CN108964236A - 面向传感网应用的自追踪太阳能收集*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，包括微型控制芯片、能量收集模块和状态检测模块，能量收集模块包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、锂电池和姿态调整组件，太阳能电池板通过阳能充电控制器连接锂电池，太阳能电池板设于姿态调整组件上，姿态调整组件连接微型控制芯片，状态检测模块包括电量检测单元、光强探测模块和风速检测控制器，能量收集模块为整个面向传感网应用的自追踪太阳能收集***提供电量，能量收集模块并向传感器节点输出电能。该***通过采用太阳能转化的电能，解决了无线无源传感器网络节点供电问题，节能环保，可以大大延长耗电设备的电池寿命，提高设备的稳定性和可靠性。

Description

面向传感网应用的自追踪太阳能收集***

技术领域

本发明涉及一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集***。

背景技术

现阶段的无线传感器网络通常是集成了监测、控制以及无线通信的网络***，节点数目庞大，节点分布密集。目前的节点通常使用微型电池供电，能量供给受限。而有限的能量供应严重影响了传感器网络的大规模推广应用。有效地从外部环境获取能量，对于低功耗的无线传感器网络具有重要意义，将可以再延长节点寿命同时减少网络维护成本。由此可知，设计一个高效、可靠的能量收集器显得尤为必要。

随着人们的环保意识越来越强，光伏发电***的应用普遍受到社会重视，其原因在于它能提供用之不竭的可持续再生电能，并且几乎不对人类赖以生存的自然环境造成影响。目前市面上的太阳能收集转化效率还不够高，除开光伏发电材料的限制，较为关键的一个因素是太阳光存在着光照的间歇性、空间分布不断变化的特点，固定位置的电池板不能最大限度地接收太阳光的能量，同时相对高昂的发电装置成本也是制约其大规模应用的重要因素。研制具有实用价值的阳光随动***以降低成本，是促进太阳能广泛应用的主要途径之一。

针对无线传感网络广泛利用和实现仍存在的供电需求，如何将太阳能供电技术与无线传感器网络结合，实现无线传感器网络有效利用太阳能，对于延长节点寿命、降低无线传感器的维护成本具有十分重要的意义，因此这已经成为传感器网络领域研究的热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，针对传感器节点能量收集效率低的缺点，能够提高太阳能收集器的光电转换效率，在一定程度上解决无线传感器网络节点的供电问题，有效地延长传感器网络节点寿命，提高网络节点的稳定性和可靠性，减少因更换、维护对传感器网络节点造成的节点数据丢失问题和人力资源损耗问题。

本发明的技术解决方案是：

一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，包括微型控制芯片、能量收集模块和状态检测模块，能量收集模块包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、锂电池和姿态调整组件，锂电池采用可充电锂电池，太阳能电池板通过阳能充电控制器连接锂电池，太阳能电池板设于姿态调整组件上，姿态调整组件连接微型控制芯片，状态检测模块包括电量检测单元、光强探测模块和风速检测控制器，电量检测单元分别连接锂电池与微型控制芯片，微型控制芯片还连接光强探测模块，风速检测控制器与微型控制芯片连接，能量收集模块为整个面向传感网应用的自追踪太阳能收集***提供电量，能量收集模块并向传感器节点输出电能。

进一步地，能量收集模块还包括电池电压检测模块，锂电池通过电池电压检测模块连接太阳能充放电控制器。

进一步地，能量收集模块还包括稳压模块，稳压模块的输入端口接太阳能充放电控制器的负载输出端，稳压模块的输出端口提供5伏电源为面向传感网应用的自追踪太阳能收集***电，稳压模块的输出端口并为外部传感器节点供电。

进一步地，光强探测模块将光照的差值信息转化为电压模拟量的差值信息，微型控制芯片读取到差值信息进行计算后，获得太阳能电池板相对太阳光光线的角度信息，姿态调整组件采用舵机，微型控制芯片收到光强差别信号后发送姿态调整信号到姿态调整组件，姿态调整组件根据调整信号对太阳能电池板的俯仰角和水平角进行修正。

