CN114401519B - 一种水下三维无线传感器网络自动构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下三维无线传感器网络自动构建方法。本发明的一种水下三维无线传感器网络自动构建方法，包括步骤依次为目标三维水域建模确定最佳部署位置、可移动无线传感器播撒到水面、可移动无线传感器自主驱动到最佳部署位置、可移动无线传感器之间建立通信物理链路构成水下三维无线传感器网络。本发明的有益效果在于，使用可移动无线传感器可以自行运动到最佳部署位置，相比现有技术不需要人工将无线传感器放置到设定的节点位置，网络构建操作过程实现自动化，无需额外借助锚定或浮标的方法。

Description

一种水下三维无线传感器网络自动构建方法

技术领域

本发明属于水下传感器网络的技术领域，具体涉及一种水下三维无线传感器网络自动构建方法。

背景技术

水下无线传感器网络是水文信息采集网络的重要组成部分，广泛应用在海洋环境监测、水体数据采集、水下入侵检测等工程领域。由于构成水下无线传感器网络的传感器节点处于不同水深，其深度相对于网络的宽度和广度无法忽略不计，因此，通常将水下无线传感器网络视为水下三维无线传感器网络。

目前，在构建水下三维无线传感器网络时，通常采用浮标法或锚定法。浮标法通过缆绳将水下无线传感器与水面浮标相连接，通过调整缆绳长度形成水下三维无线传感器网络；锚定法则通过缆绳将水下无线传感器与水底锚标相连接，通过调整缆绳长度形成水下三维无线传感器网络。

但是，浮标法和锚定法组网过程不仅需要人工投放浮标或锚定无线传感器，还需要预先计算好无线传感器的网络拓扑及每个无线传感器的位置，且组网后无线传感器在水下三维空间的位置基本上不能改变。所以，无论是浮标法还是锚定法，在构建水下三维无线传感器网络过程中整体效率不高，且后期维护更新网络存在困难。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明目的在于提供一种水下三维无线传感器网络自动构建方法，用于实现无线传感器自行组网的功能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水下三维无线传感器网络自动构建方法，采用多个可移动无线传感器，其特征在于，包括步骤如下：

对需要进行无线传感器构建的水下三维空间进行建模，对可移动无线传感器的传感区域进行建模，并让可移动无线传感器的传感区域镶嵌填满水下三维空间，以可移动无线传感器的传感区域的几何中心为可移动无线传感器的最佳部署位置；

将多个可移动无线传感器播撒投放到水下的三维空间内，并让每个可移动无线传感器自主移动到最佳部署位置；

全部可移动无线传感器均到达最佳部署位置后，可移动无线传感器之间建立通信链路实现组网。

优选地，进行建模获得最佳部署位置的步骤包括：

将需要进行水下三维空间的区域设定为长方体区域并建立空间直角坐标系；

将每个可移动无线传感器在长方体区域内所占用的空间设定为正六棱柱；

多个正六棱柱以逐层镶嵌的方式布置在长方体区域内，以正六棱柱的几何中心为可移动无线传感器的最佳部署位置。

进一步地，播撒投放可移动无线传感器并让全部可移动无线传感器填满最佳部署位置的步骤包括：

将与多个正六棱柱数量相等的可移动无线传感器随机投放到长方体区域，全部可移动无线传感器之间根据坐标判断并传递空置的最佳部署位置信息，并计算自身在空间直角坐标系上的坐标；

每个可移动无线传感器移动到最佳部署位置并通知相邻的可移动无线传感器，其相邻可移动无线传感器则向空置的最佳部署位置移动，直到全部的可移动无线传感器均位于最佳部署位置并维持位置稳定。

进一步地，可移动无线传感器之间建立通信链路实现组网的步骤包括：

相邻传感区域内的可移动无线传感器之间建立无线通信物理链路以组建水下三维无线传感器网络。

进一步地，可移动无线传感器在长方体区域内所占用的空间设定为正六棱柱，设定可移动无线传感器的传感半径r为：

r＝min(r_c，r_s)

其中，r_c表示可移动无线传感器在水下进行通信时信号的传输半径，r_s表示可移动无线传感器在水下的感知半径，min(r_c,r_s)表示取两者之中的最小值，传感半径r表示多个可移动无线传感器之间建立无线通信物理链路时实际的信号有效传输距离。

