基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集方法及系统与流程

本发明涉及一种太阳能采集方法及系统，尤其是一种基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集方法及系统，属于太阳能采集技术领域。

背景技术：

无线传感器网络作为一种发展迅速，应用前景广泛的网络技术，是当今科学研究中的热点命题。它能够运用于国防军事，环境监测，精细农业，智能家居，城市交通，医疗保健等重要领域，在国家科技发展，国际竞争中具有十分重要的战略地位。

作为产生巨大影响力的无线传感网络技术引发了学术界与工业界的高度重视与关注，一些相关的理论与科研项目应运而生，使得无线传感网络技术得到较快发展，不过许多新的问题也随之而来，其中在影响系统稳定性和持续性的能量采集方面的问题最为突出，于是在这种情况下，设计一种新兴的供电技术，即新型能量采集技术，显得尤为重要。它能够收集环境中广泛存在的各种微能量，如太阳能、振动机械能、热能等环境微能量，通过新型换能材料，如太阳能电池板、振动发电机等，将微能量转化为电能，加以储存和利用。能量采集无线传感器网络(EHWSN)的出现，在理论上，使较长时间正常运行的无线传感器网络变为可能，较大程度上解决了其能量问题。由于无线传感器网络节点数量多，分布广等特点，节点的能量采集和存储便成为制约节点寿命的主要因素。能量采集无线传感器网络能够将节点周围环境的微能量转化为电能，能有效延长节点的寿命。

太阳能的采集受到环境制约比较大，不适宜连续阴雨的工作环境，为了最大限度地利用太阳能，工程上常常采用电子技术对太阳能电池板的最大功率点进行追踪，即MPPT(Maximum Power Point Tracking)，通过对现有文献的检索发现，MPPT算法包括变步长扰动观察法、电导增量法、恒定电压法等，其中变步长扰动观察法，由于其结构简单，精确度较高，在工程实践中得到了广泛的应用。但传统的变步长扰动观察法存在以下三个方面的问题：启动功率波动较大，最大功率点追踪时间较长，追踪结束时输出功率存在非线性振荡。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集方法，该方法通过单片机能够进行最大功率点追踪，求得太阳能电池板最大功率输出电压，通过D/A转换器将最大功率输出电压值反馈到电源控制器，电源控制器使太阳能电池板保持最大功率输出，并根据光强传感器检测的前后时间段的光强之差的绝对值，判断是否需要重新追踪，能够有效实现太阳能的采集。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集系统。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集方法，所述方法包括以下步骤：

S1、单片机进行最大功率点追踪，计算得到太阳能电池板最大功率；

S2、单片机根据太阳能电池板最大功率大于太阳能电池板输出电流乘以输出电压的值，求得太阳能电池板最大功率输出电压，通过D/A转换器将最大功率输出电压值反馈到电源控制器，电源控制器使太阳能电池板保持最大功率输出；

S3、光强传感器检测当前时刻的光强S_i，并反馈给单片机；

S4、单片机利用内部定时器计时，控制延时时间为T₁，光强传感器检测延时后的光强S_i+1，并反馈给单片机；

S5、单片机判断光强S_i与光强S_i+1之差的绝对值是否大于或等于第一设定值α，若是，则改变延时时间T₁的值，使T₁的值为与初始值不同的值，并返回步骤S1；若否，则改变延时时间T₁的值，使T₁的值为初始值，并返回步骤S3。

作为一种优选方案，所述步骤S1，具体包括：

S11、根据某一时刻特定温度，光照条件下太阳能电池板的开路电压Vs(n)，计算其N倍作为启动指令电压V(n)；其中，0.5≤N≤1；

S12、检测当前时刻的太阳能电池板输出电流I(n)，计算输出功率P(n)＝V(n)I(n)；

S13、运行t₁时间后稳定，再次检测当前时刻的太阳能电池板输出电压V(n+1)和输出电流I(n+1)，计算输出功率P(n+1)＝V(n+1)I(n+1)；

S14、计算两次检测的电压差值△V与功率差值△P，若两个差值的正负情况相同，则下次扰动的步长△D为正值，若两个差值的正负情况相反，则下次扰动的步长△D为负值；

S15、判断电压差值△V的波动范围，若波动范围小于第二设定值β，则保持V(n)不变，扰动结束，认为太阳能电池板输出电压稳定在最大功率点，计算得到太阳能电池板最大功率，否则，返回步骤S13。

