一種面向WSNs的環境自適應的能量感知方法與流程
2023-05-15 09:53:11 2
本發明屬於無線傳感器網絡及新型能源存儲，特別涉及一種面向WSNs(無線傳感器網絡，Wireless Sensor Networks，WSNs)的環境自適應的能量感知方法。
背景技術：
隨著人口膨脹和經濟的高速增長，環境汙染變得日益嚴重，特別是近年來的水質汙染。大自然是一個有機的整體，水環境的惡化不可避免地會影響整體環境改變。傳統的水質監測主要是通過用可攜式儀器進行人工檢測、分析計算水環境中微生物的活性情況等方法來進行檢測，但這些方法或效率低，或成本高，或精度低，並且對周邊生態環境有影響。也有人採用開源平臺來搭建監測系統，但規模較小，不適合大面積的、分散的水域監測。直到最近幾年引入WSNs技術，監測效率得到大幅度提高。但是，由於水質環境的複雜性以及河流湖泊地域的限制，傳感器節點的能源供給成為了WSNs發展和應用的一個瓶頸。
技術實現要素：
本發明目的在於解決WSNs在湖泊、海洋等水域監測應用方面供能不足的問題，本發明在無線傳感網絡的基礎上，引入當前熱門的物聯網技術與雲服務，將數據採集、組網傳輸、數據上傳集於一體，為適應戶外環境，在網關節點加入GPRS模塊，以解決無線上傳問題。本發明提出的能量感知方法能夠解決WSNs的長期供能問題。
本發明採取的技術方案是：一種面向WSNs的環境自適應的能量感知方法，其特徵在於，在無線傳感網絡WSNs的基礎上，引入物聯網技術與雲服務，將信息數據採集、組網數據傳輸、數據上傳與協同數據處理集於一體，基於包括能量收集模塊、能量控制模塊、主控模塊、WSNs傳感器節點及網關以及雲端計算機構成的能量感知系統，網關通過ZigBee和各個WSNs傳感器節點相連接，WSNs傳感器節點與網關採用多跳的形式連接，每個模塊均包含一個Zigbee進行無線傳輸；
能量收集模塊用於採集外界環境中的太陽能、風能以及由水面波動產生的震動能三種不同的能量，包括太陽能面板、風力發電機、震動電機和調整電機，調整電機接收主控模塊的控制信號輸出給太陽能面板、風力發電機和震動電機；
主控模塊包括MCU、LCD顯示、存儲和GPRS通信單元，MCU與LCD顯示單元、存儲單元和GPRS通信單元均分別為雙向交互連接，MCU中包括功率信息融合模塊、決策支持子系統和環境能量協同控制策略機構，功率信息融合模塊的輸入連接雲端計算機，功率信息融合模塊的輸出連接決策支持子系統，決策支持子系統的輸出連接環境能量協同控制策略機構，環境能量協同控制策略機構的輸出連接能量收集模塊中的調整電機；
能量控制模塊包括功率檢測單元、DC-DC變換器和可充電電池，太陽能面板、風力發電機和震動電機的輸出均連接功率檢測單元，功率檢測單元的輸出連接MCU中的功率信息融合模塊，功率檢測單元的輸出還依次連接DC-DC變換器和可充電電池，可充電電池的輸出分別連接主控模塊和WSNs傳感器節點，WSNs傳感器節點的輸出通過網關用有線網絡連接雲端計算機，雲端計算機與GPRS通信單元雙向交互連接；
雲端計算機接收來自氣象局傳送的包括風向和太陽方位角的氣象數據，並將這些氣象數據經GPRS通信單元傳送給MCU中的功率信息融合模塊，經過決策支持子系統最終由環境能量協同控制策略機構把這些天氣數據轉化為控制信號，並將該控制信號傳送給能量收集單元中的調整電機，使調整電機調整能量收集模塊中的風能電機和太陽能電池板來接收目前三種環境能源中各自最大的能量，並將這些能量輸送到能量控制模塊中的功率檢測單元，功率檢測單元包括電壓電流傳感器和模擬乘法器，電壓電流傳感器的輸出連接模擬乘法器，環境能量輸送到功率檢測單元中的電壓電流傳感器中，得到能量的電壓電流數