專利名稱：海上搜救無線傳感網(wǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種海事安全領(lǐng)域及無線傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的無線搜救技術(shù)，具體涉及一種海上搜救無線傳感網(wǎng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有海上搜救技術(shù)主要依賴于搜救方的搜尋工作，搜尋目標(biāo)本身幾乎不能為搜尋工作提供與搜尋工作相關(guān)的有益信息，較為被動。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)技術(shù)也逐漸成熟,其對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的實時監(jiān)測與多跳的無線通信方式，可以將海上搜救中搜救目標(biāo)的信息采集并發(fā)送給搜救部門，為目標(biāo)的快速搜尋提供有益的信息。目前WSN技術(shù)在海事領(lǐng)域的應(yīng)用也開始逐漸普及，如海上溢油檢測、海事監(jiān)控等。WSN技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一，其低成本、體積小、快速自組織、自適應(yīng)性強等特性，為其廣泛應(yīng)用提供可能，也為其在海上搜救領(lǐng)域的應(yīng)用帶來很多益處。在海上搜救當(dāng)中應(yīng)用WSN技術(shù)時，要解決的一個重要問題就是盡可能延長網(wǎng)絡(luò)的生命期，并且在延長生命期的過程中同時保證節(jié)點與匯聚節(jié)點的連通，以此才能保證在搜救部門前來搜救時網(wǎng)絡(luò)的信息可以有效地傳輸給搜救網(wǎng)絡(luò)中心。WSN的拓撲控制問題是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋和聯(lián)通度的前提下，通過功率控制盒骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點間不必要的通信鏈路生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。通過拓撲控制可以減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間，提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性與穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的拓撲控制方法主要基于功率控制和層次型拓撲控制兩個方面，并已取得了初步的進展，但由于資金、設(shè)備條件等因素，大部分拓撲控制方法仍處于理論研究階段，所進行的實驗也僅限于在仿真環(huán)境下觀察方法的優(yōu)劣，沒有充分注意到在實際環(huán)境應(yīng)用中要面臨的諸多挑戰(zhàn)。而對于海上搜救的環(huán)境而言，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點動態(tài)性很強，節(jié)點不可替換，且要求網(wǎng)絡(luò)生命期盡可能長，因此需要一種新的方法延長網(wǎng)絡(luò)生命期并適應(yīng)該動態(tài)環(huán)境。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種海上搜救無線傳感網(wǎng)，解決海上搜救無線傳感網(wǎng)中節(jié)點能量分配實時適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性的問題，可以適應(yīng)動態(tài)性較高的網(wǎng)絡(luò)，并可以減少不必要的能量消耗。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供一種海上搜救無線傳感網(wǎng)，其特點是，該傳感網(wǎng)包含:船舶終端，其設(shè)置于船舶，通過外接的衛(wèi)星與互聯(lián)網(wǎng)建立通信連接；匯聚節(jié)點，其設(shè)置于救生艇筏，該匯聚節(jié)點與船舶終端無線通訊連接；以及，傳感器節(jié)點，其設(shè)置于救生衣，該傳感器節(jié)點實時探測匯聚節(jié)點并與匯聚節(jié)點無線通訊連接；上述傳感器節(jié)點傳輸該傳感器節(jié)點的位置信號至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將該匯聚節(jié)點及傳感器節(jié)點的位置信息傳輸至船舶終端。