本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及新型能源存儲(chǔ)，特別涉及一種面向WSNs(無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，Wireless Sensor Networks，WSNs)的環(huán)境自適應(yīng)的能量感知方法。

背景技術(shù)：

隨著人口膨脹和經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，環(huán)境污染變得日益嚴(yán)重，特別是近年來(lái)的水質(zhì)污染。大自然是一個(gè)有機(jī)的整體，水環(huán)境的惡化不可避免地會(huì)影響整體環(huán)境改變。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)用便攜式儀器進(jìn)行人工檢測(cè)、分析計(jì)算水環(huán)境中微生物的活性情況等方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，但這些方法或效率低，或成本高，或精度低，并且對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境有影響。也有人采用開(kāi)源平臺(tái)來(lái)搭建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但規(guī)模較小，不適合大面積的、分散的水域監(jiān)測(cè)。直到最近幾年引入WSNs技術(shù)，監(jiān)測(cè)效率得到大幅度提高。但是，由于水質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性以及河流湖泊地域的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的能源供給成為了WSNs發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于解決WSNs在湖泊、海洋等水域監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面供能不足的問(wèn)題，本發(fā)明在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，引入當(dāng)前熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云服務(wù)，將數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)傳輸、數(shù)據(jù)上傳集于一體，為適應(yīng)戶外環(huán)境，在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)加入GPRS模塊，以解決無(wú)線上傳問(wèn)題。本發(fā)明提出的能量感知方法能夠解決WSNs的長(zhǎng)期供能問(wèn)題。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種面向WSNs的環(huán)境自適應(yīng)的能量感知方法，其特征在于，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)WSNs的基礎(chǔ)上，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云服務(wù)，將信息數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)上傳與協(xié)同數(shù)據(jù)處理集于一體，基于包括能量收集模塊、能量控制模塊、主控模塊、WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)以及云端計(jì)算機(jī)構(gòu)成的能量感知系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee和各個(gè)WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)相連接，WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)采用多跳的形式連接，每個(gè)模塊均包含一個(gè)Zigbee進(jìn)行無(wú)線傳輸；

能量收集模塊用于采集外界環(huán)境中的太陽(yáng)能、風(fēng)能以及由水面波動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)能三種不同的能量，包括太陽(yáng)能面板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、震動(dòng)電機(jī)和調(diào)整電機(jī)，調(diào)整電機(jī)接收主控模塊的控制信號(hào)輸出給太陽(yáng)能面板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和震動(dòng)電機(jī)；

主控模塊包括MCU、LCD顯示、存儲(chǔ)和GPRS通信單元，MCU與LCD顯示單元、存儲(chǔ)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(tǒng)和環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)，功率信息融合模塊的輸入連接云端計(jì)算機(jī)，功率信息融合模塊的輸出連接決策支持子系統(tǒng)，決策支持子系統(tǒng)的輸出連接環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)，環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)的輸出連接能量收集模塊中的調(diào)整電機(jī)；

能量控制模塊包括功率檢測(cè)單元、DC-DC變換器和可充電電池，太陽(yáng)能面板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和震動(dòng)電機(jī)的輸出均連接功率檢測(cè)單元，功率檢測(cè)單元的輸出連接MCU中的功率信息融合模塊，功率檢測(cè)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(jié)點(diǎn)，WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)的輸出通過(guò)網(wǎng)關(guān)用有線網(wǎng)絡(luò)連接云端計(jì)算機(jī)，云端計(jì)算機(jī)與GPRS通信單元雙向交互連接；