进一步地，太阳能充放电控制器将锂电池的输出电压控制在安全范围，且控制锂电池输出的同时充电，实现电池的充放电同时性，并在锂电池电压过低时太阳能充放电控制器会切断电池的输出，保护电池防止欠压。

进一步地，在光照强度达到设定阈值前提下，进入追踪模式：

S11、太阳能电池板上附带的光强探测模块通过光敏元件，把光照强度转化为模拟量，并通过导线和分压电阻把模拟量成比例缩小至微型控制芯片可测量的范围；

S12、微型控制芯片通过模数转换器将采集光敏模块的电压值并将其转化为数字量，在微型控制芯片上进行处理比较之后得出四方位光照强度的大小，通过光强的差值判断出太阳能电池板相对于太阳光直射方向的偏转位置；

S13、得到太阳能电池板相对于太阳光直射方向的偏转角后的微型控制芯片向舵机发送控制信号使其对太阳能电池板进行角度修正。

进一步地，能量收集模块的实现过程为，

S21、阳光照射到太阳能电池板后，太阳能电池板的输出端产生电势差，经太阳能充放电控制器进行稳压后接至锂电池进行充电；

S22、在锂电池的电压值上升至饱和时进行涓流充电；

S23、太阳能充放电控制器利用太阳能电池板获取到的电能通过PWM波为锂电池间歇充电，太阳能充放电控制器利用充电控制间歇将锂电池的电能输出到太阳能充放电控制器的输出口，太阳能充放电控制器的输出口为整个面向传感网应用的自追踪太阳能收集***提供电量，并向传感器节点输出电能；

S24、微型控制芯片通过比例降压电路读取分压后的电压模拟值，通过该模拟值计算出锂电池实际电压，进而通过锂电池放电曲线计算出电池的剩余电量，同时将电池电量输出至显示器。

进一步地，该面向传感网应用的自追踪太阳能收集***进行危险预警控制的过程为：

S31、风速检测器直接由锂电池供电，并连接微型控制芯片，微型控制芯片将直接从风速检测器读取到的电压量，进行信号处理后进行设定阈值比较，如风速超出设定阈值则微型控制芯片处于***保护断开锂电池对舵机的供电。

S32、当风速降低，风速检测器的输出电压也随之降低，微型控制芯片检测到电压降低到设定阈值以下后开启计时，若等待设定时间后电压仍低于设定阈值，则微型控制芯片恢复锂电池对舵机的供电，太阳能电池板重新追光。

进一步地，电量检测单元利用电压检测法测量锂电池电量，微型控制芯片利用锂电池输出电压的大小判断锂电池剩余电量，并且将剩余电量信息通过数据线发送至传感器节点，传感器节点进行***耗电决策的制定；微型控制芯片与传感器节点的控制单元进行通信，将锂电池的电量信息、工作状态发送给传感器节点，并接受来自传感器节点的控制信号，根据控制信号完成工作模式的选择。

进一步地，能源收集模块中的太阳能充放电控制器用于改进传感器网络节点的供电方式，实时监测太阳能的收集效率，若转换效率高即太阳能电池板输出电压大于等于18伏，则太阳能电池板上的太阳能锂电池为传感器网络节点供电并将多余电能存入可充电锂电池中，若转换效率低即太阳能电池板输出电压大于15伏小于18伏但尚足够传感器网络节点工作使用，则太阳能锂电池只为传感器网络节点供电，若太阳能电池提供的电量不足以供节点工作使用即太阳能电池板输出电压大于等于15伏，则传感器网络节点由可充电锂电池直接供电，太阳能电池板收集电量供给可充电锂电池。