上述的傳感網(wǎng)包含若干個傳感器節(jié)點，若干個該傳感器節(jié)點分布在海上并通過無線通訊形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時探測匯聚節(jié)點；上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中任意一個傳感器節(jié)點探測到匯聚節(jié)點，即將該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點的位置信號都傳輸至匯聚節(jié)點。本實用新型海上搜救無線傳感網(wǎng)及和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于，本實用新型采用傳感器節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可快速對落水人員進行定位探測；本實用新型用來選擇因環(huán)境改變而造成的不適用與現(xiàn)有環(huán)境的節(jié)點，并對其執(zhí)行遺傳操作；由于局部環(huán)境改變或環(huán)境改變緩慢時，造成的部分節(jié)點的能量分配不是該環(huán)境下的最優(yōu)解，精英移民操作可以保留原解中的較優(yōu)解而對目前狀態(tài)下的劣質(zhì)解進行優(yōu)化；該方法避免了每次優(yōu)化的過程中從頭執(zhí)行整個遺傳算法，可以利用原環(huán)境的優(yōu)質(zhì)解而盡快收斂于現(xiàn)在的最優(yōu)解；本實用新型優(yōu)化能量分配的過程，對環(huán)境及節(jié)點的動態(tài)性進行了充分考慮，并且在適應(yīng)動態(tài)性的同時充分考慮算法的收斂時間，算法收斂時間越快，越節(jié)省該節(jié)點的能量消耗；本實用新型能量動態(tài)分配過程中為避免因不斷重新開始執(zhí)行整個算法所引起的不必要能耗，利用精英移民策略對解中較差個體進行優(yōu)化，使其消耗功率級別適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前情況，有效利用了精英移民遺傳算法對動態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性，可適應(yīng)動態(tài)性較高的網(wǎng)絡(luò)，并可以減少不必要的能量消耗。

圖1為本實用新型海上搜救無線傳感網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型海上搜救無線傳感網(wǎng)的能量動態(tài)分配方法的初始解X中N個個體排列圖；圖3A為隨著種群代數(shù)的增加，三種方法求得的節(jié)點平均能量水平比較圖；圖3B為本實用新型方法與SGA和Restart GA的收斂時間比較圖；圖4A為三種方法所求得的節(jié)點平均發(fā)射能量水平比較圖；圖4B為三種方法求得最優(yōu)解的方法執(zhí)行時間比較圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，進一步說明本實用新型的具體實施例。如圖1所示，本實用新型公開的一種海上搜救無線傳感網(wǎng)的實施例。該傳感網(wǎng)包含:船舶終端1、匯聚節(jié)點2、傳感器節(jié)點3。船舶終端I設(shè)置于船舶，通過外接的衛(wèi)星4與互聯(lián)網(wǎng)5建立通信連接，并通過互聯(lián)網(wǎng)與海救中心進行通訊聯(lián)系。匯聚節(jié)點2設(shè)置于救生艇筏上，該匯聚節(jié)點2的能量不受限制。該匯聚節(jié)點2與船舶終端I無線通訊連接，該匯聚節(jié)點2還隨著救生艇筏自主移動位置來搜尋網(wǎng)絡(luò)中的普通傳感器節(jié)點3。傳感器節(jié)點3設(shè)置于救生衣等物品上，該傳感器節(jié)點3能量有限且隨著落水人員在環(huán)境的改變而動態(tài)改變其位置。當(dāng)在遇海水自動打開或人為打開后，該傳感器節(jié)點3即實時探測匯聚節(jié)點2并與匯聚節(jié)點2進行無線通訊連接。