據，並將這些數據傳輸到模擬相乘器中，將電壓電流的數據進行相乘，由此計算出三種不同環境能源的功率數據，將這些功率數據傳輸到MCU中的功率信息融合模塊進行處理，同時，主控模塊中的GPRS通信單元通過GPRS網絡獲取氣象局測得的太陽能、風能、震動能三種能源的功率數據，在MCU的功率信息融合中利用融合公式將功率檢測單元得到的功率數據與氣象局的各個功率數據進行融合併輸出到決策支持子系統中，在決策支持子系統中利用決策公式(MAX{Psolar,Pwind,Pvibrate}，得到三者的最大值，將其對應的環境能源編號作為決策信息，輸出到環境能量協同控制策略機構得到控制信號，再將該控制信號回傳給能量收集模塊中的調整電機，以選擇當前最佳的環境能源給可充電電池進行充電，可充電電池給WSNs傳感器節點及主控模塊供能，主控模塊中的LCD顯示單元顯示當前環境能源的功率，GPRS通信單元將採集到的當地環境信息發送到雲端計算機，存儲單元則是將歷史數據保存起來，雲端計算機將接收到的主控模塊輸出數據進行處理，並在網頁上發布這些採集到的當地環境信息，用戶通過網頁實時地查詢當地環境的監測數據。
上述方法可按以下步驟實現：
步驟1：雲端計算機接收來自氣象局傳送的包括風向和太陽方位角的氣象數據，並將這些氣象數據傳送給主控模塊的MCU，MCU中的環境能量協同控制策略機構把這些天氣數據轉化為控制信號，並將該控制信號傳送給能量收集單元中的調整電機；
步驟2：調整電機調整能量收集模塊中的風能電機和太陽能電池板來接收目前三種環境能源中各自最大的能量，並將這些能量輸送到能量控制模塊中的功率檢測單元；
步驟3：功率檢測單元接收到來自能量收集單元的能量後，功率檢測單元中的電壓電流傳感器得到電壓電流數據，並將這些數據傳輸到模擬相乘器中，將電壓電流的數據進行相乘，由此計算出三種不同環境能源的功率數據並傳送給主控模塊的功率信息融合模塊；
步驟4：功率信息融合模塊接收到來自能量控制模塊的功率數據後，通過GPRS單元訪問雲端計算機獲取氣象局得到的太陽能、風能、震動能三種能量的功率數據，在功率信息融合模塊中利用融合公式將功率檢測單元得到的功率數據與氣象局的各個功率數據進行融合併輸出到決策支持子系統中，在決策支持子系統中得到決策信息，輸出到環境能量協同控制策略機構得到控制信號，再將該控制信號回傳給能量收集模塊中的調整電機，選擇一個功率最大的作為當前的自供電環境能源，並將該環境能源通知給能量控制模塊，能量控制模塊將對應的環境能源輸送給整個系統，主控模塊中的LCD模塊顯示當前選擇的環境能源及功率，存儲模塊存儲歷史選擇的環境能源及功率，GPRS模塊將當前選擇的環境能源及功率上傳至雲端計算機；
功率信息融合中利用的融合公式為：
Psolar＝Psolar1×ω1+Psolar2×ω2；
Pwind＝Pwind1×ω1+Pwind2×ω2；
Pvibrate＝Pvibrate1×ω1+Pvibrate2×ω2；
功率檢測單元傳出的太陽能功率數據為Psolar1，風能功率數據為Pwind1，震動功率數據為Pvibrate1，功率檢測單元傳出的各個功率數據的權重為ω1＝0.7；氣象局傳出的太陽能功率數據為Psolar2，風能功率數據為Pwind2，震動功率數據為Pvibrate2，氣象局傳出的各個功率數據的權重為ω2＝0.3；其中ω1+ω2＝1；Psolar代表最終融合後的太陽能功率數據，Pwind代表最終融合後的風能功率數據，Pvibrate代表最終融合後的震動功率數據；
步驟5：能量控制模塊接收到當前選擇的環境數據後，將當前選擇的環境能源通過DC-DC轉換，將轉換後的能量給可充電電池充電，可充電電池給WSNs傳感器節點及主控模塊供能。