作为一种优选方案，所述步骤S14，具体包括：

计算两次检测的电压差值△V，△V＝V(n+1)－V(n)，以及两次检测的功率差值△P，△P＝P(n+1)－P(n)；

在电压差值△V大于0时，判断功率差值△P是否大于0，若是，则下次扰动的步长△D为正值，若否，则下次扰动的步长△D为负值；

在电压差值△V小于0时，判断功率差值△P是否大于0，若是，则下次扰动的步长△D为负值，若否，则下次扰动的步长△D为正值。

作为一种优选方案，步骤S5中，所述第一设定值α的取值为2000。

作为一种优选方案，步骤S5中，所述延时时间T₁的初始值为15min，与初始值不同的值为5min。

作为一种优选方案，步骤S11中，所述N的取值为0.8。

作为一种优选方案，步骤S15中，所述第二设定值β的取值为0.3。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

实现上述方法的基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集系统，所述系统包括太阳能电池板、电源控制器、超级电容、单片机、光强传感器和D/A转换器，所述单片机分别与太阳能电池板、电源控制器、光强传感器和D/A转换器连接，所述电源控制器分别与太阳能电池板、超级电容和D/A转换器连接；

所述单片机，用于对算法进行编译、运行处理，根据不同环境条件下太阳能电池板的输出电压，计算不同情况下最大功率点对应的电压值；

所述电源控制器，用于改变太阳能电池板的输出电压；

所述D/A转换器，用于将单片机输出的数字信号转化为控制电源控制器的模拟信号。

作为一种优选方案，所述超级电容的两端并联一个滑动变阻器。

作为一种优选方案，所述单片机选用TI公司的MSP430RF2274单片机；所述电源控制器选用TI公司的BQ25504电源控制器；所述D/A转换器选用TI公司的TLV5638芯片；所述光强传感器选用TAOS公司的TSL2561光强传感器；所述太阳能电池板的最大输出电压不超过6V；所述超级电容的最大工作电压不超过5.5V。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明方法通过单片机能够进行最大功率点追踪，求得太阳能电池板最大功率输出电压，通过D/A转换器将最大功率输出电压值反馈到电源控制器，电源控制器使太阳能电池板保持最大功率输出，并根据光强传感器检测的前后时间段的光强之差的绝对值，判断是否需要重新追踪，能够有效实现太阳能的采集。

2、本发明方法在单片机进行最大功率点追踪时，采用了改进的变步长扰动观察法，针对启动功率波动较大和追踪时间较长的问题，改进的变步长扰动观察法设定系统的启动指令电压；针对追踪结束时输出功率存在非线性振荡的问题，将相邻采样时刻的电压差值进行波动范围计算，符合波动范围时则保持输出电压不改变，追踪精度高，有效解决了普通变步长扰动观察法启动功率波动较大，最大功率点追踪时间较长的问题，追踪结束时输出功率实现线性振荡，最大功率点追踪的稳定性较高，能量损失较小，在能量采集无线传感器网络的太阳能采集领域有广泛的应用前景。

3、本发明方法以太阳能电池板开路电压的N倍(优选为0.8)作为系统算法启动的指令电压，有效减小了系统启动时的功率波动。

4、本发明系统在针对能量存储方面的问题，使用充放电次数较高的超级电容，以此到达延长整个系统寿命的目的，设计相关的优化电路；同时，为了加快超级电容的充电速度，在超级电容两端并联一个滑动变阻器。

5、本发明系统中，单片机选用TI公司的MSP430RF2274单片机；所述电源控制器选用TI公司的BQ25504电源控制器；所述D/A转换器选用TI公司的TLV5638芯片，T1公司出产的这些芯片都具有功耗极低的特点。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集系统结构框图。

图2为本发明实施例1的基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集方法流程图。

图3为本发明实施例1的基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集方法中最大功率点追踪算法流程图。

图4为本发明实施例1的基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集方法中最大功率点追踪算法MATALB仿真结果图。