傳感器節(jié)點3在打開后實時探測器探測范圍內(nèi)是否的匯聚節(jié)點2，并傳輸該傳感器節(jié)點3的位置信號至匯聚節(jié)點2，匯聚節(jié)點2將該匯聚節(jié)點2及傳感器節(jié)點3的位置信息傳輸至船舶終端I。船舶上的海救人員即可對落水人員實施救援，同時船舶終端I也通過衛(wèi)星4將傳感器節(jié)點3與匯聚節(jié)點2的位置信息傳輸至互聯(lián)網(wǎng)5，并通過互聯(lián)網(wǎng)5與海救中心通信傳輸傳感器節(jié)點3與匯聚節(jié)點2的位置信息。本實用新型中，傳感網(wǎng)包含有若干個傳感器節(jié)點3，傳感器節(jié)點3在遇海水自動打開或人為打開后，該若干個傳感器節(jié)點3可以自組織成為一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)31 (WSN,Wireless Sensor Networks),實時探測并識別進入網(wǎng)絡(luò)31覆蓋范圍內(nèi)的匯聚節(jié)點2,并把對搜救工作有益的各傳感器節(jié)點3信息以多跳的形式發(fā)送給匯聚節(jié)點2，匯聚節(jié)點2在進入網(wǎng)絡(luò)31范圍內(nèi)后，當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)31中任意一個傳感器節(jié)點3探測到匯聚節(jié)點2，即將該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)31中所有傳感器節(jié)點3的位置信號都傳輸至匯聚節(jié)點2，匯聚節(jié)點2就可以收集到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)31中所有傳感器節(jié)點3的位置信息，避免了傳統(tǒng)海上搜救方式中，需要逐一尋找搜救目標(biāo)的搜救方式，提高搜救效率。海上搜救無線傳感網(wǎng)的拓撲建立過程采用基于各傳感器節(jié)點3距匯聚節(jié)點2距離對節(jié)點進行編號并初始化分配節(jié)點發(fā)射功率；每個節(jié)點的初始發(fā)射功率為使得該節(jié)點可以與它最近并且編號小于該節(jié)點的鄰居節(jié)點進行通信的功率水平；根據(jù)初始化功率分配結(jié)果，建立網(wǎng)絡(luò)最初的拓撲結(jié)構(gòu)，并作為后續(xù)優(yōu)化過程的一個待優(yōu)化解。本實用新型還公開一種海上搜救無線傳感網(wǎng)的能量動態(tài)分配方法，該方法基于精英移民遺傳方法，將上一代解中的較優(yōu)解作為精英保留并生成移民解，對上一代中不適用于新環(huán)境的劣質(zhì)解進行遺傳優(yōu)化操作。對于網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射能量水平超出全部節(jié)點的平均能量水平的節(jié)點進行優(yōu)化，使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量分配盡可能的均衡，以確保網(wǎng)絡(luò)不會因為個別節(jié)點過早死亡而影響整個網(wǎng)絡(luò)通信。
能量分配方法雖然主要考慮均衡性，但在實施均衡能量的過程中需同時考慮每個節(jié)點的局部連通性，即不能以犧牲該節(jié)點與匯聚節(jié)點的通信功率水平去均衡其能量分配。本實施例中將能量分配及連通性問題作為多目標(biāo)優(yōu)化問題，具體設(shè)計如下:設(shè)一個二維區(qū)域為A:，若干傳感器節(jié)點3分布在該區(qū)域內(nèi)；設(shè)分布在A內(nèi)的傳感器節(jié)點數(shù)量為N ;設(shè)傳感器節(jié)點3相同的初始能量為E ;設(shè)所有傳感器節(jié)點3相同的節(jié)點最大通信距離為Re ;設(shè)所有傳感器節(jié)點3相同的最大發(fā)射能量水平為Pmax。本實用新型中公開的基于精英移民遺傳方法的能量動態(tài)分配方法，其精英移民遺傳方法的算子即為本實用新型的解X，算子的決策變量:設(shè)傳感器節(jié)點j的位置為(X j，y j)。設(shè)傳感器節(jié)點j當(dāng)前節(jié)點發(fā)射功率為Pj。目標(biāo):最大化網(wǎng)絡(luò)連通性(每個節(jié)點都可以與網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點進行直接或間接通信)及最小化網(wǎng)絡(luò)能量消耗Emin。 