CN103209224A

CN103209224A - 基于p2p的水声传感器网络系统及其数据传输方法

Info

Publication number: CN103209224A
Application number: CN2013101563095A
Authority: CN
Inventors: 徐�明; 刘广钟; 吴华锋; 孙伟
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-04-28
Also published as: CN103209224B

Abstract

本发明涉及一种基于P2P的水声传感器网络系统及其数据传输方法，多个水声传感器节点设置于水中进行数据采集，采用随机线性编码方式对数据进行网络编码，然后根据水声传感器节点的地理位置来选择路由节点进行数据传输，从而利用水声换能器与其它水声传感器节点通信以逐步转发数据至距离水面更近的水声传感器节点，直至发送至水面上的中继节点，由中继节点通过GPRS发送至岸上的汇聚节点，本发明使得汇聚节点的部署不再受传统水声传感器网络体系结构中地理位置和距离的限制，并且能够在水声信道链路丢包率较高的情况下保证数据上传的完整性和数据传输率，有效降低网络中冗余数据包重传造成的能量消耗，进而提高水声传感器网络系统的使用寿命。

Description

基于P2P的水声传感器网络系统及其数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种基于P2P的水声传感器网络系统及其数据传输方法，属于传感器网络应用技术领域。

背景技术

水声传感器网络是水声通信技术与传感器网络技术相结合所产生的一个新的研究领域。水声传感器网络可以对水声传感器节点所覆盖的区域进行中长期的水下预警、水质污染监测、海洋水文环境要素监测，并且在目标跟踪与识别、入侵检测等海洋军事安全领域都具有广阔的应用前景。

由于水声传感器网络部署在水下，采用声波进行通信，而声波在水下的传播速度比无线电波在空气中的传播速度少5个数量级，因此通信延迟问题非常严重。此外，由于水下信道的复杂性，传感器节点之间的链路质量容易受到环境噪声等因素的干扰，严重影响了水声传感器网络的数据传输速率、通信信道的可靠性和网络吞吐量。因此，传统的陆上无线传感器网络以及其它自组织网络中许多研究成果无法直接应用于水声传感器网络，使得水声传感器网络系统的设计和应用面临很大的挑战。

为了适应水下环境，水声传感器网络节点用自组织和自治的方式组网，通过节点之间的协同来感知、采集和处理监测区域中感知对象的信息，并将信息传输给观察者完成特定的监测任务。传感器节点采集到的数据通过水声通信的方式传输到水面或者岸上汇聚节点进行存储。根据汇聚节点数量的不同，水声传感器网络采用单汇聚节点路由协议或者多汇聚节点路由协议来选择路由路径。当数据存储到多个汇聚节点时，各个汇聚节点之间一般通过射频通信的方式进行数据传输。为了保证数据传输的质量，汇聚节点之间部署的物理距离十分有限。此外，水声传感器节点由于成本高、能耗大以及水声通信长延迟的特点限制了节点的部署密度。因此，依托现有网络体系结构和数据传输技术构建的水声传感器网络系统在大范围水域环境下，会出现网络易分割、数据传输易中断以及传输延迟长的问题，导致数据传输效率低下。所以，当前迫切需要提供一种适用于大范围水域环境的水声传感器网络系统及其数据传输方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于P2P的水声传感器网络系统及其数据传输方法，使得汇聚节点的部署不再受传统水声传感器网络体系结构中地理位置和距离的限制，并且能够在水声信道链路丢包率较高的情况下保证数据上传的完整性和数据传输率，有效降低网络中冗余数据包重传造成的能量消耗，进而提高水声传感器网络系统的使用寿命。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种基于P2P的水声传感器网络系统，其包括：若干个水声传感器节点、若干个中继节点、若干个汇聚节点，和若干个P2P节点；

所述中继节点通过浮标或者船载的方式漂浮在水面上，并且能够通过无线通信方式与岸上的汇聚节点进行信息交互，再通过所述汇聚节点与P2P节点的信息交互，以及所述P2P节点与其他P2P节点的信息交互来传输采集的数据供后续处理；

多个所述水声传感器节点位于水中的不同深度，其中一些水声传感器节点直接悬挂于水面上的中继节点下方，另一些水声传感器节点利用浮标通过锚泊方式悬浮于水中；

其中，每个所述水声传感器节点设置有两个数据通信接口，其中一个接口为CAN总线接口，能够通过CAN总线与中继节点直接进行数据通信；另一个接口为水声通信接口，能够使用水声换能器与其它水声传感器节点进行数据通信，从而将任意一个水声传感器节点采集到的数据逐步转发给距离水面更近的水声传感器节点，直至通过CAN总线传输到水面上的中继节点，形成完整的水声通信路由路径。

