CN109743117A - 一种水声通信模块、方法及水下无线传感器网络节点装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水声通信模块、方法及水下无线传感器网络节点装置，水声通信模块包括：数字信号处理器，数字模拟转换器，模拟数字转换器，超声换能器和水听器；水听器用于获取水下超声信号并将水下超声信号转换为第一模拟信号；模拟数字转换器用于将第一模拟信号转换为第一数字信号，数字信号处理器用于对第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号；数字模拟转换器用于将第二数字信号转换为第二模拟信号；超声换能器用于将第二模拟信号转换为超声信号发射到水中。该水声通信模块、方法及水下无线传感器网络节点装置，无需复杂硬件电路即可实现跨层水声通信功能。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别是涉及一种水声通信模块、方法及水下无线传感器网络节点装置。
背景技术
自上个世纪即20世纪以来，水下无线传感器网络的研究就在国内外开始兴起，而水声通信技术也被应用于其中并逐渐发展成熟。水下无线传感器网络技术是一门多学科相结合的技术，它涉及通信、电子和计算机等各门学科技术，无疑是这个IT技术时代最具影响力的技术之一。在水下无线传感器网络中，成千上万个水声无线传感器节点通常被随机部署在人类难以到达的水下三维区域，它们通过自组织的方式形成多跳水声无线网络，以实现无线测量、数据采集和跟踪监控等任务，因此节点设计就是UWSN(跨层多跳水下无线传感器网络)的一种关键技术。譬如，申请号200710121077.4的发明专利申请“一种水下传感器网络测量方法及装置”，该发明公开了一种水声超声通信、相对距离测量、水下环境信息采集的方法以及由微控制器、FSK调制器、功率放大器、超声换能器、水听器、微弱信号放大器、FSK解调芯片、电源管理模块、 A/D转换接口、扩展接口和PWM输出接口连接而成的装置。该发明方案合理可行，但存在FSK调制解调功能单一、可扩展性差等的缺点。此外，陈岩等人在文献[1]中提出一款多用途的水声调制解调器，通过ADSP-BF533芯片运行调制解调程序等实现了水声调制解调功能，可以改进上述发明装置FSK调制解调功能单一、难以扩展的缺点。([1]陈岩,曾娟,杜立君,等.基于 ADSP-BF533的水声调制解调器.《声学技术》,2008.)而目前在市场上现有水声通信设备依然存在价格高、功耗大、集成度低的缺点，无法达到水下大规模应用和电池长时间支持工作，并且对于路由、MAC、调制解调等跨层水声通信功能必须需要复杂的硬件电路才能实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种水声通信模块、方法及水下无线传感器网络节点装置，无需复杂硬件电路即可实现跨层水声通信功能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种水声通信模块，包括：数字信号处理器，与所述数字信号处理器分别连接的数字模拟转换器和模拟数字转换器，与所述数字模拟转换器连接的超声换能器，以及与所述模拟数字转换器连接的水听器；
所述水听器用于获取水下超声信号并将所述水下超声信号转换为第一模拟信号；所述模拟数字转换器用于将所述第一模拟信号转换为第一数字信号，所述数字信号处理器用于对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号；所述数字模拟转换器用于将所述第二数字信号转换为第二模拟信号；所述超声换能器用于将所述第二模拟信号转换为超声信号发射到水中。
可选的，还包括功率放大器和前置放大器，所述功率放大器分别与所述数字模拟转换器和所述超声换能器连接，所述前置放大器分别与所述模拟数字转换器和所述水听器连接。
一种水声通信方法，包括：
获取水下超声信号并将所述水下超声信号转换为第一模拟信号；
将所述第一模拟信号转换为第一数字信号；
对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号；
将所述第二数字信号转换为第二模拟信号；
将所述第二模拟信号转换为超声信号发射到水中。
可选的，所述对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
判断所述第一数字信号的类型，根据所述第一数字信号的类型确定对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制跨层水声通信处理、媒介访问控制跨层水声通信处理或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号。
可选的，所述对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
将所述第一数字信号的一路与乘法器Cos(wct)相乘，经过低通滤波器滤除乘法器Cos(wct)产生的高频分量，获得第一有用信号，所述第一有用信号依次经抽样判决器、m/2进制转换器和并/串变换器恢复出第一电平信号；
将所述第一数字信号的另一路与乘法器Sin(wct)相乘，经过低通滤波器滤除乘法器Sin(wct)产生的高频分量，获得第二有用信号，所述第二有用信号依次经抽样判决器、m/2进制转换器和并/串变换器恢复出第二电平信号；
所述并/串变换器根据所述第一电平信号和所述第二电平信号得到解调数据；
串/并变换器将所述解调数据分成两个半速率的互相独立数据流，所述第一数据流送入第一2/m进制转换器中，所述第二数据流送入第二2/m进制转换器中；
所述第一2/m进制转换器在预设的多进制转换中任选一种对所述第一数据流做进制转换，生成符号速率降低了2倍的第一二进制单系列脉冲；
所述第二2/m进制转换器在预设的多进制转换中任选一种对所述第二数据流做进制转换，生成符号速率降低了2倍的第二二进制单系列脉冲；
将所述第一二进制单系列脉冲和所述第二二进制单系列脉冲调制到一对正交载波上，分别得到同相载波I信号和异相载波Q信号；
加法器对输入的所述同相载波I信号和所述异相载波Q信号进行线性叠加后，得到所述第二数字信号。
