面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统技术方案

本发明专利技术提供一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统，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系统提供电量，能量收集模块并向传感器节点输出电能。该系统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。

【技术实现步骤摘要】
面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统
本专利技术涉及一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统。
技术介绍
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系统，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，光伏发电系统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系统以降低成本，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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统，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。本专利技术的技术解决方案是：一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统，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系统提供电量，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系统电，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系统提供电量，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系统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系统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，传感器节点进行系统耗电决策的制定；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。本专利技术的有益效果是：一、该种面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统，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、本专利技术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、本专利技术具有结构简单、体型小巧、实用性强、维护方便的特点。四、本专利技术通过危险预警控制增加了系统安全性，降低了后期维护的费用。附图说明图1是本专利技术实施例面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统的说明示意图；图2是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统，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系统提供电量，能量收集模块并向传感器节点输出电能。

【技术特征摘要】
1.一种面向传感网应用的自追踪太阳能收集系统，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系统提供电量，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系统，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系统，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系统电，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系统，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系统，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系统，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩崇，张佳健，曹丽君，郭晨，孙力娟，郭剑，肖甫，周剑，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32