所述水声传感器节点中，包括：

能够将探测到的水下声信号转换为电信号的水听器，依次对电信号进行相应处理的衰减保护模块、前置放大模块、带通滤波器和A/D转换模块，和对转换得到的数字信号实现数据处理和硬件逻辑设计的FPGA中央处理模块；以及，

对所述FPGA中央处理模块处理后输出的数据信号，依次进行相应处理的D/A转换模块、平滑滤波器、功率放大模块和匹配网络模块，和由阻抗匹配后的电信号激发产生机械振动的换能器，从而推动水介质向水中发射声波信号，以便与其它水声传感器节点进行水声通信；

所述水声传感器节点中还包括，与所述FPGA中央处理模块信号连接的以下装置：能够为水声传感器节点的各个模块和芯片供电，并且通过程控方式切换水声传感器节点的工作或者休眠状态的电源管理模块，以及负责提供时钟日历、记录数据收发的时间并能够通过读取芯片内部寄存器进行报警的时钟管理模块；所述时钟管理模块的芯片还能够在节点处于休眠状态时由法拉电容供电；

所述水声传感器节点中的CAN通信接口，与所述FPGA中央处理模块信号连接，作为水声传感器节点与中继节点之间的数据通信接口。

所述中继节点中，包括负责控制指令下达的主控模块，以及分别与所述主控模块信号连接的以下装置：

负责数据的接收、发送和存储的前置机，作为中继节点与水声传感器节点之间的数据通信接口的CAN通信接口，为中继节点的各个模块和芯片供电以及节能控制的电源管理模块，以及作为中继节点与汇聚节点之间的数据通信接口的GPRS无线通信模块；

其中所述GPRS无线通信模块设置有微控制器和GPRS模块，所述微控制器通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器来减少中断响应时间，从而提高GPRS模块的收发性能。

所述汇聚节点中，包括：负责电源控制、产生时序以及工作模式切换的微控制器，以及分别与所述微控制器信号连接的以下装置：

负责为汇聚节点的各个模块和芯片供电的电源模块，作为汇聚节点与中继节点之间的数据通信接口的GPRS无线通信模块，作为汇聚节点与P2P节点之间的数据通信接口的RS232串口通信模块。

所述P2P节点中，包括：负责向水声传感器节点下达各类控制指令并且控制数据接收和发送，同时负责控制与其它P2P节点进行数据接收和发送的上位机，以及分别与所述上位机信号连接的以下装置：

负责为P2P节点的各个模块和芯片供电的电源模块，负责数据存储管理的存储模块，作为P2P节点与汇聚节点之间的数据通信接口的RS232串口通信模块，以及作为P2P节点之间的数据通信接口并基于UDP的协议进行数据通信的以太网卡。

本发明的另一个技术方案是提供一种上述基于P2P的水声传感器网络系统的数据传输方法：

多个水声传感器节点设置于水中进行数据采集，其中距离水面距离较远的水声传感器节点所采集的数据，利用水声换能器与其它水声传感器节点进行数据通信以逐步转发至距离水面更近的水声传感器节点；其中，采用随机线性编码方式对数据进行网络编码，然后根据水声传感器节点的地理位置来选择路由节点进行数据传输，以减小链路丢包率增大时对数据包传送率造成的影响，并降低网络中冗余数据包重传造成的能量消耗；

距离水面更近的水声传感器节点，将其自身采集的数据或由其它水声传感器节点向其发送的数据，通过CAN总线发送至漂浮在水面上的中继节点；所述中继节点通过GPRS无线通信方式，与岸上的汇聚节点进行信息交互；所述汇聚节点通过RS232串口与P2P节点进行信息交互；所述P2P节点进一步基于UDP协议，与其他P2P节点进行信息交互来传递数据。

所述随机线性编码，包含以下步骤：

首先，源节点将要发送的数据包分组，假设K个数据包分成一组，分组后的数据包可以表示为X ₁, X ₂,…, X _K；然后，将这K个数据包编码成m个编码包，并产生m组随机数