可选的，所述对所述第一数字信号进行媒介访问控制跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
发送节点识别所述第一数字信号中的地址信息向目标节点发送数据；
所述发送节点告知信道让周围可通信范围内的所有邻居节点退避；
判断信道是否空闲，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则所述发送节点启动定时器并随机选择一段时间；
判断所述定时器是否计时结束，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则在计时结束后新时隙开始时所述发送节点以最大功率向目标节点发送请求发送数据的控制帧；
所述目标节点根据所述请求发送数据的控制帧计算最小功率，并在下个时隙开始时返回清除发送控制帧给所述发送节点，同时所述发送节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述请求发送数据的控制帧，计算休眠时隙个数，并进入休眠；
所述发送节点根据所述清除发送控制帧在下个时隙开始时，以最小功率发送所述数据给所述目标节点，同时所述目标节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述清除发送控制帧计算休眠时隙个数，并进入休眠；
判断所述数据是否传输成功，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则接收完所述数据的下个时隙开始时，所述目标节点发送确认帧给所述发送节点，同时所述发送节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述确认帧计算休眠时隙个数，并进入休眠；
若所述第三判断结果为否，则接收完所述数据的下个时隙开始时，所述目标节点发送不成功信息给所述发送节点，同时所述发送节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述不成功信息计算休眠时隙个数，并进入休眠；
所述发送节点根据所述不成功信息，重新向所述目标节点发送数据；
若所述第二判断结果为否，则所述发送节点告知信道让周围可通信范围内的所有邻居节点退避；
若所述第一判断结果为否，则所述发送节点告知信道让周围可通信范围内的所有邻居节点退避；
所述目标节点根据接收到的所述数据得到所述第二数字信号。
可选的，所述对所述第一数字信号进行路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
所述第一数字信号触发当前监测节点自检；
判断所述当前监测节点剩余能量是否大于簇首节点剩余能量门限，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则所述当前监测节点成为簇首节点；
若所述第一判断结果为否，则所述当前监测节点就近广播簇首节点请求消息给邻居节点；
所述邻居节点判断是否是汇聚节点，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则所述汇聚节点立即发出当选汇聚节点广播消息，其余节点恢复休眠，并采集融合数据传递给所述汇聚节点；
若所述第二判断结果为否，则所述邻居节点判断自身剩余能量是否大于簇首节点剩余能量门限且自身实际传输距离是否小于簇间长传输ILT距离门限，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则所述邻居节点成为准簇首节点；
所述准簇首节点根据自身剩余能量和自身实际传输距离计算随机退避时间，并在所述随机退避时间内等待附近当选簇首节点广播消息；
判断收到所述附近当选簇首节点广播消息的个数，得到第四判断结果；
若所述第四判断结果为0，则所述准簇首节点发出附近当选簇首节点广播消息，并在下一个随机退避时间内等待自身归属信息；
若收到所述自身归属信息，则所述准簇首节点成为簇首节点；
若未收到所述自身归属信息，则所述准簇首节点成为孤立簇首节点；
若所述第四判断结果为1，则所述准簇首节点返回归属信息；
若所述第四判断结果为≥2，则所述准簇首节点既不返回归属信息，也不发送附近当选簇首节点广播消息；
若所述第三判断结果为否，则所述邻居节点休眠；
判断所述簇首节点和所述孤立簇首节点是否是首发簇首节点，得到第五判断结果；
若所述第五判断结果为是，则所述首发簇首节点就近寻找合适节点采集融合数据；
若所述第五判断结果为否，则所述簇首节点根据协作建簇方法就近选择合适的协作节点，然后发送远端簇首节点请求寻找下一跳节点；
判断所述下一跳节点是否是汇聚节点，得到第六判断结果；
若所述第六判断结果为是，则所述汇聚节点立即发出当选汇聚节点广播消息，周围节点不再成为簇首节点，并根据路由信息选择时延代价最小的路径，连接建立后，其余节点恢复休眠状态，同时参与节点以协作方式传递数据；
若所述第六判断结果为否，则判断所述下一跳节点自身剩余能量是否大于簇首节点剩余能量门限且所述自身实际传输距离是否在簇内短传输IST距离门限和节点有效通信距离之间；
若是，则确定是否已超过最大设置跳数，若超过最大设置跳数，则该路径不再继续搜索；若未超过最大设置跳数，则所述下一跳节点成为准簇首节点，所述准簇首节点发出附近当选簇首节点广播消息，并在下一个随机退避时间内等待自身归属信息；
若否，则所述下一跳节点休眠；
所述汇聚节点根据接收到的所述数据得到所述第二数字信号。
可选的，所述协作建簇方法，具体包括：
所述簇首节点就近广播协作节点请求消息，邻居节点收到并自检；
判断所述邻居节点自身剩余能量是否大于协作节点剩余能量门限且自身实际传输距离是否小于簇间长传输ILT距离门限，得到第七判断结果；
若所述第七判断结果为是，则所述邻居节点成为准协作节点，并向所述簇首节点返回应答消息和导频；
所述簇首节点根据路由信息估计信道状态，并向所述准协作节点返回确认消息；
判断所述准协作节点是否收到确认消息；
若是，则所述准协作节点成为协作节点，所述簇首节点协作建簇完成；
若否，则所述准协作节点休眠；
若所述第七判断结果为否，则所述邻居节点放弃成为准协作节点。
