水下无线传感网络(WSN)国内外研究进展综述(2)

2019-03-09 22:58

对于大多数应用,不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”,实现 对外部目标的定位和追踪。另一方面,了解传感器节点位置信息还可以提高路 由效率,为网络提供命名空间,向部署者报告网络的覆盖质量,实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置。而人工部署和为所有网络节点安装GPS 接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制,甚至在某些场合可能根本无法实现,因此必须采用一定的机制与算法实现WSN 的自身定位。 (3)节点定位近期所使用的方法

水下定位技术可以分为基于测距的定位和基于非测距的定位两种。基于测距的定位先进行两点测距,然后利用三边、三角等几何特性定位节点. 具体测距方法有RSSI、TOA、TDOA和AOA等. RSSI随水下信道变化具有很高的时变性,因此依赖RSSI测距会造成定位的不准确。TOA需要精确的时间同步,但在水下复杂的信道很难做到这一点。

有的文献提出一种不需要时间同步的被动定位算法,但需要四个大功率的锚节点。有的文献利用AUV周期性地发送位置信标定位节点。

有的文献提出利用节点的移动模型降低节点定位频度的算法。

有的文献提出利用投影把三维定位降为二维定位的稀疏网络定位算法。基于非测距定位主要有交叠区域定位、多跳距离定位等. 非测距定位方法简单,不依赖额外的设备,但

测量误差较大,适合对定位精度要求不高的场合。

有的文献通过改变锚节点的发射功率,将大的区域分割成许多小区域实现节点区域定位。

有的文献通过将二维区域定位算法扩展到三维水下区域定位。

有的文献提出利用水声换能器的方向角进行水下定位的算法UDB, 它通过节点听到的第一个和最后一个信标确定节点的位置。有的文献提出利用移动信标节点进行定位、适用于三维稀疏网络的定位算法LDB。 七.带 AUVS 水下传感器网络

水下节点可以在海床上固定部署,但节点移动部署可以扩大监测区域。利用洋流或海流,可以实现节点的移动。

自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)是一个无人操控而在水下自主航行的机器。AUV 属于“无人水下航行器”(unmanned underwater vehicles, UUVs)范畴,除了AUV,UUVs 还包括了非自动的远程操作水下航行器(remotely operated underwater vehicles, ROVs)。AUV 关键在于“自主”,一旦投入水中开始工作,AUV 的活动决策将完全自主完成,无需人工操作。限于技术发展水平,近年来AUV 仅被用于有限的一些任务。随着处理能力的进步以及电源容量的提升,AUV 被引入越来越多的任务中扮演重要角色,如科研、水下勘探、空难事故调查等。

相比普通静态水下无线传感器节点,AUV 由多套智能系统组成,结构复杂、性能更强、功能更丰富,成本也高得多。其中,AUV 中有系统的功能与普通水下无线传感器节点类似,如环境探测系统、电源监控和管理系统、通信系统等:环境探测系统配备有水压、盐度、水温等环境传感器,用于感知周围水域的环境参数,帮助AUV采集应用所需的兴趣数据;电源监控和管理系统为AUV 提供电能供应,电源管理在这里进行;通信系统使得AUV 具备在水下与普通节点或基站交互信息的能力。另一些系统是AUV 特有的,包括了动力系统、障碍探测系

统、导航系统、运动规划系统、中央控制单元等。动力系统是AUV区别于普通静态水下无线传感器节点最重要的特征,它保证了AUV 具备在水下自由移动的能力,从而帮助AUV 完成许多普通静态节点无法完成的任务。辅助动力系统的还有障碍探测系统、导航系统、运动规划系统等:障碍规划系统能够探测AUV 附近存在的障碍物;导航系统内部配备有GPS 定位系统,它能够实时定位AUV 当前所在的位置坐标,这对AUV来说至关重要;运动规划系统帮助AUV 在移动过程中保持正确的路径和姿态。所有这些系统由中央控制单元统一管理,中央控制单元作为AUV 的逻辑中枢,所有的数据处理、运算、指令逻辑等在这里完成,它负责控制和协调各个系统有序工作,是整个系统的核心。