本發明的優點及顯著效果：本發明首先通過能量收集模塊調整最佳角度採集環境中的太陽能、風能、震動能並傳送給能量控制模塊，能量控制模塊計算出不同環境能源的功率數據，將這些數據傳輸到主控模塊進行處理，同時，主控模塊通過網絡讀取氣象局的風向和太陽方位角等天氣數據，並把不同環境能源的功率數據和這些天氣數據進行融合，得到控制信號，再將控制信號回傳給能量控制模塊，以選擇當前最佳的環境能源給可充電電池進行充電並給無線傳感器節點及主控模塊供能。
本發明可以對三種環境能源進行採集，採集設備包括太陽能面板、風力發電機、震動電機，能量存儲採用了可充電電池，利用了可充電電池高能量密度和低漏電等優點，組成了一個高效的能量供給系統。本發明採用了信息融合技術，隨著環境的不斷變化，能量收集模塊獲取的環境信息也在發生變化，這些信息進入環境協同控制策略機構後，形成了一種具有環境自適應能力的能源分配方案，可以通過這種自適應能力實現能量感知的最優化。本發明中採用的能量採集及轉換系統具有良好的自適應性，在各種天氣狀況下都能有效地為可充電電池充電。
附圖說明
圖1是本發明的系統框圖；
圖2是本發明功率檢測單元的原理圖；
圖3是本發明的網絡結構圖；
圖4是基於可重新配置策略的環境能源協同模型結構圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明作進一步的詳細說明。
如圖1所示，本發明方法基於包括能量收集模塊、能量控制模塊、主控模塊、WSNs傳感器節點及網關以及雲端計算機構成的能量感知系統，網關通過ZigBee和各個WSNs傳感器節點相連接，WSNs傳感器節點與網關採用多跳的形式連接。
能量收集模塊包括太陽能面板、風力發電機、震動電機以及調整電機，調整電機接收主控模塊的控制信號輸出給太陽能面板、風力發電機、震動電機；能量控制模塊包括功率檢測單元、DC-DC變換器和可充電電池，功率檢測單元輸出依次連接DC-DC變換器和可充電電池；主控模塊包括MCU、LCD顯示單元、存儲單元和GPRS通信單元，MCU與LCD顯示單元、存儲單元和GPRS通信單元均分別為雙向交互連接；太陽能面板、風力發電機和震動電機的輸出連接功率檢測單元，功率檢測單元的輸出連接至MCU，可充電電池輸出分別連接主控模塊和WSNs傳感器節點，WSNs傳感器節點的輸出通過網關用有線網絡連接雲端計算機，雲端計算機與GPRS通信單元雙向交互連接；功率檢測單元包括電壓電流傳感器和模擬乘法器，電壓電流傳感器的輸出連接模擬乘法器；MCU中包括功率信息融合、決策支持子系統和環境能量協同控制策略機構，其中功率信息融合的輸出連接決策支持子系統，決策支持子系統的輸出連接環境能量協同控制策略機構，環境能量協同控制策略機構的輸出連接能量收集模塊中的調整電機；每個模塊均包含一個Zigbee進行無線傳輸。
所述能量收集模塊用於從外界環境中收集三種環境能源。能量控制模塊用於：1)檢測三種環境能源功率並將功率數據上傳至MCU；2)將能量收集模塊的能量通過DC-DC變換器轉換為電壓值為5V的能量，並將此能量輸送給可充電電池；3)為傳感器節點和主控模塊提供電力支持。主控模塊用於：1)通過能量控制模塊上傳的數據選擇當前最適合使用的環境能源；2)將當前環境能源實時功率顯示在LCD屏幕上；3)將環境能源的歷史功率存儲在存儲模塊；4)將處理過的環境能源數據通過GPRS通信模塊上傳至雲端計算機。傳感器節點用於對當前環境進行檢測，網關用於將無線傳感節點的數據上傳至雲端計算機，用戶可以通過訪問網頁查詢當前環境參數。