云端計(jì)算機(jī)接收來(lái)自氣象局傳送的包括風(fēng)向和太陽(yáng)方位角的氣象數(shù)據(jù)，并將這些氣象數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS通信單元傳送給MCU中的功率信息融合模塊，經(jīng)過(guò)決策支持子系統(tǒng)最終由環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)把這些天氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，并將該控制信號(hào)傳送給能量收集單元中的調(diào)整電機(jī)，使調(diào)整電機(jī)調(diào)整能量收集模塊中的風(fēng)能電機(jī)和太陽(yáng)能電池板來(lái)接收目前三種環(huán)境能源中各自最大的能量，并將這些能量輸送到能量控制模塊中的功率檢測(cè)單元，功率檢測(cè)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(huán)境能量輸送到功率檢測(cè)單元中的電壓電流傳感器中，得到能量的電壓電流數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥M相乘器中，將電壓電流的數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘，由此計(jì)算出三種不同環(huán)境能源的功率數(shù)據(jù)，將這些功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU中的功率信息融合模塊進(jìn)行處理，同時(shí)，主控模塊中的GPRS通信單元通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取氣象局測(cè)得的太陽(yáng)能、風(fēng)能、震動(dòng)能三種能源的功率數(shù)據(jù)，在MCU的功率信息融合中利用融合公式將功率檢測(cè)單元得到的功率數(shù)據(jù)與氣象局的各個(gè)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并輸出到?jīng)Q策支持子系統(tǒng)中，在決策支持子系統(tǒng)中利用決策公式(MAX{P_solar,P_wind,P_vibrate}，得到三者的最大值，將其對(duì)應(yīng)的環(huán)境能源編號(hào)作為決策信息，輸出到環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)得到控制信號(hào)，再將該控制信號(hào)回傳給能量收集模塊中的調(diào)整電機(jī)，以選擇當(dāng)前最佳的環(huán)境能源給可充電電池進(jìn)行充電，可充電電池給WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)及主控模塊供能，主控模塊中的LCD顯示單元顯示當(dāng)前環(huán)境能源的功率，GPRS通信單元將采集到的當(dāng)?shù)丨h(huán)境信息發(fā)送到云端計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)單元?jiǎng)t是將歷史數(shù)據(jù)保存起來(lái)，云端計(jì)算機(jī)將接收到的主控模塊輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在網(wǎng)頁(yè)上發(fā)布這些采集到的當(dāng)?shù)丨h(huán)境信息，用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)地查詢當(dāng)?shù)丨h(huán)境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

上述方法可按以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟1：云端計(jì)算機(jī)接收來(lái)自氣象局傳送的包括風(fēng)向和太陽(yáng)方位角的氣象數(shù)據(jù)，并將這些氣象數(shù)據(jù)傳送給主控模塊的MCU，MCU中的環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)把這些天氣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，并將該控制信號(hào)傳送給能量收集單元中的調(diào)整電機(jī)；

步驟2：調(diào)整電機(jī)調(diào)整能量收集模塊中的風(fēng)能電機(jī)和太陽(yáng)能電池板來(lái)接收目前三種環(huán)境能源中各自最大的能量，并將這些能量輸送到能量控制模塊中的功率檢測(cè)單元；

步驟3：功率檢測(cè)單元接收到來(lái)自能量收集單元的能量后，功率檢測(cè)單元中的電壓電流傳感器得到電壓電流數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥M相乘器中，將電壓電流的數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘，由此計(jì)算出三種不同環(huán)境能源的功率數(shù)據(jù)并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(lái)自能量控制模塊的功率數(shù)據(jù)后，通過(guò)GPRS單元訪問(wèn)云端計(jì)算機(jī)獲取氣象局得到的太陽(yáng)能、風(fēng)能、震動(dòng)能三種能量的功率數(shù)據(jù)，在功率信息融合模塊中利用融合公式將功率檢測(cè)單元得到的功率數(shù)據(jù)與氣象局的各個(gè)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并輸出到?jīng)Q策支持子系統(tǒng)中，在決策支持子系統(tǒng)中得到?jīng)Q策信息，輸出到環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)得到控制信號(hào)，再將該控制信號(hào)回傳給能量收集模塊中的調(diào)整電機(jī)，選擇一個(gè)功率最大的作為當(dāng)前的自供電環(huán)境能源，并將該環(huán)境能源通知給能量控制模塊，能量控制模塊將對(duì)應(yīng)的環(huán)境能源輸送給整個(gè)系統(tǒng)，主控模塊中的LCD模塊顯示當(dāng)前選擇的環(huán)境能源及功率，存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)歷史選擇的環(huán)境能源及功率，GPRS模塊將當(dāng)前選擇的環(huán)境能源及功率上傳至云端計(jì)算機(jī)；