其中，1-太阳能电池板，2-电源控制器，3-超级电容，4-单片机，5-光强传感器，6-D/A转换器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集系统，该系统包括太阳能电池板1、电源控制器2、超级电容3、单片机4、光强传感器5和D/A转换器6，所述单片机4分别与太阳能电池板1、电源控制器2、光强传感器5和D/A转换器6连接，所述电源控制器2分别与太阳能电池板1、超级电容3和D/A转换器6连接；

所述太阳能电池板1的最大输出电压不超过6V，太阳能电池板1的原理是：光照在单或多晶硅太阳能电池版黑色的表面上时，一部分光子被珪吸收；光子的能量的硅原子、电子发生跃迁，自由电子在p-n结两侧形成了集聚优势，外部电位的电路连接,在该电压的作用,电流流动的外部电路输出。这个过程的实质是原子能量转换过程，产生了电能并由电池板输出。太阳能发电方式主要有两种形式,光—热—电转换和光—电直接转换方式。

1)光—热—电转换(Solar-thermal-electricity)，太阳辐射产生的热利用发电，一般是由太阳能集热器(如汽轮发电机，核能发电机组等)吸收的能量。汽轮发电机就是由大量的热量加热水所产生的的蒸气,再驱发电机发电。太阳能热发电的缺点是效率很低,据国外专家估计一个现代化的正常运行且达到一定规模的光伏发电站，投资至少要比现在的正常的火电站贵5-10倍。1000mw的太阳能需要沿投资20-25亿美元,平均1kw的投资为2k-2.5k。

2)光—电直接转换方式(Solar-electricity)利用的是太阳辐射功能电效果直接转换成电能，典型的设备就是太阳能电池板。太阳能电池基本原理光生伏特效应，电路模型是一个半导体光电二极管。太阳光照到光电二极管时，光电二极管就会产生电流的。许多电池串联和并联结合就能实现一定的功率输出。

所述超级电容3的最大工作电压不超过5.5V，使用充放电次数较高的超级电容3，以此到达延长整个系统寿命的目的，超级电容3的两端并联一个滑动变阻器，能够加快超级电容3的充电速度。

所述单片机4选用TI公司的MSP430RF2274单片机，该单片机具有多通道ADC模块，SPI和I²C串口通信模块，多个时钟源，看门狗等功能，作用是对算法进行编译、运行处理，根据不同环境条件下太阳能电池板1的输出电压，计算不同情况下最大功率点对应的电压值；

所述电源控制器2实质是DC-DC变换电路，选用TI公司的BQ25504电源控制器，其作用是改变太阳能电池板1的输出电压；

所述D/A转换器6选用TI公司的TLV5638芯片，起到连接单片机4与电源控制器2的作用，能够将单片机4输出的数字信号转化为控制电源控制器2的模拟信号。

单片机4、电源控制器2和D/A转换器6选用的都是TI公司的芯片，T1公司出产的这些芯片都具有功耗极低的特点，具体如下：

1)TI公司的BQ25504电源控制器，第一个闪bq25504新型智能集成能源开采功耗管理的解决方案,非常适合复杂需求的超低功耗应用。该元件经过设计、光伏(太阳能)发电机和热电发电机等各种直流源中生成的瓦片(μ毫瓦)中提取的输出级和管理。BQ25504已经率先实现了电源和运行要求的产品和系统(例如，无线传感器网络(WSN))的高效地升压转换器/充电器；BQ25504设计始于微瓦功率即可的DC-DC/DC升压充电器；介于(价值)静电低于330nA，电压：启动330mV；可编入方案的高功率直流电源(典型应用是MPPT项目)。

2)TI公司MSP430RF2274单片机，是著名的低功耗MSP430家族的一员，它具有通用IO口、LED灯广告，中断接口，PWM，串行端口，SPI接口，下载界面和其他功能，当然一些芯片没有这些功能。单纯的开发板不能直接连接到电脑，需要写机器或JTAG仿真器或ISP适配器运行程序下载到芯片。CPU模块可以使用任何pqfq64和tqfp64封装的MSP430系列的芯片。提供430开发板所选择的f149a型产品和b型产品的基础，它是一种适配器上的主板相连，用户购买或自行制作适配器，来替换CPU类型分别为升级的目的。目前，系统支持所有的PQFP64(pm)和tqfp64(PAG)组装的MSP430f1xxx系列的芯片；自发性低功耗模型的双串口通信模块具有双串口支持菜单的芯片，双串口MSP430的f14xx设备(f16xx以下)的EDB430uart0和uart1设计了一个rs232电平转换接口，分别连接到这些设备的各串口。优质的仪器串口(f13x,f15x)为电池系统使用条件。这个接口为自发性低消耗功能，具体是数据数十微秒(根据所采用的芯片)、发送器自动进入低消耗状态。数据传送时，自动唤醒工作；八号的输入及输出模块(扩展I²C接口，键盘和x32个LED公用)。

