(dòng)式跟蹤常用光敏元件進(jìn)行跟蹤，將四個(gè)完全相同的光敏元件分別放置于采光板的東南西北方向，利用光敏元件在光照時(shí)參數(shù)的變化。當(dāng)太陽光垂直照射采光板，東西 (南北)兩個(gè)光敏元件接收到的光照強(qiáng)度相同，此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)太陽光線與采光板的法線有夾角時(shí)，光敏元件反應(yīng)出照度差，信號(hào)采集電路控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏元件上的光照強(qiáng)度相同。其優(yōu)點(diǎn)在于控制較精確，且電路也比較容易實(shí)現(xiàn)。但是這類跟蹤器價(jià)格昂貴，且不能適應(yīng)自然界中光線的變化，跟蹤效果不太理目前采用的方式多為固定式跟蹤，即采用簡單的算法或者沒有算法，盲目的跟蹤太陽方向。其優(yōu)點(diǎn)是裝置較簡單，成本較低；缺點(diǎn)是無法根據(jù)天氣、最大光強(qiáng)、陰影、遮擋、氣候等的變化，對(duì)跟蹤策略做出調(diào)整，達(dá)到最優(yōu)的跟蹤效果。另外，已知所有跟蹤設(shè)備都是針對(duì)太陽能發(fā)電站、太陽能熱水器等大型用電設(shè)備的。將其直接應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)還存在一些問題。首先，大型設(shè)備中配備較大的太陽能板， 使得產(chǎn)生供電功率較大，而跟蹤器轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的能耗相對(duì)產(chǎn)生能量基本可忽略，因此，此類設(shè)備可進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤而忽略電機(jī)的耗能；但是小型化、低成本是大多數(shù)傳感網(wǎng)的基本要求，要滿足此條件，配備的太陽能板較小，每天轉(zhuǎn)化的能量剛好滿足其自身需求，是最佳情況，傳感器節(jié)點(diǎn)本身都是低功耗設(shè)備，電機(jī)能耗相對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)來說成為高能耗設(shè)備，因此電機(jī)能耗不可忽略。二是傳感器網(wǎng)絡(luò)野外部署環(huán)境復(fù)雜，遮擋等情形無法避免，不能保證具有良好的光照。因此，需要設(shè)計(jì)針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的太陽能跟蹤算法，以滿足其野外長期部署的需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上問題，本發(fā)明的目的在于提供一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)太陽能跟蹤方法。在面向傳感器網(wǎng)絡(luò)可適應(yīng)復(fù)雜場景的太陽能跟蹤算法中，可以根據(jù)當(dāng)前光照強(qiáng)度，計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻與轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在對(duì)能量獲取影響較小的前提下通過減少轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)達(dá)到降低轉(zhuǎn)動(dòng)能量消耗的目的，從而提高有效能量收益。這種方法針對(duì)類似傳感器網(wǎng)絡(luò)的低能耗、 小型化設(shè)備而設(shè)計(jì)，對(duì)復(fù)雜環(huán)境具有很好的適應(yīng)性，比起目前的跟蹤方法，在有效能量獲取上更加高效。通過仿真實(shí)驗(yàn)，該算法的能量效用能夠達(dá)到98%以上。如

圖1所示，本發(fā)明面向傳感器網(wǎng)絡(luò)可適應(yīng)復(fù)雜場景的太陽能跟蹤算法包括以下步驟1)以每天作為一個(gè)大的周期進(jìn)行太陽跟蹤，在每兩次轉(zhuǎn)動(dòng)之間作為一個(gè)小的周期進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；2)每個(gè)大周期的開始，根據(jù)早上太陽光的光照方向確定太陽能板的朝向，此為大周期的初始化過程；3)每當(dāng)太陽能板與入射光線垂直時(shí)進(jìn)行初始化操作，用于清除前一次轉(zhuǎn)動(dòng)的歷史信息，主要為累加器置零、記錄此次垂直入射角度等；4)太陽能節(jié)點(diǎn)(即帶有太陽能板的傳感器節(jié)點(diǎn))以不影響傳感器節(jié)點(diǎn)工作為前提的周期T，采樣太陽能板當(dāng)前的實(shí)際功率值，并根據(jù)公式(3)與當(dāng)前偏離角度求出最大功率值，將最大功率與實(shí)際功率的差值計(jì)入累加器A ；5)當(dāng)Α·Τ e