Figure 2013101563095100002DEST_PATH_IMAGE001

，再根据公式（1）用每组随机数对组内的原始数据进行编码：

（1）

其中，Y _i是编码数据块，由每个原始数据X _j（j=1,2,…,K)与相应的随机数相乘并累加获得。

假设链路丢包率为e，则链路的可靠性为1-e，那么将一个编码包从源节点经过一条h跳的路径成功转发到汇聚节点的概率为(1-e)^h，而成功发送一组数据包的概率r _s可用公式（2）计算得到：

Figure 2013101563095100002DEST_PATH_IMAGE003

（2）

这组包中每个原始数据包在路径中被转发的次数N由公式（3）计算得到：

（3）

因为一个编码包的包头要携带编码系数，所以一个编码包的长度是原始数据包的长度与全局编码向量域的长度之和；假设全局编码向量占b个字节，则全局编码向量域的长度为bK；若一个数据包的长度为l _p，那么一个数据包与一个编码包的长度之比为l _p/(l _p+bK)；

由于节点在路由的过程中实际消耗的能量与数据包转发的次数成正比关系，对于任一数据包，令T _i代表该数据包从第i-1个节点转发到第i个节点的平均次数，则数据包转发的总平均次数T可由公式（4）计算得到：

Figure 2013101563095100002DEST_PATH_IMAGE005

（4）

令φ _i,k代表路由路径中第i个路由节点（1≤i≤h）接收到k个数据包的概率，则r _s=φ _h,K；而第1个路由节点从源节点接收到k个数据包的概率可用公式（5）计算得到：

（5）

其中m≥K；当i≥1，0≤k<K时，φ _i+1,k可用公式（6）计算得到：

Figure 2013101563095100002DEST_PATH_IMAGE007

（6）

然后，根据公式（7）来计算T _i的值：

（7）

最后，将公式（2）和公式（7）代入公式（4）计算出T的值，并以此来计算水声传感器节点在路由过程中实际的能量消耗。

水声传感器节点所用基于网络编码的地理位置路由协议，包含如下步骤：

步骤a：路由路径初始化；

步骤b：计算邻居节点以及目标节点与本地节点夹角的余弦值；

步骤c：选择余弦值最大的邻居节点作为数据转发的候选节点；

步骤d：根据公式（3）计算数据包的转发次数N；

步骤e：提取编码系数；

步骤f：本地节点创建并发送新编码包至候选节点；

步骤g：重复转发过程直到数据包传送到目标节点；

步骤h：通过高斯消元法计算线性不相关编码系数m的值；

步骤i：目标节点按照公式（8）对数据包进行解码:

（8）

汇聚节点收到每组第一个包后为该组包设定重传定时器；此后，每收到一个编码包便用高斯消元法判断该编码包包头携带的编码系数是否与已经收到的同组编码包的系数线性不相关；若是，则存储此包，并统计其数量；根据随机线性网络编码理论，只要汇聚节点接收到的线性不相关编码包的个数达到数据包分组大小K，则表示该组可以成功解码；如果汇聚节点在重传定时器时间范围内未收到足够多的解码包，则发送重传请求给上一跳节点，并重新设定重传定时器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1．本发明对汇聚节点之间的部署距离没有要求，可以满足大范围水域的应用需求；

2．本发明对水声传感器网络的拓扑结构以及节点部署密度没有特殊要求，因此适用范围更广；

3．本发明能够在水声信道链路丢包率较高的情况下保证数据上传的完整性，并且保持更高的数据传输率；

4．本发明能够有效降低网络中冗余数据包重传造成的能量消耗，进而提高水声传感器网络的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一个实施例中的基于P2P的水声传感器网络体系结构示意图；

