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　　摘要：目前，对水下监测系统的研究主要集中于某个阶段的监测。针对水下监测系统能量受限的特点，提出一种适用于水下监测系统的多级调度机制。初始监测阶段在三维水下充分布置多个监测点，将需要监测的要素称为紧急因子，针对不同的监测要素设置不同的警戒值。同时，设置3种模式，对水下环境进行监测，以保证完成监测任务的同时，使传感器节点工作时间更长。 

　　关键词：水声传感网；多级调度；监测系统 

　　中图分类号：TP319 

　　文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）003-0080-02 

　　0 引言 

　　水下传感器网络（Underwater sensor net-works， UWSN） 是由具有声学通信能力的传感器节点组成的水下通信网络。 UWSN 可广泛应用于海洋资源勘测、污染监控、辅助导航和战术监视等领域，已引起各国的共同关注。近年来，无线传感器网络技术快速发展， 水下传感器网络相关研究已涉及声学通信、网络协议、路由算法和定位跟踪等。然而水下传感器节点布置与陆地传感器节点布置相比具有其特殊性[1]：①UASN采用的是声波通信方式，因此传播时延比电磁波大得多；②水声通信带宽有限，误码率较高；③水下声波调制需要较多能耗，并且水下报文发送的能耗要远高于报文接收的能耗；④水下环境较为恶劣，因此传感器节点不易有效布置，并且容易毁坏。 

　　因此，在布置水下监测系统时，如何让水下传感器节点根据环境和目标的变化自主调整， 以达到最佳监测质量和最长工作时间是当前急需解决的问题。本文通过一种多级调度机制，让水下传感器节点根据监测目标的变化，自主调整工作模式，在有效完成监测任务的基础上，通过减少发送功率及频率，降低节点能耗，获得最长工作时间。 

　　1 水声传感器网络简介 

　　水声传感器网络是在一定的水下区域内，通过各种传感器节点，以声波通信的方式进行组网与数据传输，最终通过特定节点，以有线或无线的方式将覆盖区域内所获得的信息纳入岸上常规网络，并发送给观察者的水下子网[2]。水声传感器网络是陆地无线传感器网络概念向水下应用的延伸，由多个传感器节点组成，其体系结构如图1所示。 

　　水声传感器网络根据所使用的水下传感器类型的不同，以获取不同的信息，可应用于海洋科学数据获取、海洋污染监测、近岸开发、灾难预防、水下辅助导航定位、海洋资源勘探、鱼塘养殖等。 

　　2 拓扑构建 

　　水下传感器节点布置方法可分为水底（Sea-bottom） 和水中 （Sea-column） 传感器节点布置。在水底布置方法中， 节点被布置在水底二维平面上。水中节点主要为锚定节点，通过细线将水中的节点固定，由于水下环境的立体特征，大部分应用需要传感器节点收集水下三维信息。 

　　2.1 研究假设 

　　假设如下：①网络为静态或准静态的。本文所考虑的是水底节点及锚节点，因此水声网络节点间相对位移不大，可看作是静态或准静态的网络；②由于水声通信时延较大，相比而言，数据处理时间微乎其微，故可不考虑数据处理时延，即认为节点转发数据包的时间为零；③在拓扑建立阶段不考虑由于竞争信道引起的延迟和错误，即物理上相邻的节点能够正确地接收消息；④网络中的节点时钟是同步的。 

　　2.2 拓扑结构 

　　向监测区域中广泛布置传感器节点，由于传感器节点存储能力有限，且随着传送距离的增加，节点通信消耗的功率呈指数增长[3]。因此，本文只考虑在两跳范围内建立通信链路。建立步骤如下：①由水面上的节点A以较大功率向周围广泛发送HELLO消息包，HELLO消息包中包括发送功率、发送时间、节点ID；②各接收节点对接收的HELLO消息包进行处理，得到本次通信时间，并且根据接收信号的强度调整发送功率对A节点回复ANS消息包，ANS消息包包括本次消息发送功率、本次通信耗时、节点ID；③A节点对各节点回复的ANS消息包进行处理，选择通信所需功率最少的节点建立通信链路，并以收到ID号创建自己的邻接表，邻接表中包括节点的ID及通信时间；④各节点依次建立通信链路以及自己的邻接表；⑤节点之间相互交换邻接表，得到自己的两跳邻接表。并对其进行处理，根据定位信息，得到向汇聚节点方向的下一跳节点通信耗时最少的通信链路，并将其设置为紧急通信链路，如图2所示。 

　　建立拓扑时，由于A节点和B节点之间的距离比A节点和C节点之间的距离要短得多，因此A、B节点之间的通信功率比A、C节点之间小得多。要使各传感器节点发送功率最小且尽可能使各节点均匀消耗能量，应在A、B节点之间、B、C节点之间建立通信链路。A、C节点直接通信所花时间比A、B节点加上B、C节点通信的时间少得多，所以A、C节点之间即可设置成紧急通信链路。 

　　3 模式设计 

　　3.1 模式介绍 

　　主要设置3种模式： 

　　（1）正常模式。水下传感器节点按照建立拓扑时得到的通信链路网，以最小发送功率作为参考建立传感器网络，以适宜频率F对监测目标进行感知，将监测的信息发送给汇聚节点，并最终传送至电脑上，以达到监测目的。 

　　（2）低耗模式。传感器节点以远小于F的某个频率值对监测目标进行感知，采集数据，并对采集的数据进行处理，然后将所得数据发送给汇聚节点，并最终由汇聚节点发送至电脑上。 

　　（3）紧急模式。各传感器节点启用紧急通信链路，以使通信所花费时间最少，更及时地通知工作人员进行处理。同时以远大于F的某个频率值对监测目标进行感知并向汇聚节点发送监测获得的数据。 

　　3.2 模式转换 

　　模式转换流程如图3所示。 

　　初始时，根据监测对象实际情况，设置警戒值M，传感器节点在正常模式下工作。由于水下监测目标往往是连续性变化的。例如：在鱼塘养殖监测系统中，需要监测的对象有含氧量、营养元素含量、池水温度、酸碱度（PH值）等，这些都是连续变化的量，不会突然跳变。因此在正常模式状态下工作一段时间后，如果监测目标仍然没有太大变化，由局部性原理可知，在未来一段时间内仍不会有太大变化，此时传感器节点转入低耗模式下工作。如果传感器节点感知的数据远大于设置的警戒值M，说明监测目标有了很大变化，急需人工处理。因此，传感器节点将转入紧急模式。