一種水聲傳感器網絡及其節點部署及組網方法技術

本發明專利技術涉及一種水聲傳感器網絡及其節點部署及組網方法，其采用分層次分簇方式覆蓋目標水域，將網絡分成三個層次，每個層次劃分成若干個連續的三維空間；所述的水下普通傳感器節點均勻分布在目標區域的不同層次的不同深度，其感知、采集周圍物理環境數據，并以聲波鏈路形成若干個自組織分簇網絡；所述的水下移動節點能在目標水域移動，其對路線的水質變化進行評估，并將評估結果直接傳輸至水面浮標節點；所述的水面浮標節點集成混合通信模塊，通過聲波通信模塊接收、處理、匯聚及融合水下網絡數據，并通過無線電磁波通信模塊以多跳方式傳輸至陸地基站。本發明專利技術可實現遠程監控，監測范圍廣，可擴展性好，可靠性好，適用于諸多水下應用，有較好的應用前景。

【技術實現步驟摘要】
【專利說明】
本專利技術涉及一種網絡通信系統，具體涉及一種水聲傳感器網絡及其節點部署及組網方 法，屬于水下聲波傳感器網絡通信組網
【
技術介紹
】 水聲無線傳感器網絡（UnderwaterAcousticSensorNetworks，UASNs)是由多功能微 型水下傳感器節點以聲波通信鏈路自組織形成的無線網絡。它是借助水下傳感器節點裝配 的傳感器模塊，協作地實時監測、感知和采集水下環境下被測對象的數據，及借助其裝配的 浮筒模塊和氣泵控制節點的上下浮動，布設在不同深度形成三維網絡，并利用自帶的處理 器和存儲器分別進行處理和存儲，同時每個水下傳感器節點依賴聲波通信模塊接收及轉發 數據信息。但是，在水聲傳感器網絡的絕大多數應用中，節點無法回收再利用，且沒有考慮 水流引起的節點移動性及障礙物造成的盲點覆蓋區域，從而導致節點脫離拓撲控制范圍及 鏈路的損壞。因此，對于水下環境的全覆蓋監測，需要有效的節點部署方法及自配置組網維 護策略對目標區域進行實時可靠的監測。 目前，面向UASNs的傳統節點部署方法主要包括靜態節點部署、自主調整節點部 署和移動輔助節點部署。對于靜態節點部署方法，假設傳感器節點在部署之后是靜止的，其 方法簡單且高效節能，但其忽視了水流引起的移動性及障礙物造成的盲點覆蓋區域這兩個 不可避免的實際因素，因此，其不能解決大規模UASNs的實時監測應用問題。對于自主調整 節點部署方法，傳感器節點在初步部署后可以調節器在水下環境的位置，從而滿足一些特 定應用的需求，且考慮了節點的移動性，但其調整位置消耗額外的能量，網絡的平均能耗較 大。對于移動輔助節點部署方法，其利用自主水下航行器(AUVs)或無人水下航行器（UUVs) 等各種水下移動節點協助其它傳感器節點完成監測任務。但水下移動節點消耗能量非常 大，需要定時人工補充能量。 因此，為解決上述技術問題，確有必要提供一種創新的水聲傳感器網絡及其節點 部署及組網方法，以克服現有技術中的所述缺陷。 【
技術實現思路
】 為解決上述技術問題，本專利技術的目的在于一種水聲傳感器網絡，其以分層次分簇的目 標區域覆蓋方式，有效部署水下普通傳感器節點至不同層次的不同深度，形成自組織分簇 網絡，并利用水下移動節點自適應感知有損鏈路及盲點覆蓋區域，保證全網無死角覆蓋及 維護網絡的連通性，可實現遠程監控，監測范圍廣，可擴展性好，可靠性好，適用于諸多水下 應用，有較好的應用前景。 本專利技術的另一目的在于提供一種水聲傳感器網絡的節點部署及組網方法。 為實現上述第一目的，本專利技術采取的技術方案為：一種水聲傳感器網絡，其包括若 干水下普通傳感器節點、若干個水下移動節點以及若干個水面浮標節點；其采用分層次分 簇方式覆蓋目標水域，將網絡分成三個層次，每個層次劃分成若干個連續的三維空間；其 中，所述的水下普通傳感器節點均勻分布在目標區域的不同層次的不同深度，其感知、采集 周圍物理環境數據，并以聲波鏈路形成若干個自組織分簇網絡；所述的水下移動節點能在 目標水域移動，其對路線的水質變化進行評估，并將評估結果直接傳輸至水面浮標節點；所 述的水面浮標節點集成混合通信模塊，通過聲波通信模塊接收、處理、匯聚及融合水下網絡 數據，并通過無線電磁波通信模塊以多跳方式傳輸至陸地基站。 本專利技術的水聲傳感器網絡進一步為：所述的水下普通傳感器節點裝配有漂浮控制 模塊、水質傳感器模塊、聲波通信模塊、電源模塊及微控制器模塊，各節點部署在動態水流 中形成若干個分簇，每個簇的非簇頭節點只與本簇的簇頭以單跳方式通信，簇頭與簇頭根 據位置信息以多跳方式逐層將數據傳輸至水面浮標節點。 本專利技術的水聲傳感器網絡進一步為：所述的漂浮控制模塊包括用于提供浮力的浮 標氣囊模塊，用于控制浮標氣囊模塊膨脹程度的氣泵，以及用于減少水流引起的水平位移 的錨定模塊。 