本發明的環境能源採集是由太陽能面板、風力電機、震動電機完成，MCU將不同的環境能源進行編號，編號以數字進行編碼，分別為1#，2#，3#，首先將三種不同的能量傳送給能量控制模塊中的功率檢測單元，能量輸送到功率檢測單元中的電壓電流傳感器中，得到能量的電壓電流數據，並將這些數據傳輸到模擬相乘器中，將電壓電流的數據進行相乘，由此計算出三種不同環境能源的功率數據，將這些功率數據傳輸到主控模塊中的MCU進行處理，不同的環境能源的功率數據輸入到MCU中的功率信息融合後進行信息融合，之後將融合後的功率信息輸入到決策支持子系統，通過MCU的決策支持子系統做出決策，並將決策信息輸入到環境能量協同控制策略機構，環境能量協同控制策略機構產生控制信號來控制調整電機來選擇當前最佳的環境能源。MCU充分利用氣象局和功率檢測單元2個信息資源，通過對2種信源及其觀測信息的合理支配與使用，從而調整環境能源的重新配置，以實現整個系統的環境能源最大利用率。
本發明中氣象局向雲端計算機傳輸的數據有兩種，第一種是風向和太陽方位角的氣象數據，第二種是氣象局測得的太陽能、風能、震動能三種能源的功率數據。
如圖2所示，本發明採用的功率檢測單元原理是首先將能量收集模塊收集到的能量輸送到功率檢測單元中的電壓電流傳感器中並得到能量的電壓電流數據，並將這個數據傳輸到模擬相乘器中從而得到功率數據。電壓電流傳感器可採用霍爾電壓電流傳感器，模擬乘法器可採用MC1486。
如圖3所示，本發明是基於無線傳感技術的環境監測的網絡結構，採用自組織網，傳感器節點和網關是以多跳的形式連通的。其中圖3中終端監測節點和簇頭節點對應圖1中的無線傳感節點，無線傳感節點的能量供給就是由圖1中的能量控制模塊完成；圖3中的數據匯聚節點的功能是由圖1中的網關完成的；圖3中的雲端網絡和用戶對應圖1中的雲端；無線傳感節點監測環境參數，通過無線傳感網絡將數據匯聚到網關節點，網關節點收到數據後將數據上傳至雲端網絡，最終用戶可以通過PC或移動終端實現數據的實時監測；
如圖4所示本發明可以通過氣象局傳來的風向和太陽方位角的氣象數據可以預先調整能量收集模塊中的風能電機和太陽能電池板以獲得最大的功率。首先氣象局傳來的風向和太陽方向的氣象數據最終送到MCU的環境能量協同控制策略機構，環境能量協同控制策略機構把風向和太陽方向轉換為7位編碼，前4位編碼代表風向，後3位代表太陽方位角，將此編碼作為控制信號傳送給調整電機；把東風轉化為1000，東南風轉化為1100，南風轉化為0100，西南風轉化為0110，西風轉化為0010，西北風轉化為0011，北風轉化為0001，東北風轉化為1001，以此來調整風能電機朝向各個風向達到最大功率；當氣象局傳來的太陽方位角為0～120°時，編碼為100，代表將控制調整電機調整太陽能電池板朝向太陽方位角90°，當氣象局傳來的太陽方位角為120～240°時，編碼為010，代表將控制調整電機調整太陽能電池板朝向太陽方位角180°，當氣象局傳來的太陽方位角為240～360°時，編碼為001，代表將控制調整電機調整太陽能電池板朝向太陽方位角270°，以此來調整太陽能電池板達到最大功率。
如圖4所示，本發明的環境能源選擇是基於可重新配置策略的環境能源協同模型結構，其中功率信息融合，環境能量協同策略機構，決策支持子系統都是在主控模塊中的MCU完成的；功率信息融合的輸出連接決策支持子系統和環境能量協同控制策略機構，決策支持子系統的輸出連接環境能量協同控制策略機構，環境能量協同控制策略機構的輸出連接能量收集模塊中的調整電機和功率信息融合；隨著環境的不斷變化，能量收集模塊獲取的環境信息也在發生變化。當環境變化時，能量收集模塊中的三種電機將變化後的功率信息輸送到主控模塊中的MCU，這些功率信息進入MCU中的功率信息融合部分，將融合後的數據輸出給環境能量協同策略機構和決策支持子系統，在決策支持子系統中形成了一種新的環境能源分配方案，並將決策信息輸出給環境能量協同策略機構，環境能量協同策略機構將決策信息轉化為控制信號輸出給能量收集模塊，從而調整環境能源的重新配置，以實現整個系統具有實時調整的、不斷優化的功能。
