[發明專利]基于P2P的水聲傳感器網絡系統及其數據傳輸方法

有效

• 申請號: 201310156309.5
• 申請日: 2013-04-28
• 公開（公告）號: CN103209224A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 徐明;劉廣鐘;吳華鋒;孫偉
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 周榮芳

技術領域

本發明涉及一種基于P2P的水聲傳感器網絡系統及其數據傳輸方法，屬于傳感器網絡應用技術領域。

背景技術

水聲傳感器網絡是水聲通信技術與傳感器網絡技術相結合所產生的一個新的研究領域。水聲傳感器網絡可以對水聲傳感器節點所覆蓋的區域進行中長期的水下預警、水質污染監測、海洋水文環境要素監測，并且在目標跟蹤與識別、入侵檢測等海洋軍事安全領域都具有廣闊的應用前景。

由于水聲傳感器網絡部署在水下，采用聲波進行通信，而聲波在水下的傳播速度比無線電波在空氣中的傳播速度少5個數量級，因此通信延遲問題非常嚴重。此外，由于水下信道的復雜性，傳感器節點之間的鏈路質量容易受到環境噪聲等因素的干擾，嚴重影響了水聲傳感器網絡的數據傳輸速率、通信信道的可靠性和網絡吞吐量。因此，傳統的陸上無線傳感器網絡以及其它自組織網絡中許多研究成果無法直接應用于水聲傳感器網絡，使得水聲傳感器網絡系統的設計和應用面臨很大的挑戰。

為了適應水下環境，水聲傳感器網絡節點用自組織和自治的方式組網，通過節點之間的協同來感知、采集和處理監測區域中感知對象的信息，并將信息傳輸給觀察者完成特定的監測任務。傳感器節點采集到的數據通過水聲通信的方式傳輸到水面或者岸上匯聚節點進行存儲。根據匯聚節點數量的不同，水聲傳感器網絡采用單匯聚節點路由協議或者多匯聚節點路由協議來選擇路由路徑。當數據存儲到多個匯聚節點時，各個匯聚節點之間一般通過射頻通信的方式進行數據傳輸。為了保證數據傳輸的質量，匯聚節點之間部署的物理距離十分有限。此外，水聲傳感器節點由于成本高、能耗大以及水聲通信長延遲的特點限制了節點的部署密度。因此，依托現有網絡體系結構和數據傳輸技術構建的水聲傳感器網絡系統在大范圍水域環境下，會出現網絡易分割、數據傳輸易中斷以及傳輸延遲長的問題，導致數據傳輸效率低下。所以，當前迫切需要提供一種適用于大范圍水域環境的水聲傳感器網絡系統及其數據傳輸方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于P2P的水聲傳感器網絡系統及其數據傳輸方法，使得匯聚節點的部署不再受傳統水聲傳感器網絡體系結構中地理位置和距離的限制，并且能夠在水聲信道鏈路丟包率較高的情況下保證數據上傳的完整性和數據傳輸率，有效降低網絡中冗余數據包重傳造成的能量消耗，進而提高水聲傳感器網絡系統的使用壽命。

為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種基于P2P的水聲傳感器網絡系統，其包括：若干個水聲傳感器節點、若干個中繼節點、若干個匯聚節點，和若干個P2P節點；

所述中繼節點通過浮標或者船載的方式漂浮在水面上，并且能夠通過無線通信方式與岸上的匯聚節點進行信息交互，再通過所述匯聚節點與P2P節點的信息交互，以及所述P2P節點與其他P2P節點的信息交互來傳輸采集的數據供后續處理；

多個所述水聲傳感器節點位于水中的不同深度，其中一些水聲傳感器節點直接懸掛于水面上的中繼節點下方，另一些水聲傳感器節點利用浮標通過錨泊方式懸浮于水中；

其中，每個所述水聲傳感器節點設置有兩個數據通信接口，其中一個接口為CAN總線接口，能夠通過CAN總線與中繼節點直接進行數據通信；另一個接口為水聲通信接口，能夠使用水聲換能器與其它水聲傳感器節點進行數據通信，從而將任意一個水聲傳感器節點采集到的數據逐步轉發給距離水面更近的水聲傳感器節點，直至通過CAN總線傳輸到水面上的中繼節點，形成完整的水聲通信路由路徑。

所述水聲傳感器節點中，包括：

能夠將探測到的水下聲信號轉換為電信號的水聽器，依次對電信號進行相應處理的衰減保護模塊、前置放大模塊、帶通濾波器和A/D轉換模塊，和對轉換得到的數字信號實現數據處理和硬件邏輯設計的FPGA中央處理模塊；以及，

對所述FPGA中央處理模塊處理后輸出的數據信號，依次進行相應處理的D/A轉換模塊、平滑濾波器、功率放大模塊和匹配網絡模塊，和由阻抗匹配后的電信號激發產生機械振動的換能器，從而推動水介質向水中發射聲波信號，以便與其它水聲傳感器節點進行水聲通信；

所述水聲傳感器節點中還包括，與所述FPGA中央處理模塊信號連接的以下裝置：能夠為水聲傳感器節點的各個模塊和芯片供電，并且通過程控方式切換水聲傳感器節點的工作或者休眠狀態的電源管理模塊，以及負責提供時鐘日歷、記錄數據收發的時間并能夠通過讀取芯片內部寄存器進行報警的時鐘管理模塊；所述時鐘管理模塊的芯片還能夠在節點處于休眠狀態時由法拉電容供電；