一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法技术

本发明专利技术涉及一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法，包括：滑翔机在沿锯齿形轨迹运行过程中，在通信范围内选择适当的传感器节点收集数据；数据收集过程中，滑翔机对传感器节点进行动态规划，最优化传感器节点调度；采用离线计算，在线调度的方式，减少计算负荷；改进基廷斯指数算法，设置阈值，减少广播频率和广播所带来的能量消耗，减少通信负荷，延长水下传感网络的使用寿命。所述水下数据收集方法利用滑翔机作为数据收集平台，能够实现大范围、长时间的数据收集任务；采用带阈值的指数算法降低了求解动态规划的计算复杂度，在保证数据收集质量的基础上减少通信消耗，优化传感器调度，最大化水下传感网络寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法
本专利技术涉及一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法，属于水下声学通信及数据收集

技术介绍
随着海洋强国战略的提出和海洋科技的快速发展，水下传感网络广泛应用于水下资源探测、灾害防治、海洋数据收集等方面。以水下传感网络为基础的海洋开发和利用是一个融合了水下通信技术、水下航行器控制技术、数据收集技术等多种技术的交叉领域，其中，数据收集是海洋开发利用的基础和关键。水下环境复杂多变，水声信道面临着诸多挑战，比如多径传输、多普勒频移等，具有不可靠性。此外，水下声信号缓慢的传播速度使得反馈信号具有较大延时性，进而会影响到数据收集的效率和准确性。现阶段利用水下航行器作为数据收集平台进行水下数据收集已经得到广泛关注和研究。在数据收集中经常使用的水下航行器主要是AUV和滑翔机。其中，AUV在水下数据收集任务中的应用和算法已日趋成熟，但与此同时，AUV也暴露了它的耗能大、成本高、噪声大、持续时间短等缺点。与AUV不同，滑翔机采取了通过调整浮力和姿态获取驱动力的方式，这种独特的驱动模式使滑翔机具有耗能低、成本低、噪声低和航程远的优势，常被应用于大范围、长时间的海洋开发与利用任务中。因此，在长时间、大范围的水下数据收集任务中，滑翔机是作为数据收集平台的理想选择。因此，本专利提出利用滑翔机在水下传感网络中收集海洋数据，感知海洋变化，并且结合自身运动特性实现高效高质量的水下数据收集任务。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用滑翔机实现长时间、大范围的水下传感网络数据收集，并针对水下环境特有的水下节点网络生存时间短以及数据收集质量差的技术缺点和不足，提出一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法。本专利技术的解决方案是，一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法，依托的水下传感网络包括水下传感节点和滑翔机，其特征在于：包括以下步骤：步骤A、在海域中部署多个水下传感器节点监测和收集数据；步骤B、滑翔机首次通过传感器节点部署水域，与通信范围内所有传感器节点握手，唤醒传感器节点，滑翔机离线计算所有传感器节点的可能状态的状态指数，构建状态指数表,滑翔机将离线计算得到的状态指数表发送给所有节点并获取当前所有节点的初始状态指数；步骤C、滑翔机将获取的各传感器节点的初始状态指数进行排序，选择初始状态指数最大的传感器节点i*收集感应到的海洋数据，并在收集完成后更新相应的状态指数；步骤D、当步骤C中选择的传感器节点i*更新后的指数高于或等于阈值T，则检查节点i*的电量是否能继续通信，若电量允许，则继续选择当前传感器，若电量不允许，则滑翔机选择当前除节点i*外状态指数最大的节点收集数据；当i*的指数低于阈值T时，该传感器节点向滑翔机和其他节点广播其状态指数；其他节点接收到广播信息后向滑翔机发送当前状态指数信息，跳至步骤C，即滑翔机根据所获取的当前各传感器节点的状态指数进行排序并选取当前状态指数最大的传感器节点收集数据；利用阈值T进行选择的表达式如下(1)：步骤E、当传感器节点的电量都耗尽或剩余电量无法支持下一次通信，即节点死亡，当所有传感器节点均已死亡，则水下传感网络数据收集过程结束。本专利技术技术方案的进一步改进在于：水下传感器节点具有水声通信模块和多种传感器模块，且水下传感器节点能够与滑翔机实现水声通信。本专利技术技术方案的进一步改进在于：节点的状态指数由节点根据当前的状态搜索状态指数表所得；节点所有可能状态所组成的状态空间由三部分组成：包括水声信道状态节点与滑翔机之间的相对距离状态和节点的剩余能量状态ε三部分，表达式为：本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤B中，状态指数表中包含所有传感器节点的所有可能状态的状态指数,节点的状态空间包含了节点所有可能的状态。本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤B中，传感器节点的状态指数是离线计算,滑翔机以离线的方式计算所有传感器节点的所有状态相对应的状态指数，构建状态指数表，并储存。本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤B中，传感器节点的状态指数通过查表得到,传感器节点根据自身状态从状态指数表中搜索相对应的状态指数并发送给滑翔机,数据收集时，当周围环境发生变化，传感器节点能够快速、准确地探测信道状况和电量状况。本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤C中，传感器节点的状态指数是在线更新，在线规划的。本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤D中，阈值的大小可以根据任务要求设定。由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术进步是：本专利技术提出的一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法，与现有水下数据收集方法相比，具有如下有益效果：1.将滑翔机作为水下传感网络数据收集的平台：水下传感网络数据收集任务通常使用AUV作为数据收集平台，然而AUV有耗能大、持续工作时间短、成本高、噪声大的缺点，无法实现较大水域或较长时间的数据收集任务，本专利技术所述数据收集方法将滑翔机作为水下数据收集的平台，凭借滑翔机独特的驱动模式可以降低噪声、提高数据质量；降低成本；并实现AUV所无法实现的长时间、大范围的持续性水下数据收集任务，是理想的水下数据收集平台；2.采用指数化方法：在应对水下复杂的环境时，滑翔机需要对通信范围内的传感器进行调度，优化决策；滑翔机通过对传感器节点进行动态规划，可以根据环境变化和传感器自身状态动态调整决策，最优化调度。动态规划会带来大量计算，造成计算负荷，尤其在水下数据收集系统中，求解动态规划会大大缩减传感网络寿命，因此步骤B和步骤C中使用的指数策略以及离线计算在线调度方法，大大简化计算，减少计算复杂度，降低能量消耗，延长水下传感网络的使用寿命；3.设立阈值：步骤D中在指数方法的基础上设立阈值，减少传感器之间的切换和广播频率，从而延长水下传感网络的使用寿命；同时所述方法可以根据需求设置阈值的大小，平衡精确度和能量消耗，即以少量的精确度为代价大幅度降低广播频率，进而减少能耗。附图说明图1是本专利技术一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法依托的系统模型示意图；图2是本专利技术一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法依托系统中的滑翔机的锯齿形运动轨迹示意图；图3是本专利技术提供的基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法流程图。其中：1、滑翔机，2、传感器节点。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1本实施例描述了一种以滑翔机作为水下数据收集平台，在水下传感网络中收集数据信息的一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法的具体实施。如图1所示，为本专利技术所述的水下传感网络的组成。从图中可以看出，水下传感网络主要由一个滑翔机1和多个布设在水下的传感器节点2组成。水下传感器节点2借助缆绳悬置于不同的高度，构成一个三维的水下传感网络。其中，每个传感器节点2都配备有声学调制解调器和多种传感器(如地震传感器、温度传感器等，在具体实施中可以根据任务需要提前布设)，同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法，依托的水下传感网络包括水下传感节点(2)和滑翔机(1)，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤A、在海域中部署多个水下传感器节点监测和收集数据；/n步骤B、滑翔机首次通过传感器节点部署水域，与通信范围内所有传感器节点握手，唤醒传感器节点，滑翔机离线计算所有传感器节点的可能状态的状态指数，构建状态指数表，滑翔机将离线计算得到的状态指数表发送给所有节点并获取当前所有节点的初始状态指数；/n步骤C、滑翔机将获取的各传感器节点的初始状态指数进行排序，选择初始状态指数最大的传感器节点i