功率信息融合中利用的融合公式為：

P_solar＝P_solar1×ω₁+P_solar2×ω₂；

P_wind＝P_wind1×ω₁+P_wind2×ω₂；

P_vibrate＝P_vibrate1×ω₁+P_vibrate2×ω₂；

功率檢測(cè)單元傳出的太陽(yáng)能功率數(shù)據(jù)為P_solar1，風(fēng)能功率數(shù)據(jù)為P_wind1，震動(dòng)功率數(shù)據(jù)為P_vibrate1，功率檢測(cè)單元傳出的各個(gè)功率數(shù)據(jù)的權(quán)重為ω₁＝0.7；氣象局傳出的太陽(yáng)能功率數(shù)據(jù)為P_solar2，風(fēng)能功率數(shù)據(jù)為P_wind2，震動(dòng)功率數(shù)據(jù)為P_vibrate2，氣象局傳出的各個(gè)功率數(shù)據(jù)的權(quán)重為ω₂＝0.3；其中ω₁+ω₂＝1；P_solar代表最終融合后的太陽(yáng)能功率數(shù)據(jù)，P_wind代表最終融合后的風(fēng)能功率數(shù)據(jù)，P_vibrate代表最終融合后的震動(dòng)功率數(shù)據(jù)；

步驟5：能量控制模塊接收到當(dāng)前選擇的環(huán)境數(shù)據(jù)后，將當(dāng)前選擇的環(huán)境能源通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的能量給可充電電池充電，可充電電池給WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)及主控模塊供能。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果：本發(fā)明首先通過(guò)能量收集模塊調(diào)整最佳角度采集環(huán)境中的太陽(yáng)能、風(fēng)能、震動(dòng)能并傳送給能量控制模塊，能量控制模塊計(jì)算出不同環(huán)境能源的功率數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺啬K進(jìn)行處理，同時(shí)，主控模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀取氣象局的風(fēng)向和太陽(yáng)方位角等天氣數(shù)據(jù)，并把不同環(huán)境能源的功率數(shù)據(jù)和這些天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到控制信號(hào)，再將控制信號(hào)回傳給能量控制模塊，以選擇當(dāng)前最佳的環(huán)境能源給可充電電池進(jìn)行充電并給無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)及主控模塊供能。

本發(fā)明可以對(duì)三種環(huán)境能源進(jìn)行采集，采集設(shè)備包括太陽(yáng)能面板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、震動(dòng)電機(jī)，能量存儲(chǔ)采用了可充電電池，利用了可充電電池高能量密度和低漏電等優(yōu)點(diǎn)，組成了一個(gè)高效的能量供給系統(tǒng)。本發(fā)明采用了信息融合技術(shù)，隨著環(huán)境的不斷變化，能量收集模塊獲取的環(huán)境信息也在發(fā)生變化，這些信息進(jìn)入環(huán)境協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)后，形成了一種具有環(huán)境自適應(yīng)能力的能源分配方案，可以通過(guò)這種自適應(yīng)能力實(shí)現(xiàn)能量感知的最優(yōu)化。本發(fā)明中采用的能量采集及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)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(shuō)明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明功率檢測(cè)單元的原理圖；

圖3是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；

圖4是基于可重新配置策略的環(huán)境能源協(xié)同模型結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明方法基于包括能量收集模塊、能量控制模塊、主控模塊、WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)以及云端計(jì)算機(jī)構(gòu)成的能量感知系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee和各個(gè)WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)相連接，WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)采用多跳的形式連接。

能量收集模塊包括太陽(yáng)能面板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、震動(dòng)電機(jī)以及調(diào)整電機(jī)，調(diào)整電機(jī)接收主控模塊的控制信號(hào)輸出給太陽(yáng)能面板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、震動(dòng)電機(jī)；能量控制模塊包括功率檢測(cè)單元、DC-DC變換器和可充電電池，功率檢測(cè)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(chǔ)單元和GPRS通信單元，MCU與LCD顯示單元、存儲(chǔ)單元和GPRS通信單元均分別為雙向交互連接；太陽(yáng)能面板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和震動(dòng)電機(jī)的輸出連接功率檢測(cè)單元，功率檢測(cè)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(jié)點(diǎn)，WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)的輸出通過(guò)網(wǎng)關(guān)用有線網(wǎng)絡(luò)連接云端計(jì)算機(jī)，云端計(jì)算機(jī)與GPRS通信單元雙向交互連接；功率檢測(cè)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(tǒng)和環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)，其中功率信息融合的輸出連接決策支持子系統(tǒng)，決策支持子系統(tǒng)的輸出連接環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)，環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)的輸出連接能量收集模塊中的調(diào)整電機(jī)；每個(gè)模塊均包含一個(gè)Zigbee進(jìn)行無(wú)線傳輸。