一种水下无线传感器网络节点装置，包括：水声通信模块，微处理器，以及与所述微处理器分别连接的传感器输入接口和脉冲宽度调制输出接口；
所述微处理器与所述水声通信模块连接，所述微处理器用于控制所述水声通信模块与水下其它节点或汇聚节点完成数据通信，发出控制指令从所述传感器输入接口采集监测区域内的环境信息和监测对象信息，以及向所述脉冲宽度调制输出接口输出电机驱动信号；
所述水声通信模块用于对获取的水下超声信号以及所述微处理器产生的待传信号进行数字信号的处理，包括数字正交相干解调调制、媒介访问控制以及路由跨层水声通信处理。
可选的，还包括：电池能量管理模块，与所述微处理器连接的存储器，以及与所述存储器连接的扩展接口；
所述微处理器通过所述存储器与所述传感器输入接口和所述脉冲宽度调制输出接口连接；所述存储器用于存储所述微处理器接收或处理的数据和应用程序；所述扩展接口用于串行数据传输；
所述电池能量管理模块分别与所述水声通信模块、所述微处理器、所述存储器、所述传感器输入接口、所述脉冲宽度调制输出接口和所述扩展接口连接；所述电池能量管理模块包括电池、能量检测模块和电源输出接口，所述电源输出接口由所述微处理器使能控制，所述电池能量管理模块用于电源能量的供应和检测管理；所述微处理器发出控制指令使能控制所述电源输出接口分别关闭所述传感器输入接口、所述脉冲宽度调制输出接口和所述水声通信模块的电能供应，使所述传感器输入接口、所述脉冲宽度调制输出接口和所述水声通信模块分别进入休眠模式以节省电能。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的水声通信模块，包括：数字信号处理器，与所述数字信号处理器分别连接的数字模拟转换器和模拟数字转换器，与所述数字模拟转换器连接的超声换能器，以及与所述模拟数字转换器连接的水听器；所述水听器用于获取水下超声信号并将所述水下超声信号转换为第一模拟信号；所述模拟数字转换器用于将所述第一模拟信号转换为第一数字信号，所述数字信号处理器用于对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号；所述数字模拟转换器用于将所述第二数字信号转换为第二模拟信号；所述超声换能器用于将所述第二模拟信号转换为超声信号发射到水中。本发明公开的水声通信模块、方法及水下无线传感器网络节点装置，通过在数字信号处理器中进行数字信号的处理，包括数字正交相干解调调制、媒介访问控制以及路由跨层水声通信处理，无需复杂硬件电路即可实现跨层水声通信功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明水下无线传感器网络节点装置实施例的结构图；
图2为本发明水声通信方法实施例的流程图；
图3为本发明水声通信方法实施例中数字正交相干解调调制跨层水声通信处理流程图；
图4为本发明水声通信方法实施例中媒介访问控制跨层水声通信处理流程图；
图5为本发明水声通信方法实施例中路由跨层水声通信处理流程图；
图6为本发明水声通信方法实施例的路由跨层水声通信处理中协作建簇方法流程图；
图7为本发明水下无线传感器网络节点装置实施例工作环境示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种水声通信模块、方法及水下无线传感器网络节点装置，无需复杂硬件电路即可实现跨层水声通信功能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明水下无线传感器网络节点装置实施例的结构图。参见图1，该水下无线传感器网络节点装置，包括：
水声通信模块，微处理器1，以及与所述微处理器1分别连接的传感器输入接口4和脉冲宽度调制输出接口(PWM输出接口)2；
所述微处理器1与所述水声通信模块连接，所述微处理器1用于控制所述水声通信模块与水下其它节点或汇聚节点完成数据通信，发出控制指令从所述传感器输入接口4采集监测区域内的环境信息和监测对象信息，以及向所述脉冲宽度调制输出接口2输出电机驱动信号；
所述水声通信模块用于对获取的水下超声信号以及所述微处理器1产生的待传信号进行数字信号的处理，包括数字正交相干解调调制、媒介访问控制以及路由跨层水声通信处理。
还包括：电池能量管理模块12，与所述微处理器连接的存储器13，以及与所述存储器13连接的扩展接口3；
所述微处理器1通过所述存储器13与所述传感器输入接口4和所述脉冲宽度调制输出接口2连接；所述存储器13用于存储所述微处理器1接收或处理的数据和应用程序；所述扩展接口3用于串行数据传输；
所述电池能量管理模块12分别与所述水声通信模块、所述微处理器1、所述存储器13、所述传感器输入接口4、所述脉冲宽度调制输出接口2和所述扩展接口3连接；所述电池能量管理模块12包括电池、能量检测模块和电源输出接口，所述电源输出接口由所述微处理器1使能控制，所述电池能量管理模块12用于电源能量的供应和检测管理；所述微处理器1发出控制指令使能控制所述电源输出接口分别关闭所述传感器输入接口4、所述脉冲宽度调制输出接口2和所述水声通信模块的电能供应，使所述传感器输入接口4、所述脉冲宽度调制输出接口2和所述水声通信模块分别进入休眠模式以节省电能。
所述水声通信模块，包括：数字信号处理器(DSP)5，与所述数字信号处理器5分别连接的数字模拟转换器(DAC)6和模拟数字转换器(ADC)11，与所述数字模拟转换器6连接的超声换能器(换能器)8，以及与所述模拟数字转换器11连接的水听器9；
所述水听器9用于获取水下超声信号并将所述水下超声信号转换为第一模拟信号；所述模拟数字转换器11用于将所述第一模拟信号转换为第一数字信号，所述数字信号处理器5用于对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号；所述数字模拟转换器6用于将所述第二数字信号转换为第二模拟信号；所述超声换能器 8用于将所述第二模拟信号转换为超声信号发射到水中。
该水声通信模块，还包括功率放大器(功放)7和前置放大器(前放)10，所述功率放大器7分别与所述数字模拟转换器6和所述超声换能器8连接，所述前置放大器10分别与所述模拟数字转换器11和所述水听器9连接。