【技术特征摘要】
1.一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法，依托的水下传感网络包括水下传感节点(2)和滑翔机(1)，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A、在海域中部署多个水下传感器节点监测和收集数据；
步骤B、滑翔机首次通过传感器节点部署水域，与通信范围内所有传感器节点握手，唤醒传感器节点，滑翔机离线计算所有传感器节点的可能状态的状态指数，构建状态指数表，滑翔机将离线计算得到的状态指数表发送给所有节点并获取当前所有节点的初始状态指数；
步骤C、滑翔机将获取的各传感器节点的初始状态指数进行排序，选择初始状态指数最大的传感器节点i*收集感应到的海洋数据，并在收集完成后更新相应的状态指数；
步骤D、当步骤C中选择的传感器节点i*更新后的指数高于或等于阈值T，则检查节点i*的电量是否能继续通信，若电量允许，则继续选择当前传感器，若电量不允许，则滑翔机选择当前除节点i*外状态指数最大的节点收集数据；当i*的指数低于阈值T时，该传感器节点向滑翔机和其他节点广播其状态指数；其他节点接收到广播信息后向滑翔机发送当前状态指数信息，跳至步骤C，即滑翔机根据所获取的当前各传感器节点的状态指数进行排序并选取当前状态指数最大的传感器节点收集数据；
利用阈值T进行选择的表达式如下(1)：



步骤E、当传感器节点的电量都耗尽或剩余电量无法支持下一次通信，即节点死亡，当所有传感器节点均已死亡，则水下传感网络数据收集过程结束。


2.根据权利要求1所述的一种基于滑翔机的水下传感网络数据收集方法，其特征在于：水下传感器节点具有水声通信模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鑫滨，徐向琳，闫磊，韩赵星，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13