一種基于水聲傳感器網(wǎng)的移動輔助組網(wǎng)裝置及其組網(wǎng)方法
【專利說明】
[0001]【技術領域】
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，具體涉及一種基于水聲傳感器網(wǎng)的移動輔助組網(wǎng)裝置及其組網(wǎng)方法，屬于水下聲波傳感器網(wǎng)絡通信組網(wǎng)技術領域。
[0002]【【背景技術】】
水聲傳感器網(wǎng)絡(Underwater Acoustic Sensor Networks，UASNs)是由多功能微型水下傳感器節(jié)點以聲波通信鏈路自組織形成的無線網(wǎng)絡。它是借助水下傳感器節(jié)點裝配的傳感器模塊，協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集水下環(huán)境下被測對象的數(shù)據(jù)，及借助其裝配的浮筒模塊和氣泵控制節(jié)點的上下浮動，布設在不同深度形成三維網(wǎng)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(jié)點依賴聲波通信模塊接收及轉發(fā)數(shù)據(jù)信息。但是，在水聲傳感器網(wǎng)絡的絕大多數(shù)應用中，節(jié)點無法回收再利用，且沒有考慮水流引起的節(jié)點移動性及障礙物造成的盲點覆蓋區(qū)域，從而導致節(jié)點脫離拓撲控制范圍及鏈路的損壞。因此，對于水下環(huán)境的全覆蓋監(jiān)測，需要有效的節(jié)點部署方法及自配置組網(wǎng)維護策略對目標區(qū)域進行實時可靠的監(jiān)測。
[0003]目前，面向UASNs的傳統(tǒng)節(jié)點部署方法主要包括靜態(tài)節(jié)點部署、自主調整節(jié)點部署和移動輔助節(jié)點部署。對于靜態(tài)節(jié)點部署方法，假設傳感器節(jié)點在部署之后是靜止的，其方法簡單且高效節(jié)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(qū)域這兩個不可避免的實際因素，因此，其不能解決大規(guī)模UASNs的實時監(jiān)測應用問題。對于自主調整節(jié)點部署方法，傳感器節(jié)點在初步部署后可以調節(jié)其在水下環(huán)境的位置，從而滿足一些特定應用的需求，且考慮了節(jié)點的移動性，但其調整位置消耗額外的能量，網(wǎng)絡的平均能耗較大。對于移動輔助節(jié)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(jié)點協(xié)助其它水下傳感器節(jié)點完成監(jiān)測任務。但水下移動節(jié)點消耗能量非常大，需要定時人工補充能量。
[0004]因此，為解決上述技術問題，確有必要提供一種創(chuàng)新的基于水聲傳感器網(wǎng)的移動輔助組網(wǎng)裝置及其組網(wǎng)方法，以克服現(xiàn)有技術中的所述缺陷。
[0005]【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
為解決上述技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于水聲傳感器網(wǎng)的移動輔助組網(wǎng)裝置，其采用太陽能電池和蓄電池雙電源供電模式及事件觸發(fā)機制，解決了水流引起的移動性及障礙物造成的盲點覆蓋區(qū)域問題，保證全網(wǎng)無死角覆蓋及維護網(wǎng)絡的連通性，且無需人工補充能量，特別適用于水下傳感器節(jié)點構成的分布式分簇三維網(wǎng)絡，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控，監(jiān)測范圍廣，可靠性好，適用于諸多水下應用，有較好的應用前景。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于水聲傳感器網(wǎng)的移動輔助組網(wǎng)裝置的組網(wǎng)方法。
[0007]為實現(xiàn)上述第一目的，本發(fā)明采取的技術方案為:一種基于水聲傳感器網(wǎng)的移動輔助組網(wǎng)裝置，其包括用于采集周圍物理環(huán)境數(shù)據(jù)的水質傳感器模塊、用于獲取其游動姿態(tài)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(fā)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、用于整個多功能移動輔助組網(wǎng)裝置執(zhí)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(nèi)水的氣泵控制電機、用于與相鄰分簇內(nèi)的簇頭節(jié)點及與其它多功能移動輔助組網(wǎng)裝置通信的水聲通信模塊以及用于其供電的太陽能電池和蓄電池雙組合電源模塊。