所述能量收集模塊用于從外界環(huán)境中收集三種環(huán)境能源。能量控制模塊用于：1)檢測(cè)三種環(huán)境能源功率并將功率數(shù)據(jù)上傳至MCU；2)將能量收集模塊的能量通過(guò)DC-DC變換器轉(zhuǎn)換為電壓值為5V的能量，并將此能量輸送給可充電電池；3)為傳感器節(jié)點(diǎn)和主控模塊提供電力支持。主控模塊用于：1)通過(guò)能量控制模塊上傳的數(shù)據(jù)選擇當(dāng)前最適合使用的環(huán)境能源；2)將當(dāng)前環(huán)境能源實(shí)時(shí)功率顯示在LCD屏幕上；3)將環(huán)境能源的歷史功率存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊；4)將處理過(guò)的環(huán)境能源數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS通信模塊上傳至云端計(jì)算機(jī)。傳感器節(jié)點(diǎn)用于對(duì)當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，網(wǎng)關(guān)用于將無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳至云端計(jì)算機(jī)，用戶可以通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)查詢當(dāng)前環(huán)境參數(shù)。

本發(fā)明的環(huán)境能源采集是由太陽(yáng)能面板、風(fēng)力電機(jī)、震動(dòng)電機(jī)完成，MCU將不同的環(huán)境能源進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)以數(shù)字進(jìn)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(cè)單元，能量輸送到功率檢測(cè)單元中的電壓電流傳感器中，得到能量的電壓電流數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥M相乘器中，將電壓電流的數(shù)據(jù)進(jìn)行相乘，由此計(jì)算出三種不同環(huán)境能源的功率數(shù)據(jù)，將這些功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺啬K中的MCU進(jìn)行處理，不同的環(huán)境能源的功率數(shù)據(jù)輸入到MCU中的功率信息融合后進(jìn)行信息融合，之后將融合后的功率信息輸入到?jīng)Q策支持子系統(tǒng)，通過(guò)MCU的決策支持子系統(tǒng)做出決策，并將決策信息輸入到環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)，環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)產(chǎn)生控制信號(hào)來(lái)控制調(diào)整電機(jī)來(lái)選擇當(dāng)前最佳的環(huán)境能源。MCU充分利用氣象局和功率檢測(cè)單元2個(gè)信息資源，通過(guò)對(duì)2種信源及其觀測(cè)信息的合理支配與使用，從而調(diào)整環(huán)境能源的重新配置，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境能源最大利用率。

本發(fā)明中氣象局向云端計(jì)算機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有兩種，第一種是風(fēng)向和太陽(yáng)方位角的氣象數(shù)據(jù)，第二種是氣象局測(cè)得的太陽(yáng)能、風(fēng)能、震動(dòng)能三種能源的功率數(shù)據(jù)。

如圖2所示，本發(fā)明采用的功率檢測(cè)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(cè)單元中的電壓電流傳感器中并得到能量的電壓電流數(shù)據(jù)，并將這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥M相乘器中從而得到功率數(shù)據(jù)。電壓電流傳感器可采用霍爾電壓電流傳感器，模擬乘法器可采用MC1486。

如圖3所示，本發(fā)明是基于無(wú)線傳感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用自組織網(wǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)是以多跳的形式連通的。其中圖3中終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖1中的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的功能是由圖1中的網(wǎng)關(guān)完成的；圖3中的云端網(wǎng)絡(luò)和用戶對(duì)應(yīng)圖1中的云端；無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)上傳至云端網(wǎng)絡(luò)，最終用戶可以通過(guò)PC或移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