時(shí)，即累加能量接近電機(jī)耗能的一半時(shí)，將當(dāng)前角度與垂直入射角度差的兩倍轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，并轉(zhuǎn)動(dòng)至相應(yīng)位置；其中，T是采樣實(shí)際功率的采樣周期；W為電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的耗能；6)若此次累積仍未超過W/2，則繼續(xù)周期性采樣能量。首先，當(dāng)太陽光線不直射太陽能板時(shí)，會(huì)影響太陽能板的能量轉(zhuǎn)化效率。即轉(zhuǎn)化的能量與當(dāng)前時(shí)刻的光照強(qiáng)度及偏離太陽入射法線的方向有關(guān)。在晴朗無遮擋的情況下，偏離角度越大，轉(zhuǎn)化效率越低。因此當(dāng)存在偏離角度時(shí)需要引入一調(diào)整因子的函數(shù)來獲得當(dāng)前能量與直射能量的關(guān)系?？赏ㄟ^下式擬合偏離角度θ與調(diào)整因子1( θ)的關(guān)系，其中a =0. 0003178，b = 0. 00003985。擬合效果見圖 2。
1 ( θ ) = cos θ +a · θ +b · θ 2 (1)此外，本發(fā)明提出過跟蹤的轉(zhuǎn)動(dòng)模式。常用的跟蹤方式可分為全跟蹤與間隙跟蹤。 目前大多數(shù)的太陽能發(fā)電站都采用全跟蹤方式，即太陽每轉(zhuǎn)過一個(gè)微小的角度，太陽能板緊隨其后，時(shí)刻保持與太陽光入射方向垂直。當(dāng)忽略太陽能跟蹤器電機(jī)耗能時(shí)，這種跟蹤方式可以得到最大的能量輸出。然而在類似傳感器網(wǎng)絡(luò)的微型系統(tǒng)中，相對(duì)節(jié)點(diǎn)來說，太陽板每次轉(zhuǎn)動(dòng)都消耗很大能量。前面分析可知，電機(jī)的實(shí)際耗能與其轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)緊密相關(guān)。因此，本文考慮間隙性的跟蹤方式，通過動(dòng)態(tài)優(yōu)化每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度合理的減少轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)達(dá)到節(jié)能的目的。間隙式跟蹤也分為兩種，如圖3所示一種是太陽光線偏離某一角度后，跟蹤器也轉(zhuǎn)過相同的角度與太陽光入射方向垂直，稱為正跟蹤方式；另一種是當(dāng)太陽光線偏離某一角度后，跟蹤器轉(zhuǎn)過更大的角度，此時(shí)跟蹤器法線仍與太陽光入射方向有一定的夾角，稱為過跟蹤方式。由于法線與太陽光入射方向的偏離會(huì)造成能量損失，通過將多個(gè)調(diào)整因子在時(shí)間軸上串聯(lián)即可得出標(biāo)準(zhǔn)化收益函數(shù)r(t)。標(biāo)準(zhǔn)化收益函數(shù)是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，表示在某一時(shí)刻由于偏離角度的存在與垂直時(shí)最大輸出功率的比值。偏離角度與時(shí)刻值是可以相互轉(zhuǎn)化的，地球自轉(zhuǎn)一周按M小時(shí)計(jì)，則太陽光線每轉(zhuǎn)動(dòng)1度約需要4分鐘。假設(shè)12點(diǎn)方向?yàn)?0度，則13點(diǎn)方向?yàn)?5度。圖4是正跟蹤方式與過跟蹤方式標(biāo)準(zhǔn)化收益函數(shù)的對(duì)比示意圖。通過標(biāo)準(zhǔn)化收益函數(shù)圖形能夠看出跟蹤策略，波谷對(duì)應(yīng)著太陽能板的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻，波峰對(duì)應(yīng)著與太陽光入射方向垂直的時(shí)刻，兩個(gè)波谷的時(shí)間差對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。從對(duì)比圖中可以看出，同樣達(dá)到0. 97的能量效率時(shí)，過跟蹤方式的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)比正跟蹤要少很多。因此為了達(dá)到較高的能量效率與較少的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，應(yīng)該采用過跟蹤方式。將太陽能電池在一天中各個(gè)時(shí)刻正對(duì)太陽時(shí)所能轉(zhuǎn)化的最大功率定義為最大功率輸出曲線。太陽能板因?yàn)槠x角度的存在實(shí)際獲得的功率為實(shí)際輸出功率。則實(shí)際輸出能量與最大輸出能量的比值為能量效率。能量效率的大小表征了最大值的差距，可以用來作為評(píng)價(jià)算法好壞的指標(biāo)。實(shí)際輸出能量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)消耗能量的差為有效能量。跟蹤算法的目的是通過減少轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，來降低電機(jī)能耗，從而使得有效輸出能量最大。轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)的減少意味著不能時(shí)刻保持與太陽入射光線垂直，必然減少能量輸出；轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)越少，則偏離角度越大，與輸出能量最大值的偏離也就越大。因此在轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)與偏離角度之間存在一個(gè)優(yōu)化問題。maxEE= f1 p(tyr(t)dt-nW
