本發明涉及一種太陽能采集方法及系統，尤其是一種基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集方法及系統，屬于太陽能采集技術領域。

背景技術：

無線傳感器網絡作為一種發展迅速，應用前景廣泛的網絡技術，是當今科學研究中的熱點命題。它能夠運用于國防軍事，環境監測，精細農業，智能家居，城市交通，醫療保健等重要領域，在國家科技發展，國際競爭中具有十分重要的戰略地位。

作為產生巨大影響力的無線傳感網絡技術引發了學術界與工業界的高度重視與關注，一些相關的理論與科研項目應運而生，使得無線傳感網絡技術得到較快發展，不過許多新的問題也隨之而來，其中在影響系統穩定性和持續性的能量采集方面的問題最為突出，于是在這種情況下，設計一種新興的供電技術，即新型能量采集技術，顯得尤為重要。它能夠收集環境中廣泛存在的各種微能量，如太陽能、振動機械能、熱能等環境微能量，通過新型換能材料，如太陽能電池板、振動發電機等，將微能量轉化為電能，加以儲存和利用。能量采集無線傳感器網絡(EHWSN)的出現，在理論上，使較長時間正常運行的無線傳感器網絡變為可能，較大程度上解決了其能量問題。由于無線傳感器網絡節點數量多，分布廣等特點，節點的能量采集和存儲便成為制約節點壽命的主要因素。能量采集無線傳感器網絡能夠將節點周圍環境的微能量轉化為電能，能有效延長節點的壽命。

太陽能的采集受到環境制約比較大，不適宜連續陰雨的工作環境，為了最大限度地利用太陽能，工程上常常采用電子技術對太陽能電池板的最大功率點進行追蹤，即MPPT(Maximum Power Point Tracking)，通過對現有文獻的檢索發現，MPPT算法包括變步長擾動觀察法、電導增量法、恒定電壓法等，其中變步長擾動觀察法，由于其結構簡單，精確度較高，在工程實踐中得到了廣泛的應用。但傳統的變步長擾動觀察法存在以下三個方面的問題：啟動功率波動較大，最大功率點追蹤時間較長，追蹤結束時輸出功率存在非線性振蕩。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供了一種基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集方法，該方法通過單片機能夠進行最大功率點追蹤，求得太陽能電池板最大功率輸出電壓，通過D/A轉換器將最大功率輸出電壓值反饋到電源控制器，電源控制器使太陽能電池板保持最大功率輸出，并根據光強傳感器檢測的前后時間段的光強之差的絕對值，判斷是否需要重新追蹤，能夠有效實現太陽能的采集。

本發明的另一目的在于提供一種實現上述方法的基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集系統。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集方法，所述方法包括以下步驟：

S1、單片機進行最大功率點追蹤，計算得到太陽能電池板最大功率；

S2、單片機根據太陽能電池板最大功率大于太陽能電池板輸出電流乘以輸出電壓的值，求得太陽能電池板最大功率輸出電壓，通過D/A轉換器將最大功率輸出電壓值反饋到電源控制器，電源控制器使太陽能電池板保持最大功率輸出；

S3、光強傳感器檢測當前時刻的光強S_i，并反饋給單片機；

S4、單片機利用內部定時器計時，控制延時時間為T₁，光強傳感器檢測延時后的光強S_i+1，并反饋給單片機；

S5、單片機判斷光強S_i與光強S_i+1之差的絕對值是否大于或等于第一設定值α，若是，則改變延時時間T₁的值，使T₁的值為與初始值不同的值，并返回步驟S1；若否，則改變延時時間T₁的值，使T₁的值為初始值，并返回步驟S3。

作為一種優選方案，所述步驟S1，具體包括：

S11、根據某一時刻特定溫度，光照條件下太陽能電池板的開路電壓Vs(n)，計算其N倍作為啟動指令電壓V(n)；其中，0.5≤N≤1；

S12、檢測當前時刻的太陽能電池板輸出電流I(n)，計算輸出功率P(n)＝V(n)I(n)；

S13、運行t₁時間后穩定，再次檢測當前時刻的太陽能電池板輸出電壓V(n+1)和輸出電流I(n+1)，計算輸出功率P(n+1)＝V(n+1)I(n+1)；

S14、計算兩次檢測的電壓差值△V與功率差值△P，若兩個差值的正負情況相同，則下次擾動的步長△D為正值，若兩個差值的正負情況相反，則下次擾動的步長△D為負值；

S15、判斷電壓差值△V的波動范圍，若波動范圍小于第二設定值β，則保持V(n)不變，擾動結束，認為太陽能電池板輸出電壓穩定在最大功率點，計算得到太陽能電池板最大功率，否則，返回步驟S13。