[0008]本發(fā)明的基于水聲傳感器網(wǎng)的多功能移動輔助組網(wǎng)裝置進一步為:其有兩種移動模式，一種是在分簇網(wǎng)絡正常情況下，按照預定的路線移動，其功能是采集沿路線的物理環(huán)境數(shù)據(jù)，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(jié)點；另一種是在分簇網(wǎng)絡出現(xiàn)問題時，根據(jù)反饋的網(wǎng)絡狀態(tài)信息決定移動路線及功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡的無死角全覆蓋及自配置維護；網(wǎng)絡恢復正常后，多功能移動輔助組網(wǎng)裝置返回原來的路線行進。
[0009]為實現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明采取的技術方案為:一種基于水聲傳感器網(wǎng)的移動輔助組網(wǎng)裝置的組網(wǎng)方法，其特征在于:包括如下步驟:
首先，配置需要部署的水下傳感器節(jié)點的漂浮控制模塊參數(shù)，并將節(jié)點均勻分布在目標區(qū)域的不同深度；在投放多功能移動輔助組網(wǎng)裝置后，網(wǎng)絡進入初始化狀態(tài)；水下傳感器節(jié)點在三維空間內(nèi)形成若干個分簇，每個分簇選擇簇頭，形成自組織網(wǎng)絡；
然后，分簇構建完成后，簇內(nèi)組網(wǎng)通信成功，簇與簇之間組網(wǎng)通信成功，簇頭與相鄰的多功能移動輔助組網(wǎng)裝置通信成功，簇與水面浮標節(jié)點通信成功；簇內(nèi)的非簇頭節(jié)點以單跳方式傳輸至本簇的簇頭，簇頭廣播簇內(nèi)的網(wǎng)絡狀態(tài)信息，相鄰簇頭接收信息后，以多跳方式轉發(fā)至水面浮標節(jié)點，相鄰多功能移動輔助組網(wǎng)裝置接收到信息后，根據(jù)其信息決定自己的行進路線；
其次，當多功能移動輔助組網(wǎng)裝置接收到的數(shù)據(jù)包中有節(jié)點失聯(lián)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(xù)工作；若能量充足，則根據(jù)相鄰多個簇頭的信息包計算失聯(lián)節(jié)點的個數(shù)，若失聯(lián)節(jié)點數(shù)量超過閾值，則部署新的水下傳感器節(jié)點，多功能移動輔助組網(wǎng)裝置保持原來的軌跡行進；若失聯(lián)節(jié)點數(shù)量不多，則根據(jù)位置信息移動至相應的位置充當其角色，直到新的水下傳感器節(jié)點部署至該位置；
最后，新的水下傳感器節(jié)點部署完成后，能量小于閾值的舊水下傳感器節(jié)點判定為死亡節(jié)點，其將浮標氣囊完全打開，使節(jié)點浮于水面；多功能移動輔助組網(wǎng)裝置完成網(wǎng)絡維護任務后，返回原來的路徑繼續(xù)行進。
[0010]本發(fā)明的基于水聲傳感器網(wǎng)的移動輔助組網(wǎng)裝置的組網(wǎng)方法進一步為:所述閾值為該層部署多功能移動輔助組網(wǎng)裝置個數(shù)的二分之一。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
(I)多功能移動輔助組網(wǎng)裝置采用太陽能和蓄電池雙電源組合供電，在電量不足的情況下可以浮于水面進行太陽能充電，延長了多功能移動輔助組網(wǎng)裝置的工作生命周期。
[0012](2)多功能移動輔助組網(wǎng)裝置的移動行為采用自適應優(yōu)化控制算法及事件觸發(fā)機制，當節(jié)點失聯(lián)事件觸發(fā)后，可以及時移動至對應位置充當其角色，實現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋及連通性，并保證與分簇內(nèi)的簇頭通信的同時減少行進距離，節(jié)省能耗。
[0013](3)多功能移動輔助組網(wǎng)裝置在網(wǎng)絡正常情況下按照預定的路線移動，其采集沿路線的物理環(huán)境數(shù)據(jù)，對路線的水質變化進行評估，最終監(jiān)控中心可以獲得動態(tài)的水下環(huán)境數(shù)據(jù)。
[0014](4)多個多功能移動輔助組網(wǎng)裝置以自適應感知有損鏈路及盲點覆蓋區(qū)域的方式，及時補上盲點覆蓋區(qū)域，可實現(xiàn)全網(wǎng)無死角覆蓋及連通性。
[0015](5)其有效解決水流引起的節(jié)點移動性及障礙物造成的鏈路中斷問題，在水下傳感器節(jié)點分布稀疏或鏈路中斷情況下，該多功能移動輔助組網(wǎng)裝置能夠及時移動至相應位置充當其角色，實現(xiàn)網(wǎng)絡的自配置維護。該裝置具有擴展靈活、高效率、高可靠性等特點，為水下聲波傳感器網(wǎng)