-rI(2)E表示有效能量。它包括兩部分，積分部分為獲得的總能量，另一部分是轉(zhuǎn)動(dòng)耗能。 其中P(t)是最大功率輸出曲線，r(t)是標(biāo)準(zhǔn)化收益函數(shù)。W為步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次消耗的能量，η為轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)。圖5為當(dāng)r(t)取圖4所示的過跟蹤曲線時(shí)，p(t)r(t)的函數(shù)曲線示例，實(shí)線表示最大功率輸出曲線P(t)，虛線是相乘后的實(shí)際功率曲線，由于偏離角度的存在產(chǎn)生了如圖所示的差值。
當(dāng)已知p(t)的變化規(guī)律時(shí)，可以通過解此優(yōu)化問題求出r(t)，進(jìn)而可得出在轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間與轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并最終確定能量效率。然而，若采用此全局優(yōu)化，必須已知P (t) 的變化規(guī)律，但每天P (t)曲線的變化都是不確定的，很難在一天中的某一時(shí)刻預(yù)測到整個(gè)一天的變化規(guī)律。如果將p(t)確定，將不能適應(yīng)天氣的動(dòng)態(tài)變化，無法得到最優(yōu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方案。為了達(dá)到快速自適應(yīng)的目的，下面將從單次轉(zhuǎn)動(dòng)角度來分析。如果太陽能板不能時(shí)刻保持與太陽光入射角度垂直，必然會(huì)造成能量輸出上的損失。若不計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)耗能，每次偏離角度越小則能量損失越少。但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)能耗不可忽略時(shí)，情況就發(fā)生了改變，因?yàn)轭l繁的轉(zhuǎn)動(dòng)可能比角度偏離損失更多的能量。因此對(duì)于單步來說，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間的確定是要解決的首要問題。若轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)過多，造成轉(zhuǎn)動(dòng)能耗比偏離損耗更大；若轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)過少，偏離角度會(huì)造成較大的能量損失。由于步進(jìn)電機(jī)存在轉(zhuǎn)動(dòng)步長的限制，通過對(duì)模型的簡化，當(dāng)角度偏離損耗與一次轉(zhuǎn)動(dòng)耗能相等時(shí)，為太陽能板轉(zhuǎn)動(dòng)的較優(yōu)時(shí)刻。通過每隔一段時(shí)間對(duì)功率進(jìn)行采樣可得出實(shí)際輸出功率，聯(lián)合當(dāng)前的偏離角度根據(jù)調(diào)整因子函數(shù)可以求出最大功率曲線，即根據(jù)公式(3)估計(jì)出最大功率，繼而可得出最大值與實(shí)際值的差值，即偏離功率損失。Pfflax (t) = Pactual (t)/1(0) (3)Ploss = Pmax-Pactual由于偏離損益函數(shù)在角度偏轉(zhuǎn)較小時(shí)變化不大，且短時(shí)間內(nèi)太陽光強(qiáng)度也不會(huì)有太大變化，為了簡化模型，降低計(jì)算復(fù)雜度，設(shè)計(jì)可快速在低頻率節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行的算法，將這兩部分面積做近似相等處理。通過解下面離散方程得到對(duì)應(yīng)時(shí)刻。如圖6所示，則轉(zhuǎn)動(dòng)角度也近似為AB間對(duì)應(yīng)夾角的兩倍。Σ ( P； — PcctuaU )xT W/2
‘(4)通過以上簡化，可以在不損失太多精度的情況下，降低了計(jì)算量，更適于在計(jì)算資源嚴(yán)重受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，并減少對(duì)其他數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)的影響。采樣周期T可以以步進(jìn)電機(jī)單位步長換算成的時(shí)間取代，g卩T = t · β s，t = 240
秒每度。常用的步進(jìn)電機(jī)不是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，只能轉(zhuǎn)過其最小步長的整數(shù)倍，設(shè)其最小步長為 β。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為本方法可以有效減少電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)能耗，使得有效能量獲取顯著增加， 并可對(duì)復(fù)雜多變環(huán)境具有很好的適應(yīng)性，圖6-圖9通過在各種天氣下的實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)全跟蹤方式、固定方式進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示如表1，本方法的能力效用都在98%以上，以接近極限值。表1、本發(fā)明方法與傳統(tǒng)方法對(duì)比結(jié)果表