所述传感器输入接口4包括外扩两路模数转换接口和电源输出接口，所述电源输出接口由所述微处理器1使能控制，所述传感器输入接口4与具有模拟量输出的应用传感器连接，对水下环境信息和监测对象信息进行采样和收集；
所述扩展接口3包括外扩异步串行接口和外扩同步串行接口；所述外扩异步串行接口与相应接口的传感器或外设进行通信；所述外扩同步串行接口与相应接口的传感器或外设进行数据传输；
所述脉冲宽度调制输出接口2包括外扩四路脉冲宽度调制输出接口和电源输出接口，所述电源输出接口由所述微处理器1使能控制；所述四路脉冲宽度调制信号作为电机控制信号。
微处理器运行嵌入式分布式操作系统，实时数据处理、智能决策管理和其他模块的调度控制等功能，装置初次启动时，进行初始化，没有任务时可以进入睡眠状态以减少功耗，通过事件中断唤醒。
装置可利用节点间水声通信的传输延迟和超声波在水下的传播速度，计算装置间的相对距离；两节点间相距一定距离，在微处理器控制下测量水声通信模块发送的信息从对方装置返回来的单程传播时间，并根据超声波的水下传播速度，计算装置间的相对距离。
PWM输出接口外扩四路PWM输出接口，可以输出频率和占空比可调的 PWM电信号，可作为电机等外设的控制信号，且均受到微处理器使能控制；扩展接口外扩两路串行接口，一路异步串行接口和一路同步串行接口均可接相应接口传感器或外设来使用，均受微处理器使能控制；传感器输入接口外扩两路模数转换接口，可实现与具有模拟量输出的应用传感器相连接，完成水下环境信息和监测对象信息的采样、收集，均受微处理器使能控制。DSP为DSP 集成芯片，通过软件编程高度集成调制解调器、MAC、路由等多层水声通信功能，相邻层间可进行数据交互，均受微处理器使能控制，装置可通过路由跨层水声通信处理等，建立路由已完成UWSN的网络层数据包传递等任务，通过媒介访问控制(链路层MAC，即水下自适应媒介访问控制接入协议 (Underwater Adaptive Medium Access Control Protocol，UA-MAC))等实现装置间的链路层帧接入等功能，通过调制解调器等实现物理层数据通信等。数据经过DSP编码、加密、调制等后送入DAC转化为模拟信号，经功率放大器放大信号由超声换能器发送到水声信道上，超声换能器功率可调，根据控制指令在发送有效范围内动态控制功率等，可减少能量浪费、冲突等，均受微处理器使能控制；前置放大器负责将水听器接收的微弱信号放大，经ADC转化为数字信号送入DSP解调、解密、译码等。电源能量管理模块由电池和电池能量检测模块等构成，用于供电和剩余能量自检，均受微处理器使能控制，除微处理器电路电源外，其他模块电源输出均受微处理器使能控制，在没有任务时，在微处理器使能控制下相应模块进入睡眠状态，以节省能量。水声通信模块一般有发送、接收、空闲侦听、睡眠四种状态，功耗依次减少，空闲侦听的功耗和接收状态比较接近，而没有通信任务时，节点会长时间处在空闲侦听状态，能量消耗往往最大，适时的关闭通信模块进入睡眠状态，可节省许多能量。
本节点装置改进了传统无线传感器网络节点无线通信模块无软件核心的缺点，在水声通信模块中创新引入了以宽带A/D/A变换器及高速DSP芯片为核心部件的软件无线电结构，设计编程实现了水声数字正交相干调制解调通信的节点装置，此外还可扩展媒介访问控制(Media Access Control，MAC)、路由等无线通信功能，而且节点配置有测距、电源检测、功率调节和动态电源休眠等功能，实现了低功耗、低成本和高度集成的多跳分布式水声通信功能，有利于提高水下无线传感器网络的使用寿命和应用价值。
图2为本发明水声通信方法实施例的流程图。参见图2，该水声通信方法，包括：
步骤201：获取水下超声信号并将所述水下超声信号转换为第一模拟信号；
步骤202：将所述第一模拟信号转换为第一数字信号；
步骤203：对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号；
该步骤203具体包括：
判断所述第一数字信号的类型，根据所述第一数字信号的类型确定对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制跨层水声通信处理、媒介访问控制跨层水声通信处理或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号。
步骤204：将所述第二数字信号转换为第二模拟信号；
步骤205：将所述第二模拟信号转换为超声信号发射到水中。
图3为本发明水声通信方法实施例中数字正交相干解调调制跨层水声通信处理流程图。数字正交相干解调调制包括数字正交相干解调和数字正交相干调制(二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)或多进制正交幅度调制(M-ary QuadratureAmplitude Modulation，MQAM))两个子过程。参见图3，所述对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
将所述第一数字信号的一路与乘法器Cos(wct)相乘，经过低通滤波器 (LPF)滤除乘法器Cos(wct)产生的高频分量，获得第一有用信号，所述第一有用信号依次经抽样判决器、m/2进制转换器和并/串变换器恢复出第一电平信号；
将所述第一数字信号的另一路与乘法器Sin(wct)相乘，经过低通滤波器 (LPF)滤除乘法器Sin(wct)产生的高频分量，获得第二有用信号，所述第二有用信号依次经抽样判决器、m/2进制转换器和并/串变换器恢复出第二电平信号；
所述并/串变换器根据所述第一电平信号和所述第二电平信号得到解调数据；
串/并变换器将所述解调数据分成两个半速率的互相独立数据流，所述第一数据流送入第一2/m进制转换器中，所述第二数据流送入第二2/m进制转换器中；
所述第一2/m进制转换器在预设的多进制转换中任选一种对所述第一数据流做进制转换，生成符号速率降低了2倍的第一二进制单系列脉冲；
所述第二2/m进制转换器在预设的多进制转换中任选一种对所述第二数据流做进制转换，生成符号速率降低了2倍的第二二进制单系列脉冲；
将所述第一二进制单系列脉冲和所述第二二进制单系列脉冲调制到一对正交载波上，分别得到同相载波I信号和异相载波Q信号；