本发明的有益效果是：

一、该种面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，通过采用太阳能转化的电能，解决了无线无源传感器网络节点供电问题，节能环保，可以大大延长耗电设备的电池寿命，提高设备的稳定性和可靠性，减少因更换或者维护设备而可能造成的数据丢失问题和人力资源损耗问题。

二、本发明能够实现对太阳方位角的准确跟踪，达到准确控制太阳能电池板的偏转角的目的，从而使光线垂直照射在太阳能电池板上提高太阳能收集效率，并针对强风这一类的恶劣气候设定了危险预警控制，提升了装置的安全性。

三、本发明具有结构简单、体型小巧、实用性强、维护方便的特点。

四、本发明通过危险预警控制增加了***安全性，降低了后期维护的费用。

附图说明

图1是本发明实施例面向传感网应用的自追踪太阳能收集***的说明示意图；

图2是实施例中面向传感网应用的自追踪太阳能收集***的线路连接示意图。

图3是实施例中面向传感网应用的自追踪太阳能收集***的追踪模式的说明示意图。

图4是实施例中面向传感网应用的自追踪太阳能收集***中能量收集模块的实现过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，如图1，包括微型控制芯片、能量收集模块和状态检测模块，能量收集模块包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、锂电池和姿态调整组件，锂电池采用可充电锂电池，太阳能电池板通过阳能充电控制器连接锂电池，太阳能电池板设于姿态调整组件上，姿态调整组件连接微型控制芯片，状态检测模块包括电量检测单元、光强探测模块和风速检测控制器，电量检测单元分别连接锂电池与微型控制芯片，微型控制芯片还连接光强探测模块，风速检测控制器与微型控制芯片连接，能量收集模块为整个面向传感网应用的自追踪太阳能收集***提供电量，能量收集模块并向传感器节点输出电能。

该种面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，通过采用太阳能转化的电能，解决了无线无源传感器网络节点供电问题，节能环保，可以大大延长耗电设备的电池寿命，提高设备的稳定性和可靠性，减少因更换或者维护设备而可能造成的数据丢失问题和人力资源损耗问题。

如图2，实施例能量收集模块还包括电池电压检测模块，锂电池通过电池电压检测模块连接太阳能充放电控制器。能量收集模块还包括稳压模块，稳压模块的输入端口接太阳能充放电控制器的负载输出端，稳压模块的输出端口提供5伏电源为面向传感网应用的自追踪太阳能收集***电，稳压模块的输出端口并为外部传感器节点供电。

能量收集单元通过太阳能电池板的光电转化功能将太阳能转化为电能，经由稳定模块和太阳能充放电控制器之后储存到锂电池中；电量检测单元通过对锂电池电压监控发送给微型控制芯片，微型控制芯片经计算得出电池剩余电量；姿态调整组件接受微型控制芯片的信号实现对太阳能电池板的姿态调整功能。

太阳能充放电控制器实现锂电池的充放电精确控制，使锂电池完成充放电同时进行的功能；太阳能充放电控制器的输出口为整个面向传感网应用的自追踪太阳能收集***提供电量，并向传感器节点输出电能。光强探测模块通过对光照强度的检测比较得出电池板相对阳光需要做的角度调整信息；风速检测控制器时刻监视外界风速并将信息实时发送给微型控制芯片。微型控制芯片是整个能量收集模块的核心，负责处理各种信息并调控设备的状态使设备的各个组件实现能量的合理分配。

光强探测模块将光照的差值信息转化为电压模拟量的差值信息，微型控制芯片读取到差值信息进行计算后，获得太阳能电池板相对太阳光光线的角度信息，姿态调整组件采用舵机，微型控制芯片收到光强差别信号后发送姿态调整信号到姿态调整组件，姿态调整组件根据调整信号对太阳能电池板的俯仰角和水平角进行修正。

