CN104918263A - 一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置及其组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置及其组网方法，其包括水质传感器模块、陀螺仪与加速度传感器模块、避障传感器模块、尾部无刷电机、方向舵与升降舵、微控制器模块、气泵控制电机、水声通信模块以及太阳能电池和蓄电池双组合电源模块。所述的多功能移动辅助组网装置有两种移动模式，一种是在网络正常情况下，按照预定的路线移动并记录沿路线的水质变化，另一种是在网络出现问题时，根据网络反馈信息进行干预，实现网络的无死角全覆盖及自配置维护。网络恢复正常后，多功能移动辅助组网装置返回原来的路线行进。本发明具有结构简单、适用范围广、实时性强等优点，适用于诸多水下应用，有较好的应用前景。

Description

一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置及其组网方法

【技术领域】

本发明涉及一种网络通信系统，具体涉及一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置及其组网方法，属于水下声波传感器网络通信组网技术领域。

【背景技术】

水声传感器网络（Underwater Acoustic Sensor Networks，UASNs）是由多功能微型水下传感器节点以声波通信链路自组织形成的无线网络。它是借助水下传感器节点装配的传感器模块，协作地实时监测、感知和采集水下环境下被测对象的数据，及借助其装配的浮筒模块和气泵控制节点的上下浮动，布设在不同深度形成三维网络，并利用自带的处理器和存储器分别进行处理和存储，同时每个水下传感器节点依赖声波通信模块接收及转发数据信息。但是，在水声传感器网络的绝大多数应用中，节点无法回收再利用，且没有考虑水流引起的节点移动性及障碍物造成的盲点覆盖区域，从而导致节点脱离拓扑控制范围及链路的损坏。因此，对于水下环境的全覆盖监测，需要有效的节点部署方法及自配置组网维护策略对目标区域进行实时可靠的监测。

目前，面向UASNs的传统节点部署方法主要包括静态节点部署、自主调整节点部署和移动辅助节点部署。对于静态节点部署方法，假设传感器节点在部署之后是静止的，其方法简单且高效节能，但其忽视了水流引起的移动性及障碍物造成的盲点覆盖区域这两个不可避免的实际因素，因此，其不能解决大规模UASNs的实时监测应用问题。对于自主调整节点部署方法，传感器节点在初步部署后可以调节其在水下环境的位置，从而满足一些特定应用的需求，且考虑了节点的移动性，但其调整位置消耗额外的能量，网络的平均能耗较大。对于移动辅助节点部署方法，其利用自主水下航行器（AUVs）或无人水下航行器（UUVs）等各种水下移动节点协助其它水下传感器节点完成监测任务。但水下移动节点消耗能量非常大，需要定时人工补充能量。

因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的基于水声传感器网的移动辅助组网装置及其组网方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置，其采用太阳能电池和蓄电池双电源供电模式及事件触发机制，解决了水流引起的移动性及障碍物造成的盲点覆盖区域问题，保证全网无死角覆盖及维护网络的连通性，且无需人工补充能量，特别适用于水下传感器节点构成的分布式分簇三维网络，可实现远程监控，监测范围广，可靠性好，适用于诸多水下应用，有较好的应用前景。

本发明的另一目的在于提供一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置的组网方法。

为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置，其包括用于采集周围物理环境数据的水质传感器模块、用于获取其游动姿态的陀螺仪与加速度传感器模块、用于避开水下障碍物的避障传感器模块、用于发动螺旋桨的尾部无刷电机、用于配合控制改变方向的方向舵与升降舵、用于整个多功能移动辅助组网装置执行操作的微控制器模块、用于驱动气泵抽水入水或排出舱内水的气泵控制电机、用于与相邻分簇内的簇头节点及与其它多功能移动辅助组网装置通信的水声通信模块以及用于其供电的太阳能电池和蓄电池双组合电源模块。

本发明的基于水声传感器网的多功能移动辅助组网装置进一步为：其有两种移动模式，一种是在分簇网络正常情况下，按照预定的路线移动，其功能是采集沿路线的物理环境数据，对路线的水质变化进行评估，并将评估结果直接传输至水面浮标节点；另一种是在分簇网络出现问题时，根据反馈的网络状态信息决定移动路线及功能，实现网络的无死角全覆盖及自配置维护；网络恢复正常后，多功能移动辅助组网装置返回原来的路线行进。

