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环境监测传感器节点太阳能光伏板尺寸确定的新技术

DOI：10.1155/2019/9835138 期刊：Journal of Sensors 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 为避免定期更换电池并确保网络永不因断电离线，开发用于环境监测的永续供电传感器网络是传感器网络设计的主要目标之一。在许多环境监测应用中，传感器网络需联网运行，由于必须通过上行设备定期向服务器传输数据，其能耗预算较高。因此确定能在给定周期内为传感器网络提供足够能量的最佳太阳能板尺寸至关重要。传统太阳能光伏（PV）板选型技术基于平衡特定区域太阳能板额定功率与预期日照时长、负载瓦数及使用时长之间的关系。然而方位角与倾斜角校准、工作温度、灰尘堆积、间歇性日照以及影响每日最大辐射时长的季节效应等因素，都会降低预期输出功率并导致该技术严重低估所需太阳能板尺寸。这些因素大多超出人为控制范围，因此必须通过误差系数进行预算。确定误差系数大小不仅对防止太阳能板选型过小至关重要，也能避免因选型过大而增加传感器网络运行成本。但在需考虑众多参数时建立误差系数模型并非易事。同样重要的是，微气候概念可能导致相同气候区内两个规格相似的节点呈现截然不同的功率性能。因此需要改变这类系统的太阳能板选型理念。本文提出采用户外非受控环境中基于WSN的自动气象站实际观测的太阳辐射与电池荷电状态数据，进而建立两个数学模型——通过离散微积分模型和传递函数估计（TFE）模型，可根据当地天气模式确定确保电池始终高于给定阈值所需的最小太阳能光伏瓦数。预测值与观测值的电池荷电状态相关系数分别为0.844和0.935，均方根误差分别为9.2%和1.7%。结果表明这些模型在荷电状态预测及后续环境监测传感器网络理想太阳能板额定值确定方面表现优异。
作者： Maximus Byamukama，Roseline Akol，Julianne Sansa-Otim，Geofrey Bakkabulindi
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究为环境监测传感器节点配置太阳能光伏板的新技术，以确保持续供电并避免因电力问题导致网络中断。

研究成果

研究表明，在环境监测无线传感器网络中，自主网关和传感器节点可利用日照强度曲线与电池荷电状态有效建模为线性系统。离散微积分与传递函数估计技术提供了高预测精度和低误差幅度，使其适用于确定传感器网络的最优太阳能板尺寸。

研究不足

该研究在户外非受控环境中进行，这引入了一些影响结果准确性的非线性和时变因素。太阳辐射数据每15分钟测量一次，而电池荷电状态每3分钟测量一次，可能导致某些数值被低估或高估。蜂窝信号强度的变化以及传感器节点报告未能到达网关也引入了误差。

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