实施例***能够实现对太阳方位角的准确跟踪，达到准确控制太阳能电池板的偏转角的目的，从而使光线垂直照射在太阳能电池板上提高太阳能收集效率，并针对强风这一类的恶劣气候设定了危险预警控制，提升了装置的安全性。

实施例中，太阳能充放电控制器将锂电池的输出电压控制在安全范围，且控制锂电池输出的同时充电，实现电池的充放电同时性，并在锂电池电压过低时太阳能充放电控制器会切断电池的输出，保护电池防止欠压。

光强检测模块附着在太阳能电池板上，并直接与微型控制芯片相连。能源收集模块能够将太阳能电池板接收到的光能装换为电能供传感器节点使用。电量检测单元能够读取锂电池电压及剩余电量，并通过微型控制芯片的串口线将电量信息发送至传感器节点。

电量检测单元利用电压检测法测量锂电池电量，微型控制芯片利用锂电池输出电压的大小判断锂电池剩余电量，并且将剩余电量信息通过数据线发送至传感器节点，传感器节点进行***耗电决策的制定；微型控制芯片与传感器节点的控制单元进行通信，将锂电池的电量信息、工作状态发送给传感器节点，并接受来自传感器节点的控制信号，根据控制信号完成工作模式的选择。

实施例***的能源收集模块中的太阳能充放电控制器用于改进传感器网络节点的供电方式，实时监测太阳能的收集效率，若转换效率高即太阳能电池板输出电压大于等于18伏，则太阳能电池板上的太阳能锂电池为传感器网络节点供电并将多余电能存入可充电锂电池中，若转换效率低即太阳能电池板输出电压大于15伏小于18伏但尚足够传感器网络节点工作使用，则太阳能锂电池只为传感器网络节点供电，若太阳能电池提供的电量不足以供节点工作使用即太阳能电池板输出电压大于等于15伏，则传感器网络节点由可充电锂电池直接供电，太阳能电池板收集电量供给可充电锂电池。

实施例***能够实现低功耗高效率收集。太阳能电池板和可充电锂电池与太阳能充放电控制器相连，太阳能充放电控制器具有稳压输入、PWM充电输出和直流锂电池直连输出的功能。

实施例中，如图3，在光照强度达到设定阈值前提下，进入追踪模式：

S11、太阳能电池板上附带的光强探测模块通过光敏元件，把光照强度转化为模拟量，并通过导线和分压电阻把模拟量成比例缩小至微型控制芯片可测量的范围；

S12、微型控制芯片通过模数转换器将采集光敏模块的电压值并将其转化为数字量，在微型控制芯片上进行处理比较之后得出四方位光照强度的大小，通过光强的差值判断出太阳能电池板相对于太阳光直射方向的偏转位置；

S13、得到太阳能电池板相对于太阳光直射方向的偏转角后的微型控制芯片向舵机发送控制信号使其对太阳能电池板进行角度修正。修正过程消耗的时间以稍大于太阳能电池偏转最大角所需的时间为基准。

实施例中，如图4，能量收集模块的实现过程为，

S21、阳光照射到太阳能电池板后，太阳能电池板的输出端产生电势差，经太阳能充放电控制器进行稳压后接至锂电池进行充电；由于太阳能电池板的输出端产生的电势差不稳定，故需经过充电控制端口稳压，稳压后接至锂电池即可为其充电。

S22、在锂电池的电压值上升至饱和时进行涓流充电；锂电池充电至饱和电压值时继续采取大电流充电将导致电池过充，损坏几率增加。所以当电压值上升至饱和阈值时进行稳压涓流充电即不大于280毫安充电。最大限度保护电池寿命，延长设备使用时间。

S23、太阳能充放电控制器利用太阳能电池板获取到的电能通过PWM波为锂电池间歇充电，太阳能充放电控制器利用充电控制间歇将锂电池的电能输出到太阳能充放电控制器的输出口，太阳能充放电控制器的输出口为整个面向传感网应用的自追踪太阳能收集***提供电量，并向传感器节点输出电能；