加法器对输入的所述同相载波I信号和所述异相载波Q信号进行线性叠加后，得到所述第二数字信号。
图4为本发明水声通信方法实施例中媒介访问控制跨层水声通信处理流程图。参见图4，所述对所述第一数字信号进行媒介访问控制跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
发送节点(X)识别所述第一数字信号中的地址信息向目标节点(Y)发送数据；
所述发送节点告知信道让周围可通信范围内的所有邻居节点退避；
判断信道是否空闲，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则所述发送节点启动定时器并随机选择一段时间；
判断所述定时器是否计时结束，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则在计时结束后新时隙开始时所述发送节点以最大功率(Pmax)向目标节点发送请求发送数据的控制帧(RTS)；
所述目标节点根据所述请求发送数据的控制帧计算最小功率(Pmin)， Pmin＝PtRtC0/Pr(C0＝1)，并在下个时隙开始时返回清除发送控制帧(CTS)给所述发送节点，同时所述发送节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述请求发送数据的控制帧(不属于自己的RTS，即xRTS)，计算休眠时隙个数(Nslot)，并进入休眠；
所述发送节点根据所述清除发送控制帧在下个时隙开始时，以最小功率发送所述数据(Ndata个DATA)给所述目标节点，同时所述目标节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述清除发送控制帧(不属于自己的CTS，即xCTS)计算休眠时隙个数，并进入休眠；
判断所述数据是否传输成功，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则接收完所述数据的下个时隙开始时，所述目标节点发送确认帧(ACK)给所述发送节点，同时所述发送节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述确认帧或不属于接收节点自身的 DATA(xDATA)计算休眠时隙个数，并进入休眠；
若所述第三判断结果为否，则接收完所述数据的下个时隙开始时，所述目标节点发送不成功信息给所述发送节点，同时所述发送节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述不成功信息(xACK)计算休眠时隙个数，并进入休眠；
所述发送节点根据所述不成功信息，重新向所述目标节点发送数据；
若所述第二判断结果为否，则所述发送节点告知信道让周围可通信范围内的所有邻居节点退避；
若所述第一判断结果为否，则所述发送节点告知信道让周围可通信范围内的所有邻居节点退避；
所述目标节点根据接收到的所述数据得到所述第二数字信号。
所述休眠时隙个数根据计算；其中，Tslot表示单位时隙长度，所述单位时隙根据Tslot＝Tpropagation+Ttransmission＝d/v+Lc/Rb计算，Tpropagation表示最大单向传播延迟，Ttransmission表示最大握手控制信息传输延迟，单位皆为s； d为最大单向传播距离，单位为m；v为当前环境下海水的声波速度，与海水的盐度、深度和温度因素有关，在特定环境中所述声波速度是固定的，单位为m/s；Lc为最大握手控制信息长度，RTS为请求发送数据的控制帧，CTS为清除发送控制帧，RTS/CTS除了携带信息类型、收发节点地址和最小有效发送功率外，还需携带发送节点待发送数据个数，其长度为固定值，单位为bit；Rb为水声通信接口单位时间内发送的比特数，单位为bit/s；Ndata为当前等待发送的数据帧DATA的个数；type表示接收到的信息帧类型；xRTS、xCTS、xDATA 和xACK分别代表不属于接收节点自身的RTS、CTS、DATA和ACK，其中 ACK为应答消息。
图5为本发明水声通信方法实施例中路由跨层水声通信处理流程图。参见图5，所述对所述第一数字信号进行路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
所述第一数字信号触发当前监测节点(MN)自检；
判断所述当前监测节点剩余能量是否大于簇首节点剩余能量门限 (Ej＞Ech)，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则所述当前监测节点成为簇首节点(CH)；
若所述第一判断结果为否，则所述当前监测节点就近广播簇首节点请求消息(Near CH Request，NCHR)给邻居节点；
所述邻居节点判断是否是汇聚节点(SN)，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则所述汇聚节点立即发出当选汇聚节点广播消息(SNAM)，其余节点恢复休眠，并采集融合数据传递给所述汇聚节点；
若所述第二判断结果为否，则所述邻居节点判断自身剩余能量是否大于簇首节点剩余能量门限(Ej＞Ech)且自身实际传输距离是否小于簇间长传输ILT 距离门限(0＜dj＜dsth)，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则所述邻居节点成为准簇首节点(准CH)；
所述准簇首节点根据自身剩余能量(Ej)和自身实际传输距离(dj)计算随机退避时间(Tr)，并在所述随机退避时间内(0＜t≤Tr)等待附近当选簇首节点广播消息(Near CHAdvertisement Message，NCHAM)；
判断收到所述附近当选簇首节点广播消息的个数，得到第四判断结果；
若所述第四判断结果为0，则所述准簇首节点发出附近当选簇首节点广播消息，并在下一个随机退避时间内(Tr(i＝0,1,2,...,7))等待自身归属信息(Belong Message，BM)；
若收到所述自身归属信息，则所述准簇首节点成为簇首节点；
若未收到所述自身归属信息，则所述准簇首节点成为孤立簇首节点(孤立 CH)；
若所述第四判断结果为1，则所述准簇首节点返回归属信息；