作為一種優選方案，所述步驟S14，具體包括：

計算兩次檢測的電壓差值△V，△V＝V(n+1)－V(n)，以及兩次檢測的功率差值△P，△P＝P(n+1)－P(n)；

在電壓差值△V大于0時，判斷功率差值△P是否大于0，若是，則下次擾動的步長△D為正值，若否，則下次擾動的步長△D為負值；

在電壓差值△V小于0時，判斷功率差值△P是否大于0，若是，則下次擾動的步長△D為負值，若否，則下次擾動的步長△D為正值。

作為一種優選方案，步驟S5中，所述第一設定值α的取值為2000。

作為一種優選方案，步驟S5中，所述延時時間T₁的初始值為15min，與初始值不同的值為5min。

作為一種優選方案，步驟S11中，所述N的取值為0.8。

作為一種優選方案，步驟S15中，所述第二設定值β的取值為0.3。

本發明的另一目的可以通過采取如下技術方案達到：

實現上述方法的基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集系統，所述系統包括太陽能電池板、電源控制器、超級電容、單片機、光強傳感器和D/A轉換器，所述單片機分別與太陽能電池板、電源控制器、光強傳感器和D/A轉換器連接，所述電源控制器分別與太陽能電池板、超級電容和D/A轉換器連接；

所述單片機，用于對算法進行編譯、運行處理，根據不同環境條件下太陽能電池板的輸出電壓，計算不同情況下最大功率點對應的電壓值；

所述電源控制器，用于改變太陽能電池板的輸出電壓；

所述D/A轉換器，用于將單片機輸出的數字信號轉化為控制電源控制器的模擬信號。

作為一種優選方案，所述超級電容的兩端并聯一個滑動變阻器。

作為一種優選方案，所述單片機選用TI公司的MSP430RF2274單片機；所述電源控制器選用TI公司的BQ25504電源控制器；所述D/A轉換器選用TI公司的TLV5638芯片；所述光強傳感器選用TAOS公司的TSL2561光強傳感器；所述太陽能電池板的最大輸出電壓不超過6V；所述超級電容的最大工作電壓不超過5.5V。

本發明相對于現有技術具有如下的有益效果：

1、本發明方法通過單片機能夠進行最大功率點追蹤，求得太陽能電池板最大功率輸出電壓，通過D/A轉換器將最大功率輸出電壓值反饋到電源控制器，電源控制器使太陽能電池板保持最大功率輸出，并根據光強傳感器檢測的前后時間段的光強之差的絕對值，判斷是否需要重新追蹤，能夠有效實現太陽能的采集。

2、本發明方法在單片機進行最大功率點追蹤時，采用了改進的變步長擾動觀察法，針對啟動功率波動較大和追蹤時間較長的問題，改進的變步長擾動觀察法設定系統的啟動指令電壓；針對追蹤結束時輸出功率存在非線性振蕩的問題，將相鄰采樣時刻的電壓差值進行波動范圍計算，符合波動范圍時則保持輸出電壓不改變，追蹤精度高，有效解決了普通變步長擾動觀察法啟動功率波動較大，最大功率點追蹤時間較長的問題，追蹤結束時輸出功率實現線性振蕩，最大功率點追蹤的穩定性較高，能量損失較小，在能量采集無線傳感器網絡的太陽能采集領域有廣泛的應用前景。

3、本發明方法以太陽能電池板開路電壓的N倍(優選為0.8)作為系統算法啟動的指令電壓，有效減小了系統啟動時的功率波動。

4、本發明系統在針對能量存儲方面的問題，使用充放電次數較高的超級電容，以此到達延長整個系統壽命的目的，設計相關的優化電路；同時，為了加快超級電容的充電速度，在超級電容兩端并聯一個滑動變阻器。

5、本發明系統中，單片機選用TI公司的MSP430RF2274單片機；所述電源控制器選用TI公司的BQ25504電源控制器；所述D/A轉換器選用TI公司的TLV5638芯片，T1公司出產的這些芯片都具有功耗極低的特點。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集系統結構框圖。

圖2為本發明實施例1的基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集方法流程圖。

圖3為本發明實施例1的基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集方法中最大功率點追蹤算法流程圖。

圖4為本發明實施例1的基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集方法中最大功率點追蹤算法MATALB仿真結果圖。