为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置的组网方法，其特征在于：包括如下步骤：

首先，配置需要部署的水下传感器节点的漂浮控制模块参数，并将节点均匀分布在目标区域的不同深度；在投放多功能移动辅助组网装置后，网络进入初始化状态；水下传感器节点在三维空间内形成若干个分簇，每个分簇选择簇头，形成自组织网络；

然后，分簇构建完成后，簇内组网通信成功，簇与簇之间组网通信成功，簇头与相邻的多功能移动辅助组网装置通信成功，簇与水面浮标节点通信成功；簇内的非簇头节点以单跳方式传输至本簇的簇头，簇头广播簇内的网络状态信息，相邻簇头接收信息后，以多跳方式转发至水面浮标节点，相邻多功能移动辅助组网装置接收到信息后，根据其信息决定自己的行进路线；

其次，当多功能移动辅助组网装置接收到的数据包中有节点失联的信息，首先判断自己的能量是否充足，若能量小于某个阈值，则浮于水面进行太阳能充电，充电结束后潜回原来的位置继续工作；若能量充足，则根据相邻多个簇头的信息包计算失联节点的个数，若失联节点数量超过阈值，则部署新的水下传感器节点，多功能移动辅助组网装置保持原来的轨迹行进；若失联节点数量不多，则根据位置信息移动至相应的位置充当其角色，直到新的水下传感器节点部署至该位置；

最后，新的水下传感器节点部署完成后，能量小于阈值的旧水下传感器节点判定为死亡节点，其将浮标气囊完全打开，使节点浮于水面；多功能移动辅助组网装置完成网络维护任务后，返回原来的路径继续行进。

本发明的基于水声传感器网的移动辅助组网装置的组网方法进一步为：所述阈值为该层部署多功能移动辅助组网装置个数的二分之一。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）多功能移动辅助组网装置采用太阳能和蓄电池双电源组合供电，在电量不足的情况下可以浮于水面进行太阳能充电，延长了多功能移动辅助组网装置的工作生命周期。

（2）多功能移动辅助组网装置的移动行为采用自适应优化控制算法及事件触发机制，当节点失联事件触发后，可以及时移动至对应位置充当其角色，实现全网覆盖及连通性，并保证与分簇内的簇头通信的同时减少行进距离，节省能耗。

（3）多功能移动辅助组网装置在网络正常情况下按照预定的路线移动，其采集沿路线的物理环境数据，对路线的水质变化进行评估，最终监控中心可以获得动态的水下环境数据。

（4）多个多功能移动辅助组网装置以自适应感知有损链路及盲点覆盖区域的方式，及时补上盲点覆盖区域，可实现全网无死角覆盖及连通性。

（5）其有效解决水流引起的节点移动性及障碍物造成的链路中断问题，在水下传感器节点分布稀疏或链路中断情况下，该多功能移动辅助组网装置能够及时移动至相应位置充当其角色，实现网络的自配置维护。该装置具有扩展灵活、高效率、高可靠性等特点，为水下声波传感器网络的自配置组网提供一种全新的解决方案，可适用于大面积水域监测应用。

【附图说明】

图1是本发明的基于水声传感器网的移动辅助组网装置的结构原理图；

图2是本发明的基于水声传感器网的移动辅助组网装置的内部结构示意图；

图3是本发明的基于水声传感器网的移动辅助组网装置的外壳结构示意图；

图4是簇头与多功能移动辅助组网装置的通信数据格式；

图5是本发明的基于水声传感器网的移动辅助组网装置的组网方法的工作流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种基于水声传感器网络的移动辅助组网装置，包括用于采集周围物理环境数据的水质传感器模块8、用于获取其游动姿态的陀螺仪与加速度传感器模块1、用于避开水下障碍物的避障传感器模块9、用于发动螺旋桨的尾部无刷电机4、用于配合控制改变方向的方向舵与升降舵3、用于整个多功能移动辅助组网装置执行操作的微控制器模块2、用于驱动气泵抽水入水或排出舱内水的气泵控制电机6、用于与相邻分簇内的簇头节点及与其它多功能移动辅助组网装置通信的水声通信模块5以及用于其供电的太阳能电池和蓄电池双组合电源模块7。