若所述第四判断结果为≥2，则所述准簇首节点既不返回归属信息，也不发送附近当选簇首节点广播消息；
若所述第三判断结果为否，则所述邻居节点休眠；
判断所述簇首节点和所述孤立簇首节点是否是首发簇首节点(首发CH)，得到第五判断结果；
若所述第五判断结果为是，则所述首发簇首节点就近寻找合适节点采集融合数据；
若所述第五判断结果为否，则所述簇首节点根据协作建簇方法就近选择合适的协作节点(CN)，然后发送远端簇首节点请求(Far CH Request，FCHR) 寻找下一跳节点；
判断所述下一跳节点是否是汇聚节点，得到第六判断结果；
若所述第六判断结果为是，则所述汇聚节点立即发出当选汇聚节点广播消息，周围节点不再成为簇首节点，并根据路由信息选择时延代价最小的路径，连接建立后，其余节点恢复休眠状态，同时参与节点以协作方式传递数据；
若所述第六判断结果为否，则判断所述下一跳节点自身剩余能量是否大于簇首节点剩余能量门限(Ej＞Ech)且所述自身实际传输距离是否在簇内短传输IST距离门限和节点有效通信距离之间(dlth＜dj＜dis)；
若是，则确定是否已超过最大设置跳数，若超过最大设置跳数，则该路径不再继续搜索；若未超过最大设置跳数，则所述下一跳节点成为准簇首节点，所述准簇首节点发出附近当选簇首节点广播消息，并在下一个随机退避时间内等待自身归属信息；
若否，则所述下一跳节点休眠；
所述汇聚节点根据接收到的所述数据得到所述第二数字信号。
所述随机退避时间根据IEEE802.11二进制指数退避机制修改而成， Tr＝2iRand·CW(i＝0,1,2,...,7)，其中，Tr是随机退避时间，Rand为随机均匀分布在(0,1]的变量，CW为动态竞争窗口，CW＝α(E0-Ej)/Ej+(1-α)(dis-dj)/dj，α为能量权重因子，且α∈[0,1]，E0为除汇聚节点外的所有节点的初始能量，Ej为当前节点剩余能量，dis为节点有效通信距离，dj为节点实际传输距离；
根据实际需求来确定来协调能量和距离的权重关系，通常α取0.5；在给定权重α时，当距离确定而剩余能量较大时，Tr的统计平均较小，此时剩余能量较大的节点优先成为簇首节点；当簇间长传输ILT距离较大时，Tr的统计平均也较小，此时覆盖性较好的节点优先成为簇首节点。
图6为本发明水声通信方法实施例的路由跨层水声通信处理中协作建簇方法流程图。参见图6，该协议建簇方法(协作建簇算法)，包括：
所述簇首节点就近广播协作节点请求消息(CN Request Message，CNRM)，邻居节点收到并自检；
判断所述邻居节点自身剩余能量是否大于协作节点剩余能量门限 (Ej＞Ecn)且自身实际传输距离是否小于簇间长传输ILT距离门限(dj＜dsth)，得到第七判断结果；
若所述第七判断结果为是，则所述邻居节点成为准协作节点(准CN)，并向所述簇首节点(CH)返回应答消息(Acknowledge，ACK)和导频；
所述簇首节点根据路由信息估计信道状态，并向所述准协作节点返回确认消息(CN Acknowledge，CNACK)；
判断所述准协作节点是否收到确认消息(CNACK)；
若是，则所述准协作节点成为协作节点(CN)，所述簇首节点协作建簇完成；
若否，则所述准协作节点休眠；
若所述第七判断结果为否，则所述邻居节点放弃成为准协作节点。
此外，在簇间路由确定后的数据通信中，CH将按照时分多址TDMA(Time DivisionMultiple Access)方式以Nt×Nr空时编码进行数据传输，其空时编码算法将根据CN的个数来确定。由于节点随机分布，并非总能保证CH能从其附近找到足够的CN，簇首交换算法(Clustering CH Exchange Method,CCEM)就会被启动来与附近节点进行角色交换。
图7为本发明水下无线传感器网络节点装置实施例工作环境示意图。参见图7，汇聚节点(Sink Nodes，SN)和同构节点自组织运行。其中，汇聚节点固定在水面中心，能量不受限，物理上具有多根天线(用于水上部分无线电多输入多输出(Multiple inputMultiple Output,MIMO)通信)和多个声呐(用于水下部分水声MIMO通信)，能处理复杂的接入和路由算法；同构节点随机部署在水下三维区域，由锚或气囊等固定，避免随水流移动而离开监测区域，并且皆有一个声呐，在通信中可根据实际情况而成为不同的角色，如监测节点 (Monitor Nodes，MN)、簇首节点(Cluster Header，CH)、协作节点(Cooperative Node，CN)、普通节点(General Nodes，GN)和坏信道状态信息节点(Bad Channel StateInformation，BCSI)等。MN监测到随机事件发生，分簇采集融合数据，采用分布式MIMO通信方式多跳地将数据传递给水面SN，并传递给观察者。在整个通信过程中涉及UWSN五层协议体系结构的网络层、链路层、物理层三个子层间的数据交互，在节点装置中具体由微处理器控制经DSP编程实现路由、MAC、调制解调器等以跨层完成水声通信。所有节点(除SN能量无限以外)初始能量均为E0，当前节点剩余能量Ej，CH和CN剩余能量门限分别为Ech和Ecn，低于能量门限的节点不能成为CH或CN，所有GN有效工作能量阈值Eth；dis为节点有效通信距离，dj为当前节点间近似距离，簇内短传输 IST和簇间长传输ILT距离门限分别为dlth、dsth，节点实际传输距离dj受剩余能量Ej影响。
本发明公开的水声通信模块、方法及水下无线传感器网络节点装置，水声通信模块中的DSP为软件无线电结构，可在DSP集成芯片硬件平台上进行软件编程实现调制解调器等数字信号处理功能，且实现新的水声通信业务只需增加或更新新的模块，创新引入了以宽带A/D/A变换器及高速DSP芯片为核心部件的软件无线电结构实现数字正交相干调制解调器，亦可扩展MAC、路由等水声通信模块，突破了传统无线传感器网络节点中，无线通信模块以硬件电路为核心设计，无软件核心的局限性，是一种开放式、标准化、模块化的结构，具有广阔的应用前景。由于具有功耗低、成本低、集成度高的特点，可在许多领域广泛应用，如水产品养殖，海洋军事，海底监控等具体应用。水声通信模块中创新引入软件无线电结构，是以宽带A/D/A变换器及高速DSP芯片为核心部件的开放式、标准化、模块化的结构，即把需要复杂硬件电路才能实现的无线通信功能，如路由、MAC、调制解调等跨层水声通信功能，采用通用平台编程来实现。