图2为本发明一个实施例中的水声传感器节点硬件结构图；

图3为本发明一个实施例中的中继节点硬件结构图；

图4为本发明一个实施例中的汇聚节点硬件结构图；

图5为本发明一个实施例中的P2P节点硬件结构图；

图6为本发明一个实施例中的水声通信变长数据帧结构图；

图7为本发明一个实施例中的CAN总线接收中断子程序流程图；

图8为本发明一个实施例中的CAN总线控制芯片初始化配置流程图；

图9为本发明一个实施例中的CAN总线数据发送子程序流程图；

图10为本发明一个实施例中的水声通信收发处理程序流程图；

图11为本发明一个实施例中的P2P节点数据通信流程图；

图12为三种路由协议数据包传送率与平均跳数之间关系的仿真分析比较；

图13为三种路由协议数据包传送率与链路丢包率之间关系的仿真分析比较；

图14为三种路由协议能量消耗与链路丢包率之间关系的仿真分析比较。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，提供了一种基于P2P的水声传感器网络系统，它包括水声传感器节点1、CAN总线2、中继节点3、汇聚节点4和P2P节点5，所述中继节点通过浮标或者船载的方式漂浮在水面上，并且可以通过GPRS无线通信方式与岸上的汇聚节点进行信息交互。所述水声传感器节点可以直接悬挂到水面的中继节点上或者利用浮标通过锚泊方式悬浮于水中。此时，调节水声传感器节点和锚之间的绳长可以把水声传感器节点固定到不同的深度。水声传感器节点拥有两个数据通信接口，其中一个接口为CAN总线接口，可以通过CAN总线与中继节点直接进行数据通信；另一个接口为水声通信接口，该接口使用水声换能器与其它水声传感器节点进行数据通信，可以将采集到的信息通过逐步转发给距离水面更近的其它水声传感器节点，直至到达水面上的中继节点，形成完整的水声通信路由路径。

如图2所示，本发明设计的水声传感器节点装置包括水听器1-1、衰减保护模块1-2、前置放大模块1-3、带通滤波器1-4、A/D转换模块1-5、FPGA中央处理模块1-6、D/A转换模块1-7、平滑滤波器1-8、功率放大模块1-9、匹配网络模块1-10、换能器1-11、电源管理模块1-12、时钟管理模块1-13和CAN通信接口1-14。水听器1-1将探测到的水下声信号转换为电信号，经过衰减保护模块1-2后传送到前置放大模块1-3对电信号进行放大处理，然后由带通滤波器1-4过滤掉噪声，经过A/D转换模块1-5将模拟信号转换为数字信号后传送到FPGA中央处理模块1-6进行处理。FPGA 中央处理模块1-6主要用来实现数据处理和硬件逻辑设计，包括协议栈、编解码、调制解调和数字滤波等。在设计中，选用 Altera公司CycloneII系列的EP2C20芯片，该芯片可以搭载一个用户可配置的Nios II软核嵌入式处理器来调整嵌入式系统的特性和性能，以便增加设计的灵活性。FPGA 中央处理模块1-6输出的数字信号首先经过D/A转换模块1-7转换为模拟信号，然后由平滑滤波器1-8去除噪声，经过功率放大模块1-9进行放大处理后，由匹配网络模块1-10进行调频和变阻处理，然后将阻抗匹配后的电信号传输到换能器1-11，激发换能器1-11产生机械振动，推动水介质向水中发射声波信号，以便与其它水声传感器节点进行水声通信。电源管理模块1-12主要负责为水声传感器节点的各个模块和芯片供电，提供板上所需的4种电压：±5V、±12V、单5V和3.3V。电路中采用LM2576电压转换芯片来进行电压的转换。此外，该芯片通过程控的方式切换水声传感器节点的工作或者休眠状态可以满足节点节能和低功耗设计的需要。时钟管理模块1-13负责提供时钟日历，记录数据收发的时间，在设计中选用 Philips公司的PCF8563芯片。该芯片的时钟模块可以配置的参数包括年、月、日、时、分和秒，并且可以通过读取芯片内部寄存器进行报警。当节点处于休眠状态时，该芯片可以由法拉电容对其进行供电。CAN通信接口1-14负责作为水声传感器节点与中继节点之间的数据通信接口，在设计中选用Philips公司的SJA1000控制器和与其配套的82C250总线收发器。SJA1000支持CAN 2.0A/B标准，而82C250总线收发器可以支持110个CAN节点，因此芯片的扩展性很好。

如图3所示，本发明设计的中继节点装置包括主控模块3-1、前置机3-2、CAN通信接口3-3、电源管理模块3-4和GPRS无线通信模块3-5。主控模块3-1负责控制指令的下达。前置机3-2负责数据的接收、发送和存储。CAN通信接口3-3负责作为中继节点与水声传感器节点之间的数据通信接口。电源管理模块3-4负责为中继节点的各个模块和芯片供电以及节能控制。GPRS无线通信模块3-5负责作为中继节点与汇聚节点之间的数据通信接口，主要由微控制器和GPRS模块组成。微控制器选用意法半导体公司的STM32FIO3VET6微控制器，GPRS模块选用Skyworks公司的ZTG201。STM32FIO3VET6微控制器通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器可以起到减少中断响应时间的作用，从而提高GPRS模块的收发性能。