所述的多功能移动辅助组网装置有两种移动模式，一种是在分簇网络正常情况下，按照预定的路线移动，其功能是采集沿路线的物理环境数据，对路线的水质变化进行评估，并将评估结果直接传输至水面浮标节点；另一种是在分簇网络出现问题时，根据相邻多个簇头反馈的网络状态信息进行干预，实现网络的自配置维护。当某簇内的某个非簇头节点在能量充足的情况下失联且未出现在其他分簇中，则多功能移动辅助组网装置根据相邻多个簇头反馈的信息及定位技术进行补位，直到新的水下传感器节点部署到该位置。当簇内无法选举出簇头时，多功能移动辅助组网装置移动到对应的位置充当簇头的角色，直到该位置部署新的水下传感器节点。网络恢复正常后，多功能移动辅助组网装置返回原来的路线行进。

所述的太阳能电池和蓄电池双组合电源模块7为多功能移动辅助组网装置供电，在电量不足的情况下，浮至水面对太阳能电池进行充电，过充电量存储于蓄电池中，从而延长多功能移动辅助组网装置的工作生命周期。

所述的多功能移动辅助组网装置的移动行为采用事件触发机制，当网络中的某个节点失联事件触发后，可以及时移动至对应位置充当其角色，实现全网覆盖及连通性，并保持与分簇网络中簇头通信的同时减少行进距离，节省能耗。

所述的多功能移动辅助组网装置在感知、采集沿行进路线的物理环境数据的同时负责维护网络的连通性和可靠性，且与相邻分簇网络中的簇头保持联系，其根据相邻多个簇头反馈的簇内网络状态信息决定自己的行进路线。

如图2所示，所述的多功能移动辅助组网装置的内部结构具体包括水质传感器探头10、出水入水口11、水声换能器13、太阳能电池14、微控制器模块17、蓄电池16、气泵控制电机20、气泵19、气囊18、电调机21、舵机组22、无刷电机23、陀螺仪与加速度传感器15和避障传感器12。多功能移动辅助组网装置的内部包含多个防水防腐的密封舱，太阳能电池14的防护罩采用透明材料，使其在多功能移动辅助组网装置浮于水面后可以充分接触阳光。浸于水中的水质传感器探头10采集周围物理环境数据，陀螺仪与加速度传感器15获取多功能移动辅助组网装置的游动姿态，避障传感器12获取前方障碍物信息。微控制器模块17是整个多功能移动辅助组网装置执行操作的处理中心，多功能移动辅助组网装置通过气泵控制电机20驱动气泵19抽水入水袋11或排出水袋11内的水，实现多功能移动辅助组网装置的上下沉浮，通过控制电调机21带动尾部的无刷电机23发动螺旋桨，利用舵机组22（方向舵与升降舵）配合控制改变方向；水声换能器13作为水下声波通信工具，多功能移动辅助组网装置通过其接收及转发数据。

如图3所示，所述的多功能移动辅助组网装置的外壳结构具体包括避障传感器凹槽24、水质传感器凹槽25、头部防护罩26、避障传感器接口27、水质传感器接口28、胸鳍29、方向舵30、螺旋桨31、升降舵32、太阳能电池保护罩33、电源开关34及出水入水口35及水声换能器接口凹槽36。避障传感器接口27与水质传感器接口28连接上传感器，嵌入避障传感器凹槽24和水质传感器凹槽25，使传感器浸于水中。太阳能电池保护罩33采用透明防水防腐材料，使其能够接触到阳光。多功能移动辅助装的外壳模仿弹头的外观设计，具有移动速度快、易于控制的等特点。