S24、微型控制芯片通过比例降压电路读取分压后的电压模拟值，通过该模拟值计算出锂电池实际电压，进而通过锂电池放电曲线计算出电池的剩余电量，同时将电池电量输出至显示器。方便观察锂电池状态。

实施例中，该面向传感网应用的自追踪太阳能收集***进行危险预警控制的过程为：

S31、风速检测器直接由锂电池供电，并连接微型控制芯片，微型控制芯片将直接从风速检测器读取到的电压量，进行信号处理后进行设定阈值比较，如风速超出设定阈值则微型控制芯片处于***保护断开锂电池对舵机的供电。实施例中，太阳能电池板通过平放来回避强风，所以舵机断电后，太阳能电池板失去支持力会回到水平位置从而减少受到风力的面积。

S32、当风速降低，风速检测器的输出电压也随之降低，微型控制芯片检测到电压降低到设定阈值以下后开启计时，若等待设定时间后电压仍低于设定阈值，则微型控制芯片恢复锂电池对舵机的供电，太阳能电池板重新追光。

实施例***进行危险检测控制，能够利用传感器结点检测气候状况，对太阳能板的放置位置进行调整，例如大风时，调整太阳能板为水平位置减少风力受力面积，降低能源收集装置的遇害风险。

实施例***具有危险预警功能和自我保护机制，利用风速检测控制器时刻监视环境风速信息，并将信息发送给微型控制芯片，一旦环境出现可威胁到***的情况就立刻采取相应措施保护***不受损坏。实施例针对传感网络搭建的太阳能追踪器，能够解决因为传感器网络所处环境多样性和不可预估的特征造成的能量供应等问题。

通过以上说明可见，实施例能够有效提高能量收集效率，其中提出的能量收集模块可在不更换电池的情况下一直工作，减少因更换或者维护传感器网络节点供电模块而造成的节点数据问题和人力资源问题，以解决传感网络节点的能量供应问题，节能环保，大大延长无人监管网络的***寿命。同时，所述网络节点还具有结构简单、体型小巧、实用性强、维护方便的特点。另外，针对传感网的能量供应问题设计出的本***，同样可以应用于其他无人监管、能量供应成本高、能源供应模块维护困难的节点或探测器。节约了社会资源，提高了产能。且对于环境的污染也降低到了最小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：包括微型控制芯片、能量收集模块和状态检测模块，能量收集模块包括太阳能电池板、太阳能充电控制器、锂电池和姿态调整组件，锂电池采用可充电锂电池，太阳能电池板通过阳能充电控制器连接锂电池，太阳能电池板设于姿态调整组件上，姿态调整组件连接微型控制芯片，状态检测模块包括电量检测单元、光强探测模块和风速检测控制器，电量检测单元分别连接锂电池与微型控制芯片，微型控制芯片还连接光强探测模块，风速检测控制器与微型控制芯片连接，能量收集模块为整个面向传感网应用的自追踪太阳能收集***提供电量，能量收集模块并向传感器节点输出电能。

2.如权利要求1所述的面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：能量收集模块还包括电池电压检测模块，锂电池通过电池电压检测模块连接太阳能充放电控制器。

3.如权利要求2所述的面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：能量收集模块还包括稳压模块，稳压模块的输入端口接太阳能充放电控制器的负载输出端，稳压模块的输出端口提供5伏电源为面向传感网应用的自追踪太阳能收集***电，稳压模块的输出端口并为外部传感器节点供电。

4.如权利要求1所述的面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：光强探测模块将光照的差值信息转化为电压模拟量的差值信息，微型控制芯片读取到差值信息进行计算后，获得太阳能电池板相对太阳光光线的角度信息，姿态调整组件采用舵机，微型控制芯片收到光强差别信号后发送姿态调整信号到姿态调整组件，姿态调整组件根据调整信号对太阳能电池板的俯仰角和水平角进行修正。