本发明在节点设计中创新引入了以宽带A/D/A变换器及高速DSP芯片为核心部件的软件无线电结构，改进了传统无线传感器网络节点(通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块(纯硬件电路连接天线)和电源模块四部分构成)中无线通信模块无软件核心的不足，可编程实现水声数字正交相干调制解调等通信功能，目的在于降低水下无线传感器节点装置的功耗和成本并提高集成度，以满足水下无线传感器网络延长使用寿命和大规模应用的要求，解决了市场上现有水声通信设备存在价格高、功耗大、集成度低，无法达到水下大规模应用和电池长时间支持工作需要的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种水声通信模块，其特征在于，包括：数字信号处理器，与所述数字信号处理器分别连接的数字模拟转换器和模拟数字转换器，与所述数字模拟转换器连接的超声换能器，以及与所述模拟数字转换器连接的水听器；
所述水听器用于获取水下超声信号并将所述水下超声信号转换为第一模拟信号；所述模拟数字转换器用于将所述第一模拟信号转换为第一数字信号，所述数字信号处理器用于对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号；所述数字模拟转换器用于将所述第二数字信号转换为第二模拟信号；所述超声换能器用于将所述第二模拟信号转换为超声信号发射到水中。
2.根据权利要求1所述的水声通信模块，其特征在于，还包括功率放大器和前置放大器，所述功率放大器分别与所述数字模拟转换器和所述超声换能器连接，所述前置放大器分别与所述模拟数字转换器和所述水听器连接。
3.一种水声通信方法，其特征在于，包括：
获取水下超声信号并将所述水下超声信号转换为第一模拟信号；
将所述第一模拟信号转换为第一数字信号；
对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号；
将所述第二数字信号转换为第二模拟信号；
将所述第二模拟信号转换为超声信号发射到水中。
4.根据权利要求3所述的水声通信方法，其特征在于，所述对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制、媒介访问控制或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
判断所述第一数字信号的类型，根据所述第一数字信号的类型确定对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制跨层水声通信处理、媒介访问控制跨层水声通信处理或路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号。
5.根据权利要求4所述的水声通信方法，其特征在于，所述对所述第一数字信号进行数字正交相干解调调制跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
将所述第一数字信号的一路与乘法器Cos(wct)相乘，经过低通滤波器滤除乘法器Cos(wct)产生的高频分量，获得第一有用信号，所述第一有用信号依次经抽样判决器、m/2进制转换器和并/串变换器恢复出第一电平信号；
将所述第一数字信号的另一路与乘法器Sin(wct)相乘，经过低通滤波器滤除乘法器Sin(wct)产生的高频分量，获得第二有用信号，所述第二有用信号依次经抽样判决器、m/2进制转换器和并/串变换器恢复出第二电平信号；
所述并/串变换器根据所述第一电平信号和所述第二电平信号得到解调数据；
串/并变换器将所述解调数据分成两个半速率的互相独立数据流，所述第一数据流送入第一2/m进制转换器中，所述第二数据流送入第二2/m进制转换器中；
所述第一2/m进制转换器在预设的多进制转换中任选一种对所述第一数据流做进制转换，生成符号速率降低了2倍的第一二进制单系列脉冲；
所述第二2/m进制转换器在预设的多进制转换中任选一种对所述第二数据流做进制转换，生成符号速率降低了2倍的第二二进制单系列脉冲；
将所述第一二进制单系列脉冲和所述第二二进制单系列脉冲调制到一对正交载波上，分别得到同相载波I信号和异相载波Q信号；
加法器对输入的所述同相载波I信号和所述异相载波Q信号进行线性叠加后，得到所述第二数字信号。
6.根据权利要求4所述的水声通信方法，其特征在于，所述对所述第一数字信号进行媒介访问控制跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
发送节点识别所述第一数字信号中的地址信息向目标节点发送数据；
所述发送节点告知信道让周围可通信范围内的所有邻居节点退避；
判断信道是否空闲，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则所述发送节点启动定时器并随机选择一段时间；
判断所述定时器是否计时结束，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则在计时结束后新时隙开始时所述发送节点以最大功率向目标节点发送请求发送数据的控制帧；
所述目标节点根据所述请求发送数据的控制帧计算最小功率，并在下个时隙开始时返回清除发送控制帧给所述发送节点，同时所述发送节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述请求发送数据的控制帧，计算休眠时隙个数，并进入休眠；
所述发送节点根据所述清除发送控制帧在下个时隙开始时，以最小功率发送所述数据给所述目标节点，同时所述目标节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述清除发送控制帧计算休眠时隙个数，并进入休眠；
判断所述数据是否传输成功，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则接收完所述数据的下个时隙开始时，所述目标节点发送确认帧给所述发送节点，同时所述发送节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述确认帧计算休眠时隙个数，并进入休眠；