其中，1-太陽能電池板，2-電源控制器，3-超級電容，4-單片機，5-光強傳感器，6-D/A轉換器。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。

實施例1：

如圖1所示，本實施例提供了一種基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集系統，該系統包括太陽能電池板1、電源控制器2、超級電容3、單片機4、光強傳感器5和D/A轉換器6，所述單片機4分別與太陽能電池板1、電源控制器2、光強傳感器5和D/A轉換器6連接，所述電源控制器2分別與太陽能電池板1、超級電容3和D/A轉換器6連接；

所述太陽能電池板1的最大輸出電壓不超過6V，太陽能電池板1的原理是：光照在單或多晶硅太陽能電池版黑色的表面上時，一部分光子被珪吸收；光子的能量的硅原子、電子發生躍遷，自由電子在p-n結兩側形成了集聚優勢，外部電位的電路連接,在該電壓的作用,電流流動的外部電路輸出。這個過程的實質是原子能量轉換過程，產生了電能并由電池板輸出。太陽能發電方式主要有兩種形式,光—熱—電轉換和光—電直接轉換方式。

1)光—熱—電轉換(Solar-thermal-electricity)，太陽輻射產生的熱利用發電，一般是由太陽能集熱器(如汽輪發電機，核能發電機組等)吸收的能量。汽輪發電機就是由大量的熱量加熱水所產生的的蒸氣,再驅發電機發電。太陽能熱發電的缺點是效率很低,據國外專家估計一個現代化的正常運行且達到一定規模的光伏發電站，投資至少要比現在的正常的火電站貴5-10倍。1000mw的太陽能需要沿投資20-25億美元,平均1kw的投資為2k-2.5k。

2)光—電直接轉換方式(Solar-electricity)利用的是太陽輻射功能電效果直接轉換成電能，典型的設備就是太陽能電池板。太陽能電池基本原理光生伏特效應，電路模型是一個半導體光電二極管。太陽光照到光電二極管時，光電二極管就會產生電流的。許多電池串聯和并聯結合就能實現一定的功率輸出。

所述超級電容3的最大工作電壓不超過5.5V，使用充放電次數較高的超級電容3，以此到達延長整個系統壽命的目的，超級電容3的兩端并聯一個滑動變阻器，能夠加快超級電容3的充電速度。

所述單片機4選用TI公司的MSP430RF2274單片機，該單片機具有多通道ADC模塊，SPI和I²C串口通信模塊，多個時鐘源，看門狗等功能，作用是對算法進行編譯、運行處理，根據不同環境條件下太陽能電池板1的輸出電壓，計算不同情況下最大功率點對應的電壓值；

所述電源控制器2實質是DC-DC變換電路，選用TI公司的BQ25504電源控制器，其作用是改變太陽能電池板1的輸出電壓；

所述D/A轉換器6選用TI公司的TLV5638芯片，起到連接單片機4與電源控制器2的作用，能夠將單片機4輸出的數字信號轉化為控制電源控制器2的模擬信號。

單片機4、電源控制器2和D/A轉換器6選用的都是TI公司的芯片，T1公司出產的這些芯片都具有功耗極低的特點，具體如下：

1)TI公司的BQ25504電源控制器，第一個閃bq25504新型智能集成能源開采功耗管理的解決方案,非常適合復雜需求的超低功耗應用。該元件經過設計、光伏(太陽能)發電機和熱電發電機等各種直流源中生成的瓦片(μ毫瓦)中提取的輸出級和管理。BQ25504已經率先實現了電源和運行要求的產品和系統(例如，無線傳感器網絡(WSN))的高效地升壓轉換器/充電器；BQ25504設計始于微瓦功率即可的DC-DC/DC升壓充電器；介于(價值)靜電低于330nA，電壓：啟動330mV；可編入方案的高功率直流電源(典型應用是MPPT項目)。

2)TI公司MSP430RF2274單片機，是著名的低功耗MSP430家族的一員，它具有通用IO口、LED燈廣告，中斷接口，PWM，串行端口，SPI接口，下載界面和其他功能，當然一些芯片沒有這些功能。單純的開發板不能直接連接到電腦，需要寫機器或JTAG仿真器或ISP適配器運行程序下載到芯片。CPU模塊可以使用任何pqfq64和tqfp64封裝的MSP430系列的芯片。提供430開發板所選擇的f149a型產品和b型產品的基礎，它是一種適配器上的主板相連，用戶購買或自行制作適配器，來替換CPU類型分別為升級的目的。目前，系統支持所有的PQFP64(pm)和tqfp64(PAG)組裝的MSP430f1xxx系列的芯片；自發性低功耗模型的雙串口通信模塊具有雙串口支持菜單的芯片，雙串口MSP430的f14xx設備(f16xx以下)的EDB430uart0和uart1設計了一個rs232電平轉換接口，分別連接到這些設備的各串口。優質的儀器串口(f13x,f15x)為電池系統使用條件。這個接口為自發性低消耗功能，具體是數據數十微秒(根據所采用的芯片)、發送器自動進入低消耗狀態。數據傳送時，自動喚醒工作；八號的輸入及輸出模塊(擴展I²C接口，鍵盤和x32個LED公用)。