5.如权利要求1所述的面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：太阳能充放电控制器将锂电池的输出电压控制在安全范围，且控制锂电池输出的同时充电，实现电池的充放电同时性，并在锂电池电压过低时太阳能充放电控制器会切断电池的输出，保护电池防止欠压。

6.如权利要求1-5任一项所述的面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：在光照强度达到设定阈值前提下，进入追踪模式：

S11、太阳能电池板上附带的光强探测模块通过光敏元件，把光照强度转化为模拟量，并通过导线和分压电阻把模拟量成比例缩小至微型控制芯片可测量的范围；

S12、微型控制芯片通过模数转换器将采集光敏模块的电压值并将其转化为数字量，在微型控制芯片上进行处理比较之后得出四方位光照强度的大小，通过光强的差值判断出太阳能电池板相对于太阳光直射方向的偏转位置；

S13、得到太阳能电池板相对于太阳光直射方向的偏转角后的微型控制芯片向舵机发送控制信号使其对太阳能电池板进行角度修正。

7.如权利要求3所述的面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：能量收集模块的实现过程为，

S21、阳光照射到太阳能电池板后，太阳能电池板的输出端产生电势差，经太阳能充放电控制器进行稳压后接至锂电池进行充电；

S22、在锂电池的电压值上升至饱和时进行涓流充电；

S23、太阳能充放电控制器利用太阳能电池板获取到的电能通过PWM波为锂电池间歇充电，太阳能充放电控制器利用充电控制间歇将锂电池的电能输出到太阳能充放电控制器的输出口，太阳能充放电控制器的输出口为整个面向传感网应用的自追踪太阳能收集***提供电量，并向传感器节点输出电能；

S24、微型控制芯片通过比例降压电路读取分压后的电压模拟值，通过该模拟值计算出锂电池实际电压，进而通过锂电池放电曲线计算出电池的剩余电量，同时将电池电量输出至显示器。

8.如权利要求1-5任一项所述的面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：该面向传感网应用的自追踪太阳能收集***进行危险预警控制的过程为：

S31、风速检测器直接由锂电池供电，并连接微型控制芯片，微型控制芯片将直接从风速检测器读取到的电压量，进行信号处理后进行设定阈值比较，如风速超出设定阈值则微型控制芯片处于***保护断开锂电池对舵机的供电；

S32、当风速降低，风速检测器的输出电压也随之降低，微型控制芯片检测到电压降低到设定阈值以下后开启计时，若等待设定时间后电压仍低于设定阈值，则微型控制芯片恢复锂电池对舵机的供电，太阳能电池板重新追光。

9.如权利要求1-5任一项所述的面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：电量检测单元利用电压检测法测量锂电池电量，微型控制芯片利用锂电池输出电压的大小判断锂电池剩余电量，并且将剩余电量信息通过数据线发送至传感器节点，传感器节点进行***耗电决策的制定；微型控制芯片与传感器节点的控制单元进行通信，将锂电池的电量信息、工作状态发送给传感器节点，并接受来自传感器节点的控制信号，根据控制信号完成工作模式的选择。

10.如权利要求1-5任一项所述的面向传感网应用的自追踪太阳能收集***，其特征在于：能源收集模块中的太阳能充放电控制器用于改进传感器网络节点的供电方式，实时监测太阳能的收集效率，若转换效率高即太阳能电池板输出电压大于等于18伏，则太阳能电池板上的太阳能锂电池为传感器网络节点供电并将多余电能存入可充电锂电池中，若转换效率低即太阳能电池板输出电压大于15伏小于18伏但尚足够传感器网络节点工作使用，则太阳能锂电池只为传感器网络节点供电，若太阳能电池提供的电量不足以供节点工作使用即太阳能电池板输出电压大于等于15伏，则传感器网络节点由可充电锂电池直接供电，太阳能电池板收集电量供给可充电锂电池。