如图4所示，簇头与相邻附近多功能移动辅助组网装置的通信数据格式。分簇构建完成后，簇头保持与在通信范围内的多功能移动辅助组网装置的联系，同时簇头根据地理位置信息将数据包以多跳方式传输至水面浮标节点之外。多功能移动辅助组网装置接收到数据包（如L3CH01XXYYZZKKNNDDDDWWP，其中，L3CH01为簇头的ID，XXYYZZ为簇头根据定位技术获得的精确地理位置，KK为簇头的剩余能量，NN为簇内节点数，DDDD为有效数据，WW为分簇连通性评估值，P为检验位），查验数据包中的各项指标，若簇头剩余能量小于某个阈值且无新的簇头选举出来，则根据提供的簇头位置移动或直接移动至分簇中心位置；若簇内的非簇头节点数发生变化，则结合分簇连通性评估值进行判断，分簇连通性评估值是簇头根据非簇头节点的剩余能量和最新的位置信息获得的值，其有以下几种情况：（1）00：非簇头节点的剩余能量充足，但位置偏离簇头控制范围，簇内节点数减少；（2）01：非簇头节点在簇头控制范围内，但剩余能量不足而死亡，簇内节点数减少；（3）10：非簇头节点的剩余能量充足，位置与簇头非常接近，有可能障碍物导致链路中断，簇内节点数减少；（4）11：有新的非簇头节点加入，且剩余能量充足，则将新的节点ID暂存，簇内节点数增加。多功能移动辅助组网装置将簇内节点变化数量与分簇连通性评估值暂存，且广播通知附近单跳以内的簇头节点，根据其反馈信息与分簇连通性评估值进行移动控制，若同时出现多个失联节点，为控制多功能移动辅助组网装置的成本，则需要部署新的水下传感器节点到空缺区域，从而实现目标区域的全网络实时覆盖及可靠的连通性。若多功能移动辅助组网装置接收到的数据包中没有节点失联的触发事件，则保证原来的路线行进，在这过程中，其相邻的簇头不断发生变化，为能保持与附近多个簇头通信，广播JION_IN包，其包含节点ID、剩余能量及信号变化强度。

如图5所示，基于水声传感器网络的分簇网络及多功能移动辅助组网装置的工作步骤具体如下：

首先，配置需要部署的水下传感器节点的漂浮控制模块参数，并将节点均匀分布在目标区域的不同深度。在投放多功能移动辅助组网装置后，网络进入初始化状态。水下传感器节点在三维空间内形成若干个分簇，每个分簇选择簇头，形成自组织网络。多功能移动辅助组网装置按照预定的轨迹行进，多个多功能移动辅助组网装置可以根据编队控制对水域进行动态地监测水质变化。

然后，分簇构建完成后，簇内组网通信成功，簇与簇之间组网通信成功，簇头与相邻的多功能移动辅助组网装置通信成功，簇与水面浮标节点通信成功。簇内的非簇头节点以单跳方式传输至本簇的簇头，簇头广播簇内的网络状态信息，相邻簇头接收信息后，以多跳方式转发至水面浮标节点，相邻多功能移动辅助组网装置接收到信息后，根据其信息决定自己的行进路线。

其次，当多功能移动辅助组网装置接收到的数据包中有节点失联的信息，首先判断自己的能量是否充足，若能量小于某个阈值，则浮于水面进行太阳能充电，充电结束后潜回原来的位置继续工作。若能量充足，则根据相邻多个簇头的信息包计算失联节点的个数，若失联节点数量超过阈值（一般为该层部署多功能移动辅助组网装置个数的二分之一），则部署新的水下传感器节点，多功能移动辅助组网装置保持原来的轨迹行进。若失联节点数量不多，则根据位置信息移动至相应的位置充当其角色，直到新的水下传感器节点部署至该位置（一般在失联节点数量超过阈值后再一次性部署）。

最后，新的水下传感器节点部署完成后，能量小于阈值的旧水下传感器节点判定为死亡节点，其将浮标气囊完全打开，使节点浮于水面，方便回收再利用。多功能移动辅助组网装置完成网络维护任务后，返回原来的路径继续行进。

水面浮标节点采用GPS模块提供精确的地理位置，提供给水下网络节点参考地理位置，并采用无线电磁波和声波两种通信方式，通过声波通信模块接收、汇聚、处理及融合靠近水面的簇头上报的数据，并通过无线电磁波通信模块以多跳方式传输至陆地基站。陆地基站作为监控中心，能够获取水下声波传感器网络的网络状态及节点的位置和状态信息，并进行可视化处理，直观的表达网络的运行情况。