3)充分利用MSP430的资源，同时包装430系列能够控制更多的数字，EDB430进出口、输入采用了I²C接口的I/O扩展芯片PCF8574T——不过，那也只是飞利浦半导体(或兼容产品)的低功耗I/O扩展芯片的中断能力。使用该芯片的配置情况下，跳线输入CPU脱离。它的I/O口的输入和输出，或者直接使用板上的键盘矩阵和两个LED指示灯和键盘输入功能；在规格3x3键盘和两个指示LED；使用的时候PCF8574T键盘、指示功能的时候，EDB430的机械键盘接口，通过中断方式使系统所利用的用户发出的指令，用户软件定义的功能；精密低温飘忽不定可调外部参考电压为1.25v-3.0v±1.5％；外部的参考电压模块提供一个最高的±1.3％的误差的精密低温它的可调参考电源，代替CPU内部提供的参考来源。使用者不需要高精度的信号处理，可以作为ADC转换器的参考电源。接近事实为电池系统使用条件，这个接口为自发性低消耗功能，具体是数据数十微秒，同时在使用板转换器时，能够提供一个参考；四通路输入及输出轨道是并行模拟信号缓冲模块带ESD保护执行的，因此，模拟信号增加了430提供四通道模拟信号缓冲电路的信号隔离，降低对信号的影响，一种低功耗连续运放四输入输出轨道的一个电压跟随器的形式被使用；四通道八位的可转换模块(SPI接口)，其他精度的ADC需要扩大。提供430，从模拟转换TLV 5620用数字，但这些并非是TI公司生产的四声道SPI接口的八位数字模拟转换器中，独立或更新每个通道的能量；一个差动信号放大模块；为了获得外部信号输入的条件下，在A/D程序设计实验的同时，也为几个应用开发提供了可能，EDB430是一个简单的差分放大器，电源的电流对扩张的一板所估计的高信号，便于评价和实验，通过部署JP200可测量电源电压、电流输入；在板并口输入FLASH仿真模块。为了对抗TSSOP SOIC封装MSP430系列，EDB430的JTAG设置跳线行驶的JTAP送到打印机的插槽中，有一个可以集成DIP28插座，TSSOP SOIC，转DIP的适配器，EDB430开设板上资源调试系统；电源模块输出+3.3v和+5v、主电源指示，输出过压保护。在发光二极管(LED)的指示；22x30插槽(b型液晶模块使用插槽，一个)。这两种扩张EDB430口，60个引脚排针在包含了MSP430(PQFP64)的所有信号和附加的一些电源等。用户自己的应用系统，例如信号前端、I/O、通信接口等。设计而不必重复以前已经设计过的那部分，因此，有更多的时间为构建应用系统的原型验证的算法和快速向客户演示的裸机等等；20×2点阵字符液晶模块，spi接口(提供430b型)；外部I²C存储器扩展模块。

基于上述系统，本实施例还提供了一种基于能量采集无线传感器网络节点的太阳能采集方法，该方法如图2所示，包括以下步骤：

S1、单片机进行最大功率点追踪，计算得到太阳能电池板最大功率；

S2、单片机根据太阳能电池板最大功率大于太阳能电池板输出电流乘以输出电压的值，求得太阳能电池板最大功率输出电压，通过D/A转换器将最大功率输出电压值反馈到电源控制器，电源控制器使太阳能电池板保持最大功率输出；