AUV系统结构组成

最近新研制出一种可以通过控制信号沉到水中预定深度的球形节点。这种节点随海流漂移对海洋环境污染进行监测。将水下节点搭载在自主式水下航行器(AUV)或水下滑翔机(underwater glider)等水下移动设备上,也可以成为水下移动节点。Hydroid 公司生产的 REMUS系列 AUV,其巡游速可以达到 1.5m/s 至 2.9m/s,续航能力短的可达几十小时。

如果利用岸边充电系统或者利用太阳能电池板浮到水面上自充电,则可以连续工作几个月。水下滑翔机利用海洋温差热能等辅助驱动手段,消耗很少的能量就可以在水中安静地“滑翔”一个月甚至几个月。尽管它的移动速度很慢(每小时大约移动 1000m), 但可以持续不断地搜集水下信息。

美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的科学家曾利用12个水下滑翔机成功地组成了一个水下传感器探测网络。

八.水下传感器网络国内外研究进展与成果

我国早在“八五”期间就针对水声通信进行研究,主要研究机构有哈尔滨工程大学、中国科学院声学研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、厦门大学、西 北工业大学、南京大学、东南大学等,主要针对低速率远程通信和高速率近程通信做了研究。

我国在水下传感器网络方面的研究刚刚起步,主要研究结构有中国科学院声学研究所、中国科学院海洋研究所、中国科学院自动化研究所、哈尔滨工程大学、厦门大学、中国船舶重工集团公司第七一五研究所和中国海洋大学等。主要针对水声通信技术、组网协议、体系结构等展开研究。

部分研究成果

1.中国科学院自动化研究所的基于机器鱼的移动传感器网络实现环境监测的方案

2.中国科学院声学研究所、中国科学院沈阳自动化研究所和西安光学精密机械所共同研制成功的水下反恐传感器网络监控系统;中国海洋大学在水下传感器网络和海洋立体监测网络领域展开了研究,研制并在海上部署了水面传感器网络。下图左侧是水面部署节点,它由水上部分的Telosb节点和我们研制的水下节点组成,上下节点间用 RS-232 相连。下图右侧是在海上实际部署和部署的21 个节点的实际位置图.目前实时采集温度、光照和节点间的信号强度等信息,并计算节点所在位置的海深数值和表面流速数值等实时监测数据供用户通过网络访问使用,下一步主要研究海底部署的水下网络与水面网络的互联组网问题。

海面节点结构及海面部署

国外水下传感器网络研究起步较早,美国早在1998年就进行了实际的水下Seaweb组网实验。随着对水下传感器网络的日益重视, 有更多的科研机构加入研究, 主要有:康涅狄格州大学、佐治亚理工学院、南加州大学、麻省理工学院、美国的伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)和新加坡国立大学等在水下传感器网络领域积极展开研究。 九.总结

水下传感器网络的研究近几年得到了很大的发展,但仍面临着许多问题和挑战。目前实际的组网实验很少, 没有成熟的仿真系统,。

水下无线传感网络最为重要的一点就是节点的布置。水下无线传感器网络节点通常通过飞机、舰船等随机投放,部署具有很强的不确定性,不可能实现将节点准确部署在指定位置。个人感觉相比传统水下无线传感器网络节点,AUV 具有许多无可比拟的优势,它具有更大的存储空间、更强的处理其性能,因此能够进行更加复杂的运算;AUV 自带GPS 定位系统,它能够即时准确地获知自己所

处的坐标位置;而最大的优势在于,AUV 能够自由移动,这意味着相比传统静态节点构成的网络,有AUV 参与的水下无线传感器网络具有更强的灵活性,网络拓扑具有更广阔的优化空间。


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