本发明考虑水流引起的节点移动性及障碍物造成的盲点覆盖区域，适用于将节点部署在动态水流中，特别是相对比较分布稀疏的水下声波传感器网络应用，如海洋环境监测、辅助导航等。

综上所述，本发明考虑水流引起的节点移动性及障碍物造成的盲点覆盖区域，引入多功能移动辅助组网装置，其以自适应感知有损链路及盲点覆盖区域的方式，，根据相邻分簇的网络状况进行移动控制，能够及时补全盲点覆盖区，保证网络的全覆盖及连通性。多功能移动辅助组网装置作为活动节点，其采用太阳能电池和蓄电池双电源组合，可作为长期可使用的多功能设备。本发明可有效解决水下监测应用存在的盲区问题，全面无死角地探测水下环境，具有监测范围广、可靠性高、监测数据全面等特点，为水下监测应用提供一种水下声波传感器网络的自配置组网的解决手段。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置，其特征在于：包括用于采集周围物理环境数据的水质传感器模块、用于获取其游动姿态的陀螺仪与加速度传感器模块、用于避开水下障碍物的避障传感器模块、用于发动螺旋桨的尾部无刷电机、用于配合控制改变方向的方向舵与升降舵、用于整个多功能移动辅助组网装置执行操作的微控制器模块、用于驱动气泵抽水入水或排出舱内水的气泵控制电机、用于与相邻分簇内的簇头节点及与其它多功能移动辅助组网装置通信的水声通信模块以及用于其供电的太阳能电池和蓄电池双组合电源模块。

2.如权利要求1所述的基于水声传感器网的移动辅助组网装置，其特征在于：其有两种移动模式，一种是在分簇网络正常情况下，按照预定的路线移动，并采集沿路线的物理环境数据，对路线的水质变化进行评估，并将评估结果直接传输至水面浮标节点；另一种是在分簇网络出现问题时，根据反馈的网络状态信息决定移动路线及功能，实现网络的无死角全覆盖及自配置维护；网络恢复正常后，多功能移动辅助组网装置返回原来的路线行进。

3.一种基于水声传感器网的移动辅助组网装置的组网方法，其特征在于：包括如下步骤：

首先，配置需要部署的水下传感器节点的漂浮控制模块参数，并将节点均匀分布在目标区域的不同深度；在投放多功能移动辅助组网装置后，网络进入初始化状态；水下传感器节点在三维空间内形成若干个分簇，每个分簇选择簇头，形成自组织网络；

然后，分簇构建完成后，簇内组网通信成功，簇与簇之间组网通信成功，簇头与相邻的多功能移动辅助组网装置通信成功，簇与水面浮标节点通信成功；簇内的非簇头节点以单跳方式传输至本簇的簇头，簇头广播簇内的网络状态信息，相邻簇头接收信息后，以多跳方式转发至水面浮标节点，相邻多功能移动辅助组网装置接收到信息后，根据其信息决定自己的行进路线；

其次，当多功能移动辅助组网装置接收到的数据包中有节点失联的信息，首先判断自己的能量是否充足，若能量小于某个阈值，则浮于水面进行太阳能充电，充电结束后潜回原来的位置继续工作；若能量充足，则根据相邻多个簇头的信息包计算失联节点的个数，若失联节点数量超过阈值，则部署新的水下传感器节点，多功能移动辅助组网装置保持原来的轨迹行进；若失联节点数量不多，则根据位置信息移动至相应的位置充当其角色，直到新的水下传感器节点部署至该位置；

最后，新的水下传感器节点部署完成后，能量小于阈值的旧水下传感器节点判定为死亡节点，其将浮标气囊完全打开，使节点浮于水面；多功能移动辅助组网装置完成网络维护任务后，返回原来的路径继续行进。

4.如权利要求3所述的基于水声传感器网的移动辅助组网装置的组网方法，其特征在于：所述步骤3）中，阈值为该层部署多功能移动辅助组网装置个数的二分之一。