如圖4所示本發(fā)明可以通過(guò)氣象局傳來(lái)的風(fēng)向和太陽(yáng)方位角的氣象數(shù)據(jù)可以預(yù)先調(diào)整能量收集模塊中的風(fēng)能電機(jī)和太陽(yáng)能電池板以獲得最大的功率。首先氣象局傳來(lái)的風(fēng)向和太陽(yáng)方向的氣象數(shù)據(jù)最終送到MCU的環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)，環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)把風(fēng)向和太陽(yáng)方向轉(zhuǎn)換為7位編碼，前4位編碼代表風(fēng)向，后3位代表太陽(yáng)方位角，將此編碼作為控制信號(hào)傳送給調(diào)整電機(jī)；把東風(fēng)轉(zhuǎn)化為1000，東南風(fēng)轉(zhuǎn)化為1100，南風(fēng)轉(zhuǎn)化為0100，西南風(fēng)轉(zhuǎn)化為0110，西風(fēng)轉(zhuǎn)化為0010，西北風(fēng)轉(zhuǎn)化為0011，北風(fēng)轉(zhuǎn)化為0001，東北風(fēng)轉(zhuǎn)化為1001，以此來(lái)調(diào)整風(fēng)能電機(jī)朝向各個(gè)風(fēng)向達(dá)到最大功率；當(dāng)氣象局傳來(lái)的太陽(yáng)方位角為0～120°時(shí)，編碼為100，代表將控制調(diào)整電機(jī)調(diào)整太陽(yáng)能電池板朝向太陽(yáng)方位角90°，當(dāng)氣象局傳來(lái)的太陽(yáng)方位角為120～240°時(shí)，編碼為010，代表將控制調(diào)整電機(jī)調(diào)整太陽(yáng)能電池板朝向太陽(yáng)方位角180°，當(dāng)氣象局傳來(lái)的太陽(yáng)方位角為240～360°時(shí)，編碼為001，代表將控制調(diào)整電機(jī)調(diào)整太陽(yáng)能電池板朝向太陽(yáng)方位角270°，以此來(lái)調(diào)整太陽(yáng)能電池板達(dá)到最大功率。

如圖4所示，本發(fā)明的環(huán)境能源選擇是基于可重新配置策略的環(huán)境能源協(xié)同模型結(jié)構(gòu)，其中功率信息融合，環(huán)境能量協(xié)同策略機(jī)構(gòu)，決策支持子系統(tǒng)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(tǒng)和環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)，決策支持子系統(tǒng)的輸出連接環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)，環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)的輸出連接能量收集模塊中的調(diào)整電機(jī)和功率信息融合；隨著環(huán)境的不斷變化，能量收集模塊獲取的環(huán)境信息也在發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，能量收集模塊中的三種電機(jī)將變化后的功率信息輸送到主控模塊中的MCU，這些功率信息進(jìn)入MCU中的功率信息融合部分，將融合后的數(shù)據(jù)輸出給環(huán)境能量協(xié)同策略機(jī)構(gòu)和決策支持子系統(tǒng)，在決策支持子系統(tǒng)中形成了一種新的環(huán)境能源分配方案，并將決策信息輸出給環(huán)境能量協(xié)同策略機(jī)構(gòu)，環(huán)境能量協(xié)同策略機(jī)構(gòu)將決策信息轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)輸出給能量收集模塊，從而調(diào)整環(huán)境能源的重新配置，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)調(diào)整的、不斷優(yōu)化的功能。

功率信息融合的融合過(guò)程如下：功率檢測(cè)單元傳出的太陽(yáng)能功率數(shù)據(jù)為P_solar1，風(fēng)能功率數(shù)據(jù)為P_wind1，震動(dòng)功率數(shù)據(jù)為P_vibrate1，功率檢測(cè)單元傳出的各個(gè)功率數(shù)據(jù)的權(quán)重為ω₁＝0.7；氣象局傳出的太陽(yáng)能功率數(shù)據(jù)為P_solar2，風(fēng)能功率數(shù)據(jù)為P_wind2，震動(dòng)功率數(shù)據(jù)為P_vibrate2，氣象局傳出的各個(gè)功率數(shù)據(jù)的權(quán)重為ω₂＝0.3；其中ω₁+ω₂＝1；在功率信息融合接收完來(lái)自功率檢測(cè)單元和氣象局傳出的功率數(shù)據(jù)后開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到最終融合后的太陽(yáng)能功率數(shù)據(jù)P_solar，風(fēng)能功率數(shù)據(jù)P_wind，震動(dòng)功率數(shù)據(jù)P_vibrate，融合公式如下：