3)充分利用MSP430的資源，同時包裝430系列能夠控制更多的數字，EDB430進出口、輸入采用了I²C接口的I/O擴展芯片PCF8574T——不過，那也只是飛利浦半導體(或兼容產品)的低功耗I/O擴展芯片的中斷能力。使用該芯片的配置情況下，跳線輸入CPU脫離。它的I/O口的輸入和輸出，或者直接使用板上的鍵盤矩陣和兩個LED指示燈和鍵盤輸入功能；在規格3x3鍵盤和兩個指示LED；使用的時候PCF8574T鍵盤、指示功能的時候，EDB430的機械鍵盤接口，通過中斷方式使系統所利用的用戶發出的指令，用戶軟件定義的功能；精密低溫飄忽不定可調外部參考電壓為1.25v-3.0v±1.5％；外部的參考電壓模塊提供一個最高的±1.3％的誤差的精密低溫它的可調參考電源，代替CPU內部提供的參考來源。使用者不需要高精度的信號處理，可以作為ADC轉換器的參考電源。接近事實為電池系統使用條件，這個接口為自發性低消耗功能，具體是數據數十微秒，同時在使用板轉換器時，能夠提供一個參考；四通路輸入及輸出軌道是并行模擬信號緩沖模塊帶ESD保護執行的，因此，模擬信號增加了430提供四通道模擬信號緩沖電路的信號隔離，降低對信號的影響，一種低功耗連續運放四輸入輸出軌道的一個電壓跟隨器的形式被使用；四通道八位的可轉換模塊(SPI接口)，其他精度的ADC需要擴大。提供430，從模擬轉換TLV 5620用數字，但這些并非是TI公司生產的四聲道SPI接口的八位數字模擬轉換器中，獨立或更新每個通道的能量；一個差動信號放大模塊；為了獲得外部信號輸入的條件下，在A/D程序設計實驗的同時，也為幾個應用開發提供了可能，EDB430是一個簡單的差分放大器，電源的電流對擴張的一板所估計的高信號，便于評價和實驗，通過部署JP200可測量電源電壓、電流輸入；在板并口輸入FLASH仿真模塊。為了對抗TSSOP SOIC封裝MSP430系列，EDB430的JTAG設置跳線行駛的JTAP送到打印機的插槽中，有一個可以集成DIP28插座，TSSOP SOIC，轉DIP的適配器，EDB430開設板上資源調試系統；電源模塊輸出+3.3v和+5v、主電源指示，輸出過壓保護。在發光二極管(LED)的指示；22x30插槽(b型液晶模塊使用插槽，一個)。這兩種擴張EDB430口，60個引腳排針在包含了MSP430(PQFP64)的所有信號和附加的一些電源等。用戶自己的應用系統，例如信號前端、I/O、通信接口等。設計而不必重復以前已經設計過的那部分，因此，有更多的時間為構建應用系統的原型驗證的算法和快速向客戶演示的裸機等等；20×2點陣字符液晶模塊，spi接口(提供430b型)；外部I²C存儲器擴展模塊。

基于上述系統，本實施例還提供了一種基于能量采集無線傳感器網絡節點的太陽能采集方法，該方法如圖2所示，包括以下步驟：

S1、單片機進行最大功率點追蹤，計算得到太陽能電池板最大功率；

S2、單片機根據太陽能電池板最大功率大于太陽能電池板輸出電流乘以輸出電壓的值，求得太陽能電池板最大功率輸出電壓，通過D/A轉換器將最大功率輸出電壓值反饋到電源控制器，電源控制器使太陽能電池板保持最大功率輸出；