功率信息融合的融合過程如下：功率檢測單元傳出的太陽能功率數據為Psolar1，風能功率數據為Pwind1，震動功率數據為Pvibrate1，功率檢測單元傳出的各個功率數據的權重為ω1＝0.7；氣象局傳出的太陽能功率數據為Psolar2，風能功率數據為Pwind2，震動功率數據為Pvibrate2，氣象局傳出的各個功率數據的權重為ω2＝0.3；其中ω1+ω2＝1；在功率信息融合接收完來自功率檢測單元和氣象局傳出的功率數據後開始進行數據融合得到最終融合後的太陽能功率數據Psolar，風能功率數據Pwind，震動功率數據Pvibrate，融合公式如下：
Psolar＝Psolar1×ω1+Psolar2×ω2；
Pwind＝Pwind1×ω1+Pwind2×ω2；
Pvibrate＝Pvibrate1×ω1+Pvibrate2×ω2；
將最終融合後的太陽能功率數據Psolar，風能功率數據Pwind，震動功率數據Pvibrate傳送給決策支持子系統。
決策支持子系統的工作過程如下：在接收到來自功率信息融合傳來的最終融合後的太陽能功率數據Psolar，風能功率數據Pwind，震動功率數據Pvibrate後，決策支持子系統將三個數據輸入到決策公式MAX{Psolar,Pwind,Pvibrate}，得到三者的最大值，將其對應的環境能源編號作為決策信息，並將此決策信息傳送給環境能量協同控制策略機構。
環境能量協同控制策略機構的工作過程如下：在收到決策信息後，環境能量協同控制策略機構將決策信息處理為三位0/1編碼，如果決策信息為1#，轉換後的編碼為100，如果決策信息為2#，轉換後的編碼為010，如果決策信息為3#，轉換後的編碼為001。將此編碼作為控制信號發送給能量收集模塊中的調整電機，調整電機收到此編碼後，將其餘兩種環境能源進行關閉，以達到選擇當前最佳的環境能源的目的。
本發明是基於協同信息處理、無線傳感技術發明的自適應能量感知環境監測方法，主要由信息採集、數據傳輸、協同數據處理三部分組成。在環境能量收集的過程中，由能量收集模塊完成環境信息的採集。數據傳輸主要是由各個模塊裡ZigBee或者GPRS模塊完成的。協同數據處理是由主控模塊和雲端計算機完成，實現實時數據和預測數據的互補。
本發明對環境的自適應能力，可以通過這種自適應能力實現能量感知的最優化，實施例步驟如下：
步驟1：根據圖1的系統結構連接各模塊。
步驟2：將不同的環境能源進行編號，編號以數字進行編碼，分別為1#，2#，3#。
步驟3：當雲端計算機接收到從氣象局那裡獲得的風向和太陽方位角的氣象數據，並傳送給MCU中的環境能量協同控制策略機構，從而獲得控制信號，控制能量收集模塊中調整電機預先調整風能電機和太陽能電池板以獲得最大的功率。
步驟4：如圖4所示，主控模塊接收到來自能量控制模塊的功率數據後，將得到的數據和從雲端計算機接收到的氣象局的功率數據進行信息協同處理，並將控制信號傳送給能量收集模塊中的調整電機，選擇一個功率最大的作為當前的自供電能源。能量控制模塊負責將對應的環境能源輸送給整個系統。
步驟5：可設置一個網關在湖邊，而網關則通過ZigBee和各個傳感器節點相連，當節點要與其覆蓋範圍之外的節點進行通信時，需經過中間節點的轉發。
步驟6：主控模塊選用低功耗單片機Arduino。微控制器通過ZigBee向網關發送環境消息，再由網關通過有線網絡發送至雲端計算機。