如图4所示，本发明设计的汇聚节点装置包括微控制器4-1、电源模块4-2、GPRS无线通信模块4-3和RS232串口通信模块4-4。微控制器4-1负责控制电源模块、产生时序以及工作模式的切换。电源模块4-2负责为汇聚节点的各个模块和芯片供电。由于汇聚节点部署在岸上，供电较为方便，因此在设计中不用考虑节能的需要。GPRS无线通信模块4-3负责作为汇聚节点与中继节点之间的数据通信接口。RS232串口通信模块4-4负责作为汇聚节点与P2P节点之间的数据通信接口，在设计中选用MAX202E芯片作为RS232串行接口的驱动器。

如图5所示，本发明设计的P2P节点装置包括上位机5-1、电源模块5-2、存储模块5-3、RS232串口通信模块5-4和以太网卡5-5。上位机5-1负责向水声传感器节点下达各类控制指令并且控制数据的接收和发送。同时，也负责向其它P2P节点接收和发送数据。电源模块5-2负责为P2P节点的各个模块和芯片供电。存储模块5-3负责数据的存储管理。RS232串口通信模块5-4负责作为P2P节点与汇聚节点之间的数据通信接口。以太网卡5-5负责作为P2P节点之间的数据通信接口，在设计中采用UDP协议进行数据通信，这样传输帧可以包含更大的数据区。

如图6所示，水声传感器节点周期性的上传信息以及水声通信的大数据信息采用变长数据帧来传送。这些数据的实时性要求相对不高，但是数据量和数据长度的变化较大，因此必须考虑数据包的拆分问题。为了区分各数据帧，每帧开头设置一个字节的前导帧头，表示新数据帧的开始。地址分类用来设置地址的表达形式。取值为0表示位置地址，取值为1表示标示符地址。源节点地址和目的节点地址分别表明数据包的来源和目的地。工作模式指源节点的工作模式，为单字节字段，具体说明如表1所示：

表1

0x00	系统自检模式
		0x01	集中参数配置模式
0x02	水声节点程序IAP模式
		0x03	点对点单向通信测试模式
0x04	点对点双向通信测试模式
		0x05	码分多址通信测试模式
0x06	水声数字存储示波器模式
		0x07	时分多址通信测试模式

命令字段包含1个字节的主命令和2个字节的扩展命令。扩展命令用于对主命令进行扩展。数据单元是可选的，具有数据单元的数据包主要包括集中参数配置数据包、工作过程参数配置数据包、工作过程参数配置确认信息、集中参数配置确认信息、属性参数读取信息回传、程序数据下传命令、报告水声节点收到数据、报告水声节点发送数据。为了判断帧数据的有效性，通常加入一个字节的校验码。帧尾用来表示一个数据帧的结束，这里定义数值FF为帧尾。

每个水声传感器节点都有自己固定的标识地址，并且节点数小于128。同时将中继节点CAN模块设为主节点，水声传感器节点设为从节点。完成的功能包括：主从节点之间的数据连接、主从节点之间的信息交换、故障报警信息的上传及确认、相关特定信息的广播、从节点大容量信息文件的上传，如水声数据和主节点转发P2P节点下载的应用程序文件。

水声传感器节点上传信息传输帧的标识符为29位，采用帧优先原则分配标识符,不同信息类型有不同的优先权，优先权决定了各种信息帧在同等情况下的发送顺序。对重要的命令和数据采用应答确认帧以保证通信正常。具体字段包括优先级、控制域、节点地址、类型编号和传输原因。其中，最高2位可以表示优先级“00”、“01”、“10”和“11”。默认级别为“11”，其优先级最低。故障报警优先级为“00”，优先级最高。文件下载/上传优先级为“01”，查询命令/数据回传优先级为“10”，消息返回优先级为“11”。控制域可以表示传输方向、传输模式、帧计数位、帧计数位有效性和数据类型。节点地址由7位组成，可以表示128个节点。类型编号总共10位，0x000表示广播，0x3FF 作为单点信息上传使用。0x000-0x3FF 中间的编号为周期性信息上传时的信息组号。传输原因类型如表2所示：

表2

0x00	初始化完成
		0x01	请求应答
0x02	参数设置应答
		0x03	码分多址命令应答
0x04	大数据传输开始
		0x05	周期性连续帧传输
0x06	确认

节点上的CAN总线通信，在主程序循环前需要对CAN总线控制芯片SJA1000的内部寄存器进行初始化配置，配置的主要参数包括波特率、CAN 类型和节点的ID号等。所有的初始化参数配置必须在复位模式下完成，配置完毕后，将控制器配置到工作模式下使其进行正常信息的收发。接收采用中断模式，用来及时响应中继节点下达的指令；状态参数的发送采用定时回传模式，用来向中继节点发送节点状态和物理量参数等信息。