S3、光強傳感器檢測當前時刻的光強S_i，并反饋給單片機；

S4、單片機利用內部定時器計時，控制延時時間為T₁(初始值為15min)，光強傳感器檢測延時后的光強S_i+1，并反饋給單片機；

S5、單片機判斷光強S_i與光強S_i+1之差的絕對值是否大于或等于第一設定值α(第一設定值α的優選取值為2000)，若是，說明在T₁時間間隔內，環境光照強度變化較大，太陽能電池板最大功率輸出電壓劇烈，需要重新追蹤，單片機改變延時時間T₁的值，使T₁的值為與初始值不同的值，本實施例優選使T₁＝5min，并返回步驟S1；若否，則改變延時時間T₁的值，使T₁的值為初始值，即T₁＝15min，并返回步驟S3。

目前常用的最大功率點追蹤算法主要有：恒定電壓法、開路電壓法、擾動觀察法和電導增量法等等，各個算法的主要特點如下：

1)恒定電壓法優點是算法簡單，缺點是環境溫度變化劇烈時誤差大；

2)開路電壓法優點是開路電壓易于檢測，缺點是取經驗值而導致精確度不高；

3)電導增量法優點是精確度高、穩定性能好，缺點是算法復雜，需配合精密儀器；

4)擾動觀察法優點是思路簡單、控制精度高，但存在以下三個方面的問題：啟動功率波動較大，最大功率點追蹤時間較長，追蹤結束時輸出功率存在非線性振蕩；

本實施例的步驟S1針對擾動觀察法進行改進，采用的是改進的變步長擾動觀察法，如圖3所示，具體包括：

S11、根據某一時刻特定溫度，光照條件下太陽能電池板的開路電壓Vs(n)，計算其N倍作為啟動指令電壓V(n)；其中，0.5≤N≤1，優選為0.8，以太陽能電池板開路電壓的0.8倍作為系統算法啟動的指令電壓，有效減小了系統啟動時的功率波動；

S12、檢測當前時刻的太陽能電池板輸出電流I(n)，計算輸出功率P(n)＝V(n)I(n)；

S13、運行t₁時間后穩定，再次檢測當前時刻的太陽能電池板輸出電壓V(n+1)和輸出電流I(n+1)，計算輸出功率P(n+1)＝V(n+1)I(n+1)；

S14、計算兩次檢測的電壓差值△V與功率差值△P，若兩個差值的正負情況相同，則下次擾動的步長△D為正值，若兩個差值的正負情況相反，則下次擾動的步長△D為負值；具體包括：

計算兩次檢測的電壓差值△V，△V＝V(n+1)－V(n)，以及兩次檢測的功率差值△P，△P＝P(n+1)－P(n)；

在電壓差值△V大于0時，判斷功率差值△P是否大于0，若是，則下次擾動的步長△D為正值，若否，則下次擾動的步長△D為負值；

在電壓差值△V小于0時，判斷功率差值△P是否大于0，若是，則下次擾動的步長△D為負值，若否，則下次擾動的步長△D為正值。

S15、判斷電壓差值△V的波動范圍，若波動范圍小于第二設定值β(第二設定值β的優選取值為0.3)，則保持V(n)不變，擾動結束，認為太陽能電池板輸出電壓穩定在最大功率點，計算得到太陽能電池板最大功率，否則，返回步驟S13。

如圖4所示，改進的變步長擾動觀察法有效解決了普通變步長擾動觀察法啟動功率波動較大，最大功率點追蹤時間較長的問題，追蹤結束時輸出功率實現線性振蕩。

綜上所述，本發明方法通過單片機能夠進行最大功率點追蹤，求得太陽能電池板最大功率輸出電壓，通過D/A轉換器將最大功率輸出電壓值反饋到電源控制器，電源控制器使太陽能電池板保持最大功率輸出，并根據光強傳感器檢測的前后時間段的光強之差的絕對值，判斷是否需要重新追蹤，能夠有效實現太陽能的采集；同時，在單片機進行最大功率點追蹤時，采用了改進的變步長擾動觀察法，針對啟動功率波動較大和追蹤時間較長的問題，改進的變步長擾動觀察法設定系統的啟動指令電壓；針對追蹤結束時輸出功率存在非線性振蕩的問題，將相鄰采樣時刻的電壓差值進行波動范圍計算，符合波動范圍時則保持輸出電壓不改變，追蹤精度高，有效解決了普通變步長擾動觀察法啟動功率波動較大，最大功率點追蹤時間較長的問題，追蹤結束時輸出功率實現線性振蕩，最大功率點追蹤的穩定性較高，能量損失較小，在能量采集無線傳感器網絡的太陽能采集領域有廣泛的應用前景。

以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明專利所公開的范圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都屬于本發明專利的保護范圍。