權(quán)利要求
1.一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)太陽能跟蹤方法，其步驟為1)設(shè)定一調(diào)整因子函數(shù)1(Θ)，其中θ為偏離角度；所述偏離角度為太陽光照射方向與太陽能板法線的夾角；2)太陽能節(jié)點(diǎn)初始化，根據(jù)太陽光的照射方向確定太陽能板的朝向；3)初始化累加器，并記錄當(dāng)前偏離角度θ；4)太陽能節(jié)點(diǎn)以設(shè)定周期采集太陽能板的當(dāng)前實(shí)際功率值，并記錄當(dāng)前偏離角度θ；5)太陽能節(jié)點(diǎn)根據(jù)偏離角度θ與調(diào)整因子1(θ)算出當(dāng)前采樣時(shí)刻太陽能板功率最大值；6)將當(dāng)前采樣時(shí)刻太陽能板功率最大值與當(dāng)前實(shí)際功率的差值乘以采樣周期計(jì)入累加器，并判斷累加器的值是否超過設(shè)定閾值；7)如果累加器的值超過設(shè)定的閾值，則將太陽能板轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定角度后，重復(fù)步驟3) 6)；否則重復(fù)步驟4) 6)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于以天為周期對(duì)所述太陽能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于太陽能節(jié)點(diǎn)初始化時(shí)，將太陽能板的朝向正對(duì)當(dāng)前太陽光的直射方向。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述調(diào)整因子函數(shù)1(θ )為1(θ)= cos θ +a · θ +b · θ 2，其中 a = 0. 0003178，b = 0. 00003985。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述設(shè)定閾值為轉(zhuǎn)動(dòng)太陽能板所需耗能的一半。
6.如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述設(shè)定角度的大小為當(dāng)前偏離角度的 2倍。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述太陽能板功率最大值Pmax(t)的計(jì)算公式為pmax (t) = Pactual (t) /1 ( θ )，其中 Pactual (t)為實(shí)際功率值。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述偏離角度θ的計(jì)算方法為太陽能節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)采樣次數(shù)與采樣周期計(jì)算出每次采樣時(shí)的偏離時(shí)間；然后根據(jù)偏離時(shí)間算出每次采樣時(shí)太陽能板法線與太陽入射光的偏離角度。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述設(shè)定周期為10秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)太陽能跟蹤方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。本方法為1)設(shè)定一調(diào)整因子函數(shù)l(θ)；2)太陽能節(jié)點(diǎn)初始化；3)初始化累加器，并記錄當(dāng)前偏離角度θ；4)太陽能節(jié)點(diǎn)以設(shè)定周期采集太陽能板的當(dāng)前實(shí)際功率值，并記錄當(dāng)前偏離角度θ；5)太陽能節(jié)點(diǎn)計(jì)算出當(dāng)前采樣時(shí)刻太陽能板功率最大值；6)將當(dāng)前采樣時(shí)刻功率最大值與實(shí)際值的差值乘以采樣周期計(jì)入累加器，并判斷累加器的值是否超過設(shè)定閾值；7)如果累加器的值超過設(shè)定的閾值，則將太陽能板轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)定角度后，重復(fù)步驟3)～6)；否則重復(fù)步驟4)～6)。本方法可有效減少電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)能耗，使得有效能量獲取顯著增加，并具有很好的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)G05D3/00GK102339066SQ201010234400
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者劉偉, 孫利民, 朱紅松, 皇甫偉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院軟件研究所