图7为本发明一个实施例中的CAN总线接收中断子程序流程图。首先，进入CAN中断子程序入口。然后，读取CAN总线控制芯片SJA1000的ID寄存器数据，并且判断标示符位是否与本节点的ID一致。如果一致，则接收数据并且做出相应的处理。否则，直接返回主程序。

图8为本发明一个实施例中的CAN总线控制芯片初始化配置流程图。初始化过程开始后，首先要禁能主控制器中断源。然后，请求进入复位模式。如果CAN寄存器尚未复位，则循环该请求。否则，依次配置时钟分频寄存器、验收代码寄存器、总线定时寄存器和输出寄存器的数值。接下来，读取写复位标志。如果写复位标志不为0，则反复读取该标志位。反之，则使能主控制器外部中断。最后，结束初始化配置过程。

图9为本发明一个实施例中的CAN总线数据发送子程序流程图。开始发送前，先进行初始化位速率的操作。然后，判断数据寄存器是否为空。如果不为空，则继续初始化位速率。否则，计算ID值并将相应寄存器置为该值。接着，计算数据字节长度并将相应寄存器置为该值。再将数据字节的内容赋值到数据存储寄存器。然后，清寄存器标志位并且启动发送直到数据发送结束。

水声信道数据的收发都采用中断的方式，通过水声通信收发程序可以完成信息的发送和接收。发射的信息格式为：前导→同步头→数据→帧结尾。其中每个参数的字节数都可以通过参数化编程进行配置。当水声传感器节点处于水下工作状态时，模拟通道前端部分的功耗最大，因此可以通过对该部分电路进行电源管理来降低功耗。由于信号的发射是间歇性的，所以在不发射信号时将其发射通道的电源通过程控的方式切断，降低水声传感器节点的能耗。

图10为本发明一个实施例中的水声通信收发处理程序流程图。首先，读取中断寄存器的数值。如果是发送中断，则首先判断前导是否发送完毕。如果前导发送完毕，则发送同步头，然后发送数据。接下来，判断数据是否发送完毕。如果数据发送完毕，则发送帧结尾。随后，判断帧结尾是否发送完毕。如果帧结尾发送完毕，则终止写操作，然后清写中断后返回。如果中断寄存器为接收中断，则先读取数据寄存器。然后判断是否收到帧结尾。如果收到帧结尾，则计数器加1。接下来，判断计数器是否大于3。如果是，则终止读操作后进行清读中断。否则，直接进行清读中断。如果没有收到帧结尾，则计数器减1。随后，判断计数器是否小于1。如果是，则将计数器置0后进入清读中断；否则，直接进入清读中断后返回。

由于中继节点和水声传感器节点采用CAN总线通信，而每一个CAN帧的数据区固定为8字节，所以中继节点收到的节点数据长度通常较小，这样当中继节点收到大量水声传感器节点信息时，就可以把同类型的信息组成一帧发送以便提高传输效率。此外，每帧都以固定的结束位作为最后字节，程序以此来表示数据接收结束。中继节点将从水声传感器节点接收到的原始数据流进行硬件的解调解码，然后通过GPRS无线通信模块发送到岸上的汇聚节点。GPRS帧结构采用复帧结构，包含12个用于传送数据的无线块，2个用于进行邻区基站识别码测量的空闲帧和2个用于传送时间提前量的专用控制信道帧。无线块是由MAC（介质访问控制）字头和RLC（无线链路控制）数据块或控制块组成。GPRS分配定义了不同类型的RLC/MAC块结构用于传递数据和控制信息。无线块结构RLC头部包含上行和下行方向不同的控制域，RLC是可变长度的。RLC数据域包含一个或多个8比特的数据字。中继节点和汇聚节点采用GPRS传输模式使用无线信道的分配方式十分灵活。同一节点可以占用1至8个时隙，同一时隙能由多个节点同时占用，且上行链路和下行链路的分配是独立的。节点只有在发送和接收数据时才占用信道资源，因此多个用户可以共享同一无线信道，从而提高了信道资源的利用率。

