专利名称：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±夹，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^个数据包分成一组，分组后的数据包可以表示为石，石，…，石；然后，将这#个数据包编码成《个编码包，并产生《组随机数
权利要求
1.一种基于P2P的水声传感器网络系统,其特征在于,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。
2.如权利要求1所述基于P2P的水声传感器网络系统，其特征在于: 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。
3.如权利要求1所述基于P2P的水声传感器网络系统，其特征在于: 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±夹，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。
4.如权利要求1所述基于P2P的水声传感器网络系统，其特征在于: 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。
5.如权利要求1所述基于P2P的水声传感器网络系统，其特征在于: 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。
6.—种权利要求1 中所述基于P2P的水声传感器网络系统的数据传输方法,其特征在于: 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。
7.如权利要求6所述的数据传输方法,其特征在于: 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^个数据包分成一组，分组后的数据包可以表示为石，石，…，石；然后，将这#个数据包编码成《个编码包，并产生《组随机数 再根据公式(I)用每组随机数对组内的原始数据进行编码:
8.如权利要求7所述的数据传输方法，其特征在于: 基于链路丢包率计算水声传感器节点在路由过程中能量消耗的方法，包含: 假设链路丢包率为^则链路的可靠性为1-6那么将一个编码包从源节点经过一条力跳的路径成功转发到汇聚节点的概率为，而成功发送一组数据包的概率&可用公式(2)计算得到:
9.如权利要求8所述的数据传输方法，其特征在于: 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1:目标节点按照公式(8)对数据包进行解码:
全文摘要
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。
文档编号H04L29/08GK103209224SQ201310156309
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月28日 优先权日2013年4月28日
发明者徐 明, 刘广钟, 吴华锋, 孙伟 申请人:上海海事大学