S3、光强传感器检测当前时刻的光强S_i，并反馈给单片机；

S4、单片机利用内部定时器计时，控制延时时间为T₁(初始值为15min)，光强传感器检测延时后的光强S_i+1，并反馈给单片机；

S5、单片机判断光强S_i与光强S_i+1之差的绝对值是否大于或等于第一设定值α(第一设定值α的优选取值为2000)，若是，说明在T₁时间间隔内，环境光照强度变化较大，太阳能电池板最大功率输出电压剧烈，需要重新追踪，单片机改变延时时间T₁的值，使T₁的值为与初始值不同的值，本实施例优选使T₁＝5min，并返回步骤S1；若否，则改变延时时间T₁的值，使T₁的值为初始值，即T₁＝15min，并返回步骤S3。

目前常用的最大功率点追踪算法主要有：恒定电压法、开路电压法、扰动观察法和电导增量法等等，各个算法的主要特点如下：

1)恒定电压法优点是算法简单，缺点是环境温度变化剧烈时误差大；

2)开路电压法优点是开路电压易于检测，缺点是取经验值而导致精确度不高；

3)电导增量法优点是精确度高、稳定性能好，缺点是算法复杂，需配合精密仪器；

4)扰动观察法优点是思路简单、控制精度高，但存在以下三个方面的问题：启动功率波动较大，最大功率点追踪时间较长，追踪结束时输出功率存在非线性振荡；

本实施例的步骤S1针对扰动观察法进行改进，采用的是改进的变步长扰动观察法，如图3所示，具体包括：

S11、根据某一时刻特定温度，光照条件下太阳能电池板的开路电压Vs(n)，计算其N倍作为启动指令电压V(n)；其中，0.5≤N≤1，优选为0.8，以太阳能电池板开路电压的0.8倍作为系统算法启动的指令电压，有效减小了系统启动时的功率波动；

S12、检测当前时刻的太阳能电池板输出电流I(n)，计算输出功率P(n)＝V(n)I(n)；

S13、运行t₁时间后稳定，再次检测当前时刻的太阳能电池板输出电压V(n+1)和输出电流I(n+1)，计算输出功率P(n+1)＝V(n+1)I(n+1)；

S14、计算两次检测的电压差值△V与功率差值△P，若两个差值的正负情况相同，则下次扰动的步长△D为正值，若两个差值的正负情况相反，则下次扰动的步长△D为负值；具体包括：

计算两次检测的电压差值△V，△V＝V(n+1)－V(n)，以及两次检测的功率差值△P，△P＝P(n+1)－P(n)；

在电压差值△V大于0时，判断功率差值△P是否大于0，若是，则下次扰动的步长△D为正值，若否，则下次扰动的步长△D为负值；

在电压差值△V小于0时，判断功率差值△P是否大于0，若是，则下次扰动的步长△D为负值，若否，则下次扰动的步长△D为正值。

S15、判断电压差值△V的波动范围，若波动范围小于第二设定值β(第二设定值β的优选取值为0.3)，则保持V(n)不变，扰动结束，认为太阳能电池板输出电压稳定在最大功率点，计算得到太阳能电池板最大功率，否则，返回步骤S13。

如图4所示，改进的变步长扰动观察法有效解决了普通变步长扰动观察法启动功率波动较大，最大功率点追踪时间较长的问题，追踪结束时输出功率实现线性振荡。

综上所述，本发明方法通过单片机能够进行最大功率点追踪，求得太阳能电池板最大功率输出电压，通过D/A转换器将最大功率输出电压值反馈到电源控制器，电源控制器使太阳能电池板保持最大功率输出，并根据光强传感器检测的前后时间段的光强之差的绝对值，判断是否需要重新追踪，能够有效实现太阳能的采集；同时，在单片机进行最大功率点追踪时，采用了改进的变步长扰动观察法，针对启动功率波动较大和追踪时间较长的问题，改进的变步长扰动观察法设定系统的启动指令电压；针对追踪结束时输出功率存在非线性振荡的问题，将相邻采样时刻的电压差值进行波动范围计算，符合波动范围时则保持输出电压不改变，追踪精度高，有效解决了普通变步长扰动观察法启动功率波动较大，最大功率点追踪时间较长的问题，追踪结束时输出功率实现线性振荡，最大功率点追踪的稳定性较高，能量损失较小，在能量采集无线传感器网络的太阳能采集领域有广泛的应用前景。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。