岸上的汇聚节点与P2P节点之间采用串口通信方式交互信息，主要用来传送P2P节点下发的命令、节点的回应数据、节点的通知、报警信息以及链路的维护数据。这些信息的数据量都不大，但是对实时性的要求较高，所以采用36字节的定长数据帧。该数据帧的基本结构包括开始位、传输方向、帧类型、数据区和结束位。其中，每个数据帧都以固定的开始位作为起始的第1字节，以此验证收到数据的开始。传输方向用来表示数据在汇聚节点与P2P节点之间的传输方向。帧类型表示数据区里存放的数据类型，包括命令帧和通知帧两种类型。帧类型同时用来区分变长或定长帧。其中，最高两位为“01”表示定长帧，最高两位为“10”表示变长帧。数据区定义为32字节。数据类型不同，数据的组织和意义也有所不同。此外，每帧都以固定的结束位作为最后的字节，程序以此验证收到数据的结束。

命令帧用来传输P2P节点下发的命令，包括一些系统命令，如链路控制以及对节点的控制命令。因此，命令帧的传输方向只是从P2P节点到汇聚节点。命令帧的基本结构包括命令类型、传输模式、作用节点编号、数据和时间戳。其中，命令类型分为链路命令、节点命令和系统命令。传输模式用来表示单播、组播或者广播。作用节点编号的含义如下：当传送模式为单播时，作用节点编号表示执行此命令的对象节点编号，也可以定义一些特殊值来表示特殊含义；当传送模式为组播时，作用节点编号表示组播的组号；若为0则表示广播。此外，定义一个4字节的数据区用来存放与命令相关的数据。最后的时间戳则表示此命令帧下达的时间。

通知帧用来传输对命令帧的回应信息以及节点要执行某种动作或者某些属性发生某种特殊改变时，节点主动向上发出的信息。因此，通知帧的传输方向为汇聚节点到P2P节点，基本结构包括通知类型、节点编号、数据和时间戳。其中，通知类型用来对所有的通知进行编码。主要包括如下情况：收到水声通信数据、转发水声通信数据和一些警告通知。节点编号用来表示此数据来自哪个水声传感器节点。数据项用来存储一些可能需要附加数据的通知。最后的时间戳则表明此通知帧上传的时间。

汇聚节点在收到水声传感器节点上传的数据后，并不马上转发给P2P节点，而是缓存到一定数量后再利用变长数据帧进行传送，以便提高通信效率。其基本的帧结构如表3所示：

表3

启动字符

传输方向

帧类型

链路地址域

链路数据域

帧校验和

结束字符

1 字节

1024 字节

4字节

1 字节

每帧都以固定的启动字符作为起始的第1字节，程序以此验证收到数据的开始。传输方向用来表示数据在汇聚节点与P2P节点之间的传输方向。帧类型则表示链路数据域中存放的数据结构类型，包括遥测帧、遥信帧、水声数据帧三种类型。链路地址域为汇聚节点的地址。链路数据域的长度定义最大为1024字节，并且根据数据类型的指定来存放相应的数据结构。帧检验和是帧类型、链路地址域、链路数据域所有字节的算术和。最后，每帧以固定的结束字符表示数据接收结束。

P2P节点之间的数据交互采用基于UDP的通信协议。由于P2P节点都是对等的，因此没有服务器和客户机的区分。每个节点既充当服务器为其它节点提供数据，同时也可以作为客户机从其它节点获取数据。考虑到消息同步时可能会出现死锁和阻塞的状况，因此本发明采用异步套接字通信的方式进行数据通信。图11为本发明一个实施例中的P2P节点数据通信流程图。当某个P2P节点需要获取数据时，该节点作为发送节点向可能提供数据的接收节点发送请求。发送节点首先需要初始化套接字。然后，创建基于UDP协议的套接字对象。其次，设置数据包的生存时间TTL。随后，向接收节点发送请求报文REQ。接收节点首先执行初始化套接字操作。然后，绑定套接字端口，再对套接字端口执行监听操作，并且等待其它节点的连接请求。通过采用多线程的方式，接收节点可以同时处理多个发送节点的发送请求。如果发送节点的TTL值大于0并且接收节点返回了应答报文ACK，则发送节点和接收节点建立套接字连接。此后，进行数据的收发操作直至结束。最后，发送节点和接收节点分别关闭各自的套接字端口。否则，如果发送节点的TTL值等于0，则直接关闭发送节点的套接字端口；如果接收节点没有返回应答报文ACK，则直接关闭接收节点的套接字端口。