进一步地，空间直角坐标系以该长方体区域的几何中心作为原点，空间直角坐标系的x轴与长方体区域左右平面垂直，向右为正方向；y轴与长方体区域上下平面垂直，向上为正方向；z轴与长方体区域前后平面垂直，向前为正方向；

在多个正六棱柱以逐层镶嵌的方式布置在长方体区域内时，正六棱柱的上、下底面均分别与空间直角坐标系中的xz平面平行，正六棱柱的其中一个侧面与空间直角坐标系中的yz平面平行；

将正六棱柱的边长设定为

高设定为/>

将全部正六棱柱的几何中心设为可移动无线传感器的最佳部署位置。

进一步地，空间直角坐标系分别在x轴、y轴、z轴上设定层、行、列三个维度，所述最佳部署位置的x轴、y轴、z轴坐标分别根据下列三条式子计算：

/>

其中，i、j、k分别表示位于x轴的第i层，y轴的第j行和z轴的第k列，i、j、k均为整数，x_i、y_j、z_k分别表示最佳部署位置的x坐标、y坐标、z坐标。

进一步地，将可移动无线传感器随机投放到长方体区域的步骤包括：

将x轴上方的水面，水面上的最右侧点设为初始投放点，并且全部可移动无线传感器录入初始投放点的坐标；

将与最佳部署位置数量的可移动无线传感器沿着x轴上方沿直线随机播撒投放到水面。

进一步地，播撒投放可移动无线传感器后，可移动无线传感器在从水面移动填满全部最佳部署位置的具体步骤依次如下：

第一步，可移动无线传感器计算自身的坐标判断是否处于最佳部署位置；若是，则执行第三步；若否，则执行第二步；

第二步，所有的可移动无线传感器分别根据自身周围空置的最佳部署位置信息，以平移的方式到达与其同一行内距离最近且空置的最佳部署位置，然后执行步骤第三步；

第三步，可移动无线传感器向下移动，当到达长方体区域的最下面一行、或与阻挡其向下移动的另一个可移动无线传感器的距离为正六棱柱高时，停止移动，保持当前高度后执行第四步；

第四步，可移动无线传感器根据自身周围空置的最佳部署位置信息，获取与其同一行内距离最近且空置的最佳部署位置，然后返回执行第二步，直到全部的可移动无线传感器均填满了所有最佳部署位置。

优选地，可移动无线传感器为安装有无线传感器件的自主式水下航行器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明利用可自主移动的水下无线传感器的移动性和通信能力，通过分布式水下三维无线传感器网络构建算法，高效、自动地完成水下无线传感器网络构建，无需像现有的锚定法或浮标法的水下传感器那样预先设定传感器节点的部署位置并人工操作传感器移动到相应部署位置，提升了组网效率。

附图说明

图1为本发明的水下三维无线传感器网络自动构建方法其中一种实施方式的流程图；

图2为图1中无线传感器移动到最佳部署位置过程的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。除非另有明确的规定和限定，否则术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。此外，下面所描述的本公开不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在该词前面的元素或者物件涵盖出现在该词后面列举的元素或者物件及其等同，而不排除其他元素或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种水下三维无线传感器网络自动构建方法，本实施例中所使用的无线传感器分类为可移动无线传感器，具体类型为搭载在自主式水下航行器AUV上的各类型无线传感器，具体包括以下步骤：

S1、在所要无线传感器网络的目标三维水域内，对目标三维水域进行建模，并确定可移动无线传感器的最佳部署位置；具体包括步骤：

S11、设定可移动无线传感器的传感半径r如式(1)：

r＝min(r_c,r_s) (1)

其中，r_c表示可移动无线传感器在水下进行通信时信号的传输半径，r_s表示可移动无线传感器在水下检测光或者电磁场或者声音或者温度等对象时的感知半径，min(r_c,r_s)表示取两者之中的最小值；设定每个可移动无线传感器的传感半径r均相同；传感半径r为可移动无线传感器之间建立无线通信物理链路时实际的信号有效传输距离；

S12、将目标三维水域设为一个长、宽、高分别为l、w、h的长方体区域，以该长方体区域的几何中心作为原点建立空间直角坐标系；空间直角坐标系的x轴与长方体左右平面垂直，向右为正方向；y轴与长方体上下平面垂直，向上为正方向；z轴与长方体前后平面垂直，向前为正方向；