本專利技術的水聲傳感器網絡進一步為：所述的水下移動節點包括用于采集周圍物理 環境數據的水質傳感器模塊、用于獲取其游動姿態的陀螺儀與加速度傳感器模塊、用于避 開水下障礙物的避障傳感器模塊、用于發動螺旋槳的尾部無刷電機、用于配合控制改變方 向的方向舵與升降舵、用于整個水下移動節點執行操作的微控制器模塊、用于驅動氣泵抽 水入水或排出艙內水的控制電機、用于與相鄰簇頭節點及其它水下移動節點通信的水聲通 信模塊以及用于其供電的太陽能和蓄電池雙組合電源模塊。 本專利技術的水聲傳感器網絡進一步為：所述的分簇網絡在完成構建后，簇內進行通 信，且簇頭保持與相鄰的水下移動節點通信，及時匯報簇內的網絡狀態信息。 本專利技術的水聲傳感器網絡進一步為：所述的水下移動節點在感知、采集沿行進路 線的物理環境數據的同時負責維護網絡的連通性和可靠性，且與相鄰的簇頭保持聯系，其 根據相鄰多個簇頭反饋的簇內網絡狀態信息決定自己的行進路線。 本專利技術的水聲傳感器網絡還可為：所述的水下移動節點有兩種移動模式，一種是 在網絡正常情況下，按照預定的路線移動，對采集沿路線的物理環境數據，對路線的水質變 化進行評估，并將評估結果直接傳輸至水面浮標節點；另一種是在網絡出現問題時，根據相 鄰多個簇頭反饋的網絡狀態信息決定移動路線及功能，當非簇頭節點失效時，其移動到對 應位置充當非簇頭節點的角色，當無法選舉出簇頭時，其移動到對應的三維空間的中心位 置充當簇頭的角色，直到部署新的水下普通傳感器節點；網絡恢復正常后，水下移動節點返 回原來的路線行進。 為實現上述第一目的，本專利技術采取的技術方案為：一種基于水聲傳感器網絡的節 點部署及組網方法，其特征在于：包括如下步驟： 首先，配置需要部署的水下普通傳感器節點的漂浮控制模塊參數，并將節點均勻分布 在已經劃分好空間的目標區域；節點ID定義以劃分空間為依據；在投放水下移動節點后， 網絡進入初始化狀態；水下普通傳感器節點根據定義在相應的單位三維空間內形成分簇， 選擇簇頭，形成自組織網絡；水下移動節點按照預定的軌跡行進，多個水下移動節點可以根 據編隊控制對水域進行動態地監測水質變化； 然后，簇頭構建完成后，簇內組網通信成功，簇與簇之間組網通信成功，簇頭與相鄰的 水下移動節點通信成功，簇與水面浮標節點通信成功；簇內的非簇頭節點以單跳方式傳輸 至本簇的簇頭，簇頭廣播簇內的網絡狀態信息，相鄰簇頭接收信息后，以多跳方式轉發至水 面浮標節點，相鄰水下移動節點接收到信息后，根據其信息決定自己的行進路線； 其次，當水下移動節點接收到的數據包中有節點失聯的信息，首先判斷自己的能量是 否充足，若能量小于某個閾值，則浮于水面進行太陽能充電，充電結束后潛回原來的位置繼 續工作；若能量充足，則根據相鄰多個簇頭的信息包計算失聯節點的個數，若失聯節點數量 超過閾值，則部署新的水下普通傳感器節點，水下移動節點保持原來的軌跡行進；若失聯節 點數量不多，則根據位置信息移動至相應的位置充當其角色，直到新的水下普通傳感器節 點部署至該位置； 最后，新的水下普通傳感器節點部署完成后，能量小于閾值的舊水下普通傳感器節點 判定為死亡節點，其將浮標氣囊完全打開，使節點浮于水面；水下移動節點完成網絡維護任 務后，返回原來的路徑繼續行進。 本專利技術的水聲傳感器網絡的節點部署及組網方法進一步為：所述水面浮標節點采 用GPS模塊提供精確的地理位置，提供給本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種水聲傳感器網絡，其特征在于：包括若干水下普通傳感器節點、若干個水下移動節點以及若干個水面浮標節點；其采用分層次分簇方式覆蓋目標水域，將網絡分成三個層次，每個層次劃分成若干個連續的三維空間；其中，所述的水下普通傳感器節點均勻分布在目標區域的不同層次的不同深度，其感知、采集周圍物理環境數據，并以聲波鏈路形成若干個自組織分簇網絡；所述的水下移動節點能在目標水域移動，其對路線的水質變化進行評估，并將評估結果直接傳輸至水面浮標節點；所述的水面浮標節點集成混合通信模塊，通過聲波通信模塊接收、處理、匯聚及融合水下網絡數據，并通過無線電磁波通信模塊以多跳方式傳輸至陸地基站。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：洪榛，高學江，屠德展，潘曉曼，王瑞，
申請(專利權)人：浙江理工大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33