若所述第三判断结果为否，则接收完所述数据的下个时隙开始时，所述目标节点发送不成功信息给所述发送节点，同时所述发送节点周围可通信范围内的所有邻居节点根据接收到的所述不成功信息计算休眠时隙个数，并进入休眠；
所述发送节点根据所述不成功信息，重新向所述目标节点发送数据；
若所述第二判断结果为否，则所述发送节点告知信道让周围可通信范围内的所有邻居节点退避；
若所述第一判断结果为否，则所述发送节点告知信道让周围可通信范围内的所有邻居节点退避；
所述目标节点根据接收到的所述数据得到所述第二数字信号。
7.根据权利要求4所述的水声通信方法，其特征在于，所述对所述第一数字信号进行路由跨层水声通信处理，得到第二数字信号，具体包括：
所述第一数字信号触发当前监测节点自检；
判断所述当前监测节点剩余能量是否大于簇首节点剩余能量门限，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果为是，则所述当前监测节点成为簇首节点；
若所述第一判断结果为否，则所述当前监测节点就近广播簇首节点请求消息给邻居节点；
所述邻居节点判断是否是汇聚节点，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果为是，则所述汇聚节点立即发出当选汇聚节点广播消息，其余节点恢复休眠，并采集融合数据传递给所述汇聚节点；
若所述第二判断结果为否，则所述邻居节点判断自身剩余能量是否大于簇首节点剩余能量门限且自身实际传输距离是否小于簇间长传输ILT距离门限，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果为是，则所述邻居节点成为准簇首节点；
所述准簇首节点根据自身剩余能量和自身实际传输距离计算随机退避时间，并在所述随机退避时间内等待附近当选簇首节点广播消息；
判断收到所述附近当选簇首节点广播消息的个数，得到第四判断结果；
若所述第四判断结果为0，则所述准簇首节点发出附近当选簇首节点广播消息，并在下一个随机退避时间内等待自身归属信息；
若收到所述自身归属信息，则所述准簇首节点成为簇首节点；
若未收到所述自身归属信息，则所述准簇首节点成为孤立簇首节点；
若所述第四判断结果为1，则所述准簇首节点返回归属信息；
若所述第四判断结果为≥2，则所述准簇首节点既不返回归属信息，也不发送附近当选簇首节点广播消息；
若所述第三判断结果为否，则所述邻居节点休眠；
判断所述簇首节点和所述孤立簇首节点是否是首发簇首节点，得到第五判断结果；
若所述第五判断结果为是，则所述首发簇首节点就近寻找合适节点采集融合数据；
若所述第五判断结果为否，则所述簇首节点根据协作建簇方法就近选择合适的协作节点，然后发送远端簇首节点请求寻找下一跳节点；
判断所述下一跳节点是否是汇聚节点，得到第六判断结果；
若所述第六判断结果为是，则所述汇聚节点立即发出当选汇聚节点广播消息，周围节点不再成为簇首节点，并根据路由信息选择时延代价最小的路径，连接建立后，其余节点恢复休眠状态，同时参与节点以协作方式传递数据；
若所述第六判断结果为否，则判断所述下一跳节点自身剩余能量是否大于簇首节点剩余能量门限且所述自身实际传输距离是否在簇内短传输IST距离门限和节点有效通信距离之间；
若是，则确定是否已超过最大设置跳数，若超过最大设置跳数，则该路径不再继续搜索；若未超过最大设置跳数，则所述下一跳节点成为准簇首节点，所述准簇首节点发出附近当选簇首节点广播消息，并在下一个随机退避时间内等待自身归属信息；
若否，则所述下一跳节点休眠；
所述汇聚节点根据接收到的所述数据得到所述第二数字信号。
8.根据权利要求7所述的水声通信方法，其特征在于，所述协作建簇方法，具体包括：
所述簇首节点就近广播协作节点请求消息，邻居节点收到并自检；
判断所述邻居节点自身剩余能量是否大于协作节点剩余能量门限且自身实际传输距离是否小于簇间长传输ILT距离门限，得到第七判断结果；
若所述第七判断结果为是，则所述邻居节点成为准协作节点，并向所述簇首节点返回应答消息和导频；
所述簇首节点根据路由信息估计信道状态，并向所述准协作节点返回确认消息；
判断所述准协作节点是否收到确认消息；
若是，则所述准协作节点成为协作节点，所述簇首节点协作建簇完成；
若否，则所述准协作节点休眠；
若所述第七判断结果为否，则所述邻居节点放弃成为准协作节点。
9.一种水下无线传感器网络节点装置，其特征在于，包括：权利要求1或2所述的水声通信模块，微处理器，以及与所述微处理器分别连接的传感器输入接口和脉冲宽度调制输出接口；
所述微处理器与所述水声通信模块连接，所述微处理器用于控制所述水声通信模块与水下其它节点或汇聚节点完成数据通信，发出控制指令从所述传感器输入接口采集监测区域内的环境信息和监测对象信息，以及向所述脉冲宽度调制输出接口输出电机驱动信号；
所述水声通信模块用于对获取的水下超声信号以及所述微处理器产生的待传信号进行数字信号的处理，包括数字正交相干解调调制、媒介访问控制以及路由跨层水声通信处理。
10.根据权利要求9所述的水下无线传感器网络节点装置，其特征在于，还包括：电池能量管理模块，与所述微处理器连接的存储器，以及与所述存储器连接的扩展接口；
所述微处理器通过所述存储器与所述传感器输入接口和所述脉冲宽度调制输出接口连接；所述存储器用于存储所述微处理器接收或处理的数据和应用程序；所述扩展接口用于串行数据传输；
所述电池能量管理模块分别与所述水声通信模块、所述微处理器、所述存储器、所述传感器输入接口、所述脉冲宽度调制输出接口和所述扩展接口连接；所述电池能量管理模块包括电池、能量检测模块和电源输出接口，所述电源输出接口由所述微处理器使能控制，所述电池能量管理模块用于电源能量的供应和检测管理；所述微处理器发出控制指令使能控制所述电源输出接口分别关闭所述传感器输入接口、所述脉冲宽度调制输出接口和所述水声通信模块的电能供应，使所述传感器输入接口、所述脉冲宽度调制输出接口和所述水声通信模块分别进入休眠模式以节省电能。
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