S13、设置正六棱柱逐层镶嵌的方式对步骤S12中的长方体区域进行覆盖，正六棱柱镶嵌到长方体区域的方式为：正六棱柱的上、下底面均分别与空间直角坐标系中的xz平面平行，正六棱柱的其中一个侧面与空间直角坐标系中的yz平面平行；组网后的长方体区域中，一个正六棱柱内包含一个可移动无线传感器，正六棱柱范围内为可移动无线传感器的传感区域；

将正六棱柱的边长设定为

高设定为/>

将全部正六棱柱的几何中心设为可移动无线传感器的最佳部署位置，每个正六棱柱的几何中心坐标根据式(2)、(3)和(4)计算：

/>

其中，i、j、k分别表示传感器节点最佳部署位置位于第i层，第j行和第k列，i、j、k均为整数(以坐标原点为第0层，第0行和第0列，数轴的正方向记为正数、反方向记为负数)；x_i、y_j、z_k分别表示位于第i层，第j行、第k列的传感器节点最佳部署位置的x坐标、y坐标、z坐标；

S2、将可移动无线传感器随机撒播到目标三维水域水面；具体为：

将能够满足步骤S1中计算出来最佳部署位置数量的可移动无线传感器沿着x轴上方的水面，水面上的最右侧点设为初始投放点并且全部可移动无线传感器录入初始投放点的坐标，然后将可移动无线传感器沿直线随机播撒投放到水面；播撒投放后的可移动无线传感器会在直线两侧呈现正态分布；所有相邻的可移动无线传感器之间通过计算各自的相对位置确定自身当前在长方体区域内的坐标；

S3、所有相邻的可移动无线传感器之间根据心跳检测的机制相互传递空置的最佳部署位置的坐标信息，驱动自身移动至最佳部署位置，使所有可移动无线传感器填满全部的最佳部署位置；具体为：

S31、可移动无线传感器计算自身的坐标判断是否处于最佳部署位置；若是，则执行步骤S33；若否，则执行步骤S32；

S32、所有的可移动无线传感器分别根据自身周围空置的最佳部署位置信息，以平移的方式到达与其同一行内距离最近且空置的最佳部署位置，然后执行步骤S33；

S33、可移动无线传感器向下移动，当到达长方体区域的最下面一行或与阻挡其向下移动的另一个可移动无线传感器的距离为正六棱柱高时，停止移动，保持当前高度后执行步骤S34；

S34、可移动无线传感器根据自身周围空置的最佳部署位置信息，获取与其同一行内距离最近且空置的最佳部署位置，然后返回执行步骤S32，直到全部的可移动无线传感器均填满了所有最佳部署位置，接着执行步骤S4；

S4、所有到达最佳部署位置的可移动无线传感器不断调整自身姿态以维持在当前位置上，同时分别与相邻的可移动无线传感器建立通信物理链路形成多跳自组织网络，至此构成水下三维无线传感器网络。

本实施例的水下三维无线传感器网络自动构建方法相比现有技术，其有益效果在于：

基于传感器节点的传感半径，利用可自主移动的水下无线传感器的移动性和通信能力，通过分布式水下三维无线传感器网络构建算法，高效、自动地完成水下无线传感器网络构建，无需像现有的锚定法或浮标法的水下传感器那样预先设定传感器节点的部署位置并人工操作传感器移动到相应部署位置，提升了组网效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水下三维无线传感器网络自动构建方法，采用多个可移动无线传感器，其特征在于，包括步骤如下：

对需要进行无线传感器构建的水下三维空间进行建模，对可移动无线传感器的传感区域进行建模，并让可移动无线传感器的传感区域镶嵌填满水下三维空间，以可移动无线传感器的传感区域的几何中心为可移动无线传感器的最佳部署位置；

进行建模获得最佳部署位置的步骤包括：

将需要进行水下三维空间的区域设定为长方体区域并建立空间直角坐标系；

将每个可移动无线传感器在长方体区域内所占用的空间设定为正六棱柱；

多个正六棱柱以逐层镶嵌的方式布置在长方体区域内，以正六棱柱的几何中心为可移动无线传感器的最佳部署位置；

所述空间直角坐标系以该长方体区域的几何中心作为原点，空间直角坐标系的x轴与长方体区域左右平面垂直，向右为正方向；y轴与长方体区域上下平面垂直，向上为正方向；z轴与长方体区域前后平面垂直，向前为正方向；