考虑到现有水声传感器网络路由协议在链路丢包率较高的情况下数据包传送率会严重降低，并且冗余数据包的重传会带来额外的能量消耗，降低网络生命周期。因此，本发明采用随机线性编码方式对数据进行网络编码，然后根据水声传感器节点的地理位置来选择路由节点进行数据传输。这样可以有效减小链路丢包率增大时对数据包传送率造成的负面影响，降低网络中冗余数据包重传造成的能量消耗。网络编码具体步骤如下：首先，源节点将要发送的数据包分组，假设K个数据包分成一组，分组后的数据包可以表示为X ₁, X ₂,…, X _K。然后，将这K个数据包编码成m个编码包，并产生m组随机数

（1）

（2）

Figure 2013101563095100002DEST_PATH_IMAGE013

（3）

因为一个编码包的包头要携带编码系数，所以一个编码包的长度是原始数据包的长度与全局编码向量域的长度之和。假设全局编码向量占b个字节，则全局编码向量域的长度为bK；若一个数据包的长度为l _p，那么一个数据包与一个编码包的长度之比为l _p/(l _p+bK)。

（4）

（5）

其中m≥K。当i≥1，0≤k<K时，φ _i+1,k可用公式（6）计算得到：

（6）

然后，根据公式（7）来计算T _i的值：

（7）

基于网络编码的地理位置路由协议具体步骤如下：

步骤a：路由路径初始化；

步骤d：根据公式（3）计算数据包的转发次数N；

步骤e：提取编码系数；

步骤f：本地节点创建并发送新编码包至候选节点；

步骤g：重复转发过程直到数据包传送到目标节点；

步骤h：通过高斯消元法计算线性不相关编码系数m的值；

步骤i：目标节点按照公式（8）对数据包进行解码:

（8）

汇聚节点收到每组第一个包后为该组包设定重传定时器。此后，每收到一个编码包便用高斯消元法判断该编码包包头携带的编码系数是否与已经收到的同组编码包的系数线性不相关。若是，则存储此包，并统计其数量。根据随机线性网络编码理论，只要汇聚节点接收到的线性不相关编码包的个数达到数据包分组大小K，则表示该组可以成功解码。如果汇聚节点在重传定时器时间范围内未收到足够多的解码包，则发送重传请求给上一跳节点，并重新设定重传定时器。

为了进一步验证前面数学分析的结果，我们在Aqua-Sim仿真平台上对三种水声传感器网络路由协议的性能进行比较和分析，包括基于向量转发路由协议（VBF）、基于深度的路由协议（DBR）以及本发明提出的基于网络编码的地理位置路由协议（GROUND）。所建立的仿真环境如下：（1）水声传感器节点数量为300个；（2）三维水域大小为5千米×5千米×5千米；（3）节点传送半径为100米；（4）数据发送率为每秒8个数据包；（5）数据包大小为64字节；（6）数据包分组数K=3；（7）编码包数m=5；（8）为了保证仿真结果的可靠性，所得的每组数据是仿真程序运行1000次结果的平均值。

图12比较了三种路由协议数据包传送率与平均跳数之间的关系。随着平均跳数的增加，三种路由协议的数据包传送率都随之增加。基于网络编码的地理位置路由协议由于充分考虑到邻居节点以及目标节点与本地节点之间相对位置的关系，减少了数据包盲目转发的概率。因此，在跳数相同的情况下，基于网络编码的地理位置路由协议具有更高的数据包传送率。

图13比较了三种路由协议数据包传送率与链路丢包率之间的关系。从图上可以看出，三种路由协议的数据包传送率都与链路丢包率成反比。但是，随着链路丢包率的增大，基于网络编码的地理位置路由协议的数据包传送率下降的速度明显低于另外两种协议。这是因为基于网络编码的地理位置路由协议采用的随机线性编码方式具有较大的灵活性和较低的计算复杂度，能够更好地适应较差的网络环境。通过对数据包进行分组、编码、发送和解码后，成功传输一组数据包的概率反而高于其它两种协议中逐个传输数据包的概率。

图14比较了三种路由协议能量消耗与链路丢包率之间的关系。三种路由协议的能量消耗都与链路丢包率成正比。但是，在链路丢包率相同的情况下，基于网络编码的地理位置路由协议的能量消耗明显低于另外两种协议。这是因为基于网络编码的地理位置路由协议在路由过程中传输的是分组数据的线性组合而不是数据包本身。这样，中间节点只要收到线性无关的编码组合就表示收到新的信息,而不需要知道特定的数据包是否收到，因此即使有包丢失也不需要重传，这样可以大幅度减少数据包的传输次数和传输冗余，从而降低了节点的能量消耗。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。