基于光伏获能的WSNs节点能量管理策略

发布时间：2020-03-22 06:07

【摘要】：“感知中国”概念的提出,给无线传感器网络(WSNs)技术的发展与应用带来了新的机遇。可是,传统WSNs节点初始配置的能量十分有限。尽管人们采用了低功耗技术和节能路由协议等措施,最大程度地延长了网络生存期。但是,节点电池能量受限问题依然没有得到彻底解决,这严重制约了WSNs的推广。为了从根本上解决这一问题,设计节点从环境中获取能量成为该领域的研究热点,因此,可充电无线传感器节点应运而生。在WSNs的野外应用环境中,太阳能的获取相对容易。所以基于光伏获能的可充电无线传感器网络(Solar Rechargeable Wireless Sensors Networks,SP-WSNs)越来越受到学者专家们的重视。但是,因为地理位置、季节和天气等原因,传感器节点所收集的能量往往波动较大。因此,如何提高节点的获能效率以及如何对其收集的能量进行合理地分配和管理,成为太阳能可充电传感器节点亟待解决的关键问题。为了克服现有技术的不足,本文针对SP-WSNs节点的获能与耗能问题展开研究,主要的工作如下:(1)为了满足节点体积小与重量轻的应用需求,太阳能板的面积要尽可能小;同时,要尽量提高太阳能电池板的获能效率,实现小尺寸太阳能板的最大获能效果与三峡库区水质监测节点耗能的最优匹配。本文设计了一种自适应跟踪太阳光的节点获能装置。该装置采用动态跟踪太阳光技术,实时调整太阳能电池板的高度角与方位角,使其始终正对入射太阳光最强的方向。以此实现太阳能电池板对太阳光的最优吸收,从而大幅提高节点的获能效率。(2)为了提高节点的能量利用率,同时减小能量分配误差,本文构建了一种基于历史获能的能量中性管理机制。该机制根据当前操作周期中由太阳能转化而来的可用能量,调节下一操作周期中节点工作的占空比,使节点工作时的耗能不超过节点的获能,确保节点处于能量中性状态,从而实现能量的合理分配与充分利用,进而实现节点的可持续工作。(3)在实验与仿真部分,首先对本文设计的自适应跟踪太阳光的节点获能装置进行实地测量,收集处理不同天气与一天当中不同时间段的获能数据,分析验证其相对于固定式节点获能装置的获能效率改善情况。然后通过MATLAB仿真平台对本文所提出的基于历史获能的能量中性管理机制进行仿真。对比分析能量分配误差等相关性能指标的仿真结果,验证该机制在能量分配管理方面的优势。最后根据基于历史获能的能量中性管理机制,并结合实验室的三峡库区水质检测平台,对不同的水质检测传感器节点进行实验,通过调节传感器节点的占空比,验证节点获能与耗能的平衡,从而实现小尺寸太阳能电池板的最大获能与节点耗能的最优匹配。
【图文】：

体系结构图,体系结构

图 2.2 WSNs 体系结构Fig 2.2 Architecture of WSNsNs 的特点、关键技术及应用SNs 的特点规模s 的大规模特性包含两层含义：第一因为被监测区域面积很大，地理范围很广，所以需要部署大量传感器节点才能避免监测盲的密度比较大，意即有时需要在面积不大的区域内部署大量传感s 的大规模特性具有诸多优点：因为收集的信息量大，，从而所获的信噪比；因为节点的成本相对低廉，经常存在大量的冗余节较强的容错能力；虽然单个节点采集信息的精度不高，但是人所采集的大量信息进行分布式处理，以此提高 WSNs 整体的监对单个传感器节点监测精度的限制。

无线传感器网络,协议栈

层协议的运行效率，同时也能持。从而实现节省 WSNs 能制方式有以下两种：层次型制外，学者们又发现了一种点活动状态与睡眠状态的转合其他的拓扑控制策略来使究中的一大热点，直至今天立的传感器节点组织起来，跳的信息传输网络。但是节量非常有限，而且节点往往拓扑结构是时变的，诸多因络协议的研究极具挑战性。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5

【参考文献】