在多个正六棱柱以逐层镶嵌的方式布置在长方体区域内时，正六棱柱的上、下底面均分别与空间直角坐标系中的xz平面平行，正六棱柱的其中一个侧面与空间直角坐标系中的yz平面平行；

将正六棱柱的边长设定为

高设定为/>

将全部正六棱柱的几何中心设为可移动无线传感器的最佳部署位置，r表示可移动无线传感器的传感半径；

将多个可移动无线传感器播撒投放到水下的三维空间内，并让每个可移动无线传感器自主移动到最佳部署位置；

全部可移动无线传感器均到达最佳部署位置后，可移动无线传感器之间建立通信链路实现组网。

2.根据权利要求1所述水下三维无线传感器网络自动构建方法，其特征在于，播撒投放可移动无线传感器并让全部可移动无线传感器填满最佳部署位置的步骤包括：

将与多个正六棱柱数量相等的可移动无线传感器随机投放到长方体区域，全部可移动无线传感器之间根据坐标判断并传递空置的最佳部署位置信息，并计算自身在空间直角坐标系上的坐标；

每个可移动无线传感器移动到最佳部署位置并通知相邻的可移动无线传感器，其相邻可移动无线传感器则向空置的最佳部署位置移动，直到全部的可移动无线传感器均位于最佳部署位置并维持位置稳定。

3.根据权利要求2所述水下三维无线传感器网络自动构建方法，其特征在于，可移动无线传感器之间建立通信链路实现组网的步骤包括：

相邻传感区域内的可移动无线传感器之间建立无线通信物理链路以组建水下三维无线传感器网络。

4.根据权利要求3所述水下三维无线传感器网络自动构建方法，其特征在于，可移动无线传感器在长方体区域内所占用的空间设定为正六棱柱，设定可移动无线传感器的传感半径r为：

r＝min(r_c，r_s)

其中，r_c表示可移动无线传感器在水下进行通信时信号的传输半径，r_s表示可移动无线传感器在水下的感知半径，min(r_c,r_s)表示取两者之中的最小值，传感半径r表示多个可移动无线传感器之间建立无线通信物理链路时实际的信号有效传输距离。

5.根据权利要求4所述水下三维无线传感器网络自动构建方法，其特征在于，所述空间直角坐标系分别在x轴、y轴、z轴上设定层、行、列三个维度，所述最佳部署位置的x轴、y轴、z轴坐标分别根据下列三条式子计算：

其中，i、j、k分别表示位于x轴的第i层，y轴的第j行和z轴的第k列，i、j、k均为整数，x_i、y_j、z_k分别表示最佳部署位置的x坐标、y坐标、z坐标。

6.根据权利要求5所述水下三维无线传感器网络自动构建方法，其特征在于，将可移动无线传感器随机投放到长方体区域的步骤包括：

将x轴上方的水面，水面上的最右侧点设为初始投放点，并且全部可移动无线传感器录入初始投放点的坐标；

将与最佳部署位置数量的可移动无线传感器沿着x轴上方沿直线随机播撒投放到水面。

7.根据权利要求6所述水下三维无线传感器网络自动构建方法，其特征在于，播撒投放可移动无线传感器后，可移动无线传感器在从水面移动填满全部最佳部署位置的具体步骤依次如下：

第一步，可移动无线传感器计算自身的坐标判断是否处于最佳部署位置；若是，则执行第三步；若否，则执行第二步；

第二步，所有的可移动无线传感器分别根据自身周围空置的最佳部署位置信息，以平移的方式到达与其同一行内距离最近且空置的最佳部署位置，然后执行步骤第三步；

第三步，可移动无线传感器向下移动，当到达长方体区域的最下面一行、或与阻挡其向下移动的另一个可移动无线传感器的距离为正六棱柱高时，停止移动，保持当前高度后执行第四步；

第四步，可移动无线传感器根据自身周围空置的最佳部署位置信息，获取与其同一行内距离最近且空置的最佳部署位置，然后返回执行第二步，直到全部的可移动无线传感器均填满了所有最佳部署位置。

8.根据权利要求1-7任一项所述水下三维无线传感器网络自动构建方法，其特征在于，所述可移动无线传感器为安装有无线传感器件的自主式水下航行器。

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