P_solar＝P_solar1×ω₁+P_solar2×ω₂；

P_wind＝P_wind1×ω₁+P_wind2×ω₂；

P_vibrate＝P_vibrate1×ω₁+P_vibrate2×ω₂；

將最終融合后的太陽(yáng)能功率數(shù)據(jù)P_solar，風(fēng)能功率數(shù)據(jù)P_wind，震動(dòng)功率數(shù)據(jù)P_vibrate傳送給決策支持子系統(tǒng)。

決策支持子系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：在接收到來(lái)自功率信息融合傳來(lái)的最終融合后的太陽(yáng)能功率數(shù)據(jù)P_solar，風(fēng)能功率數(shù)據(jù)P_wind，震動(dòng)功率數(shù)據(jù)P_vibrate后，決策支持子系統(tǒng)將三個(gè)數(shù)據(jù)輸入到?jīng)Q策公式MAX{P_solar,P_wind,P_vibrate}，得到三者的最大值，將其對(duì)應(yīng)的環(huán)境能源編號(hào)作為決策信息，并將此決策信息傳送給環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)。

環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程如下：在收到?jīng)Q策信息后，環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)將決策信息處理為三位0/1編碼，如果決策信息為1#，轉(zhuǎn)換后的編碼為100，如果決策信息為2#，轉(zhuǎn)換后的編碼為010，如果決策信息為3#，轉(zhuǎn)換后的編碼為001。將此編碼作為控制信號(hào)發(fā)送給能量收集模塊中的調(diào)整電機(jī)，調(diào)整電機(jī)收到此編碼后，將其余兩種環(huán)境能源進(jìn)行關(guān)閉，以達(dá)到選擇當(dāng)前最佳的環(huán)境能源的目的。

本發(fā)明是基于協(xié)同信息處理、無(wú)線傳感技術(shù)發(fā)明的自適應(yīng)能量感知環(huán)境監(jiān)測(cè)方法，主要由信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)同數(shù)據(jù)處理三部分組成。在環(huán)境能量收集的過(guò)程中，由能量收集模塊完成環(huán)境信息的采集。數(shù)據(jù)傳輸主要是由各個(gè)模塊里ZigBee或者GPRS模塊完成的。協(xié)同數(shù)據(jù)處理是由主控模塊和云端計(jì)算機(jī)完成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的互補(bǔ)。

本發(fā)明對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力，可以通過(guò)這種自適應(yīng)能力實(shí)現(xiàn)能量感知的最優(yōu)化，實(shí)施例步驟如下：

步驟1：根據(jù)圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接各模塊。

步驟2：將不同的環(huán)境能源進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)以數(shù)字進(jìn)行編碼，分別為1#，2#，3#。

步驟3：當(dāng)云端計(jì)算機(jī)接收到從氣象局那里獲得的風(fēng)向和太陽(yáng)方位角的氣象數(shù)據(jù)，并傳送給MCU中的環(huán)境能量協(xié)同控制策略機(jī)構(gòu)，從而獲得控制信號(hào)，控制能量收集模塊中調(diào)整電機(jī)預(yù)先調(diào)整風(fēng)能電機(jī)和太陽(yáng)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(lái)自能量控制模塊的功率數(shù)據(jù)后，將得到的數(shù)據(jù)和從云端計(jì)算機(jī)接收到的氣象局的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行信息協(xié)同處理，并將控制信號(hào)傳送給能量收集模塊中的調(diào)整電機(jī)，選擇一個(gè)功率最大的作為當(dāng)前的自供電能源。能量控制模塊負(fù)責(zé)將對(duì)應(yīng)的環(huán)境能源輸送給整個(gè)系統(tǒng)。

步驟5：可設(shè)置一個(gè)網(wǎng)關(guān)在湖邊，而網(wǎng)關(guān)則通過(guò)ZigBee和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)相連，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要與其覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，需經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)。

步驟6：主控模塊選用低功耗單片機(jī)Arduino。微控制器通過(guò)ZigBee向網(wǎng)關(guān)發(fā)送環(huán)境消息，再由網(wǎng)關(guān)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云端計(jì)算機(jī)。