一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法

摘要

一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法，将多个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，并在目标水域水面部署一个汇聚节点，作为此区域水下传感器节点的管理控制中心。从目标水域水面层开始，由汇聚节点逐层生成各水深层面中水下传感器节点的泰森拓扑图，并且通过计算水下传感器节点对应的泰森多边形面积，考察水下传感器节点在水平方向上的疏密度，将水平层面中过密的节点沉降到下一层面，直到目标水域水底。本方法通过随机抛洒方式部署节点，并利用节点的下沉机制扩大水下覆盖范围，减少了水下传感器网络的部署成本。

主权项

一种基于泰森图的水下传感器网络节点的深度调节方法，其特征在于：初始阶段，将n个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，各水下传感器节点均含有环境监测传感器、微控制器、无线声通信模块、电源模块以及用于水下传感器节点下沉或上浮的活塞式气泵及其压力感应控制开关；将一汇聚节点部署于目标水域水面的中央，作为该目标水域所有水下传感器节点深度调节的控制中心，汇聚节点含有控制器、无线电通信模块、无线声通信模块、电源模块以及使其定位于水面的浮标；首先，目标水域水面上的水下传感器节点将各自在水平面方向上的二维坐标传输给汇聚节点，汇聚节点根据这些坐标信息生成目标水域水面层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图；接着，汇聚节点根据该二维泰森拓扑图中每个水下传感器节点对应的泰森多边形的面积选取需调节下沉的水下传感器节点并计算下沉深度；然后，汇聚节点发出控制指令，让所选取的水下传感器节点下沉到相同的深度；最后，所有完成下沉的水下传感器节点在该下沉深度上又形成一个新的层面；采用前述同样的方法对该层面上的水下传感器节点集合进行再次调节，如此循环反复，直至水下传感器节点下沉到目标水域的水底；本方法通过计算泰森多边形面积考察水下传感器节点在水平方向上的疏密性，将水平层面中过密的节点沉降，使随机部署于目标水域水面的水下传感器节点以层次划分的形式分布于目标水域中；包括如下步骤：步骤1：将n个同型号的水下传感器节点以均匀分布概率随机抛洒漂浮于目标水域水面，各水下传感器节点之间通过无线声通信模块进行通信；将一汇聚节点部署于目标水域水面的中央，作为该目标水域所有水下传感器节点的深度调节的控制中心，汇聚节点与水下传感器节点之间也通过无线声通信模块进行通信；设S＝{u₁,u₂,...,u_n}为所有水下传感器节点的集合，为保证有足够的水下传感器节点覆盖目标水域，取其中，n为水下传感器节点的总数，A为目标水域水面的表面积，H为目标水域的深度，R_S为水下传感器节点的感知半径；设第i层水下传感器节点所处水平面相对于目标水域水面的深度为h_i，第i层水下传感器节点集合记为S_i；初始阶段：i＝0，h₀＝0，S₀＝S；步骤2：由汇聚节点判断，若h_i+R_S≤H且S_i为非空条件成立，即存在允许范围内的下沉空间并且存在可调节的传水下感器节点，则继续执行；否则，执行结束；步骤3：第i层水下传感器节点将各自在水平面方向上的二维坐标：u_j(x,y)，u_j∈S_i，j＝1,2,…,m，m＝|S_i|，通过无线声信道传输给汇聚节点；汇聚节点根据这些坐标信息生成第i层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图；步骤4：汇聚节点计算以上第i层水下传感器节点集合的二维泰森拓扑图中的泰森多边形的平均面积：其中，为S_i中的水下传感器节点u_j所对应的泰森多边形的面积，m＝|S_i|；选取S_i中所有面积值小于η_Area所对应的水下传感器节点为需调节下沉的节点集合，称作调节节点集合，记为S_a，其余水下传感器节点则停留于原坐标位置保持静止；步骤5：汇聚节点计算确定的下沉深度Δh，由公式(1)给出：$\mathrm{\Delta h}=\left\{\begin{array}{cc}{R}_s,& {\eta }_{\mathrm{Dis}}\ge R_S\\ (1+\frac{\sqrt{3}}{2})R_S,& 0<{\eta }_{\mathrm{Dis}}<R_S\end{array}\right.---\left(1\right)$其中，η_Dis为S_i中水下传感器节点间的平均距离；步骤6：汇聚节点通过无线声信道向调节节点集合S_a中的水下传感器节点发出下沉控制指令；收到指令后，S_a中的水下传感器节点的微控制器启动活塞式气泵将水注入节点内部使其下沉，压力感应控制开关则根据水压控制S_a中的水下传感器节点统一下沉到深度为h_i+Δh的第i+1层面，而其在水平方向上的坐标不变；步骤7：汇聚节点待所有S_a中水下传感器节点下沉完成后，更新状态，令h_i+1＝h_i+Δh，S_i+1＝S_a，i＝i+1，重新执行步骤2，进行下一轮调节。