連通性:對任意Cij e C (N)，I彡i彡N，I彡j彡N，有Cij=I ；能耗:Emin=min{Pi+P；,+...+Pj+...PN}。能量動態(tài)分配方法包含以下步驟:[0044]步驟1、通過各傳感器節(jié)點3與匯聚節(jié)點2的距離遠近對節(jié)點進行編碼并對其發(fā)射功率進行初始化，使得傳感器節(jié)點3的發(fā)射距離滿足可以與編號小于該傳感器節(jié)點3的鄰居節(jié)點進行通信的功率水平，實現(xiàn)該傳感器節(jié)點3可與其鄰居節(jié)點進行通信。本實用新型能量動態(tài)分配方法的解X包含兩個部分，即位置信息(Xj，yj)和節(jié)點發(fā)射功率Pj，位置信息為后續(xù)拓撲控制提供有益信息，節(jié)點發(fā)射功率決定其發(fā)射半徑進而影響節(jié)點的連通狀態(tài)。如圖2所示，本方法中的發(fā)射功率初始化時，各傳感器節(jié)點3按與匯聚節(jié)點2距離及各傳感器節(jié)點3間距離決定自身發(fā)射功率，首先根據(jù)距離對傳感器節(jié)點3進行從I到N的排序，I距離H最近，N距離H最遠；每個節(jié)點j的發(fā)射功率與發(fā)射半徑Rj(RCJ ( Rmax)成正比，發(fā)射半徑V需與其最近節(jié)點k相連(k < j)。步驟2、將初始化的傳感器節(jié)點3的功率水平作為后續(xù)優(yōu)化操作的一組待選解。步驟3、建立起適于延長該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)31生命期的適應(yīng)度函數(shù)。本實施例是一種基于精英移民遺傳方法的動態(tài)能量分配方法，為估測解的質(zhì)量(如適應(yīng)度值)，根據(jù)海上搜救無線傳感網(wǎng)的具體要求提出一種新的適應(yīng)度函數(shù)，該適應(yīng)度函數(shù)旨在找出一組解X可以保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)31中傳感器節(jié)點3有效連通并且能量消耗最少；解決方案質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)即是連通性和能量消耗。因此，在候選方案集合中(網(wǎng)絡(luò)連通情況下各節(jié)點發(fā)射能量級別)，選擇總耗能最低的方案。染色體Cj (代表某刻第j個傳感器節(jié)點3發(fā)射能量級別，)的適應(yīng)度值，以F(Cj)表示，定義如式(1)，即傳感器節(jié)點j的發(fā)射功率占全部傳感器節(jié)點3總功率的比值:
權(quán)利要求1.一種海上搜救無線傳感網(wǎng)，其特征在于，該傳感網(wǎng)包含: 船舶終端(I)，其設(shè)置于船舶，通過外接的衛(wèi)星(4 )與互聯(lián)網(wǎng)建立通信連接； 匯聚節(jié)點(2)，其設(shè)置于救生艇筏，該匯聚節(jié)點(2)與所述的船舶終端(I)無線通訊連接；以及， 傳感器節(jié)點(3)，其設(shè)置于救生衣，該傳感器節(jié)點(3)實時探測所述匯聚節(jié)點(2)并與所述的匯聚節(jié)點(2)無線通訊連接； 所述傳感器節(jié)點(3)傳輸該傳感器節(jié)點(3)的位置信號至匯聚節(jié)點(2)，匯聚節(jié)點(2)將該匯聚節(jié)點(2)及傳感器節(jié)點(3)的位置信息傳輸至船舶終端(I)。
2.如權(quán)利要求1所述的海上搜救無線傳感網(wǎng)，其特征在于，所述的傳感網(wǎng)包含若干個傳感器節(jié)點(3)，若干個該傳感器節(jié)點(3)分布在海上并通過無線通訊形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(31)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(31)實時探測所述匯聚節(jié)點(2)； 所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(31)中任意一個傳感器節(jié)點(3)探測到匯聚節(jié)點(2)，即將該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(31)中所有傳感器節(jié)點(3)的位置信號都傳輸至匯聚節(jié)點(2)。
專利摘要本實用新型公開一種海上搜救無線傳感網(wǎng)，該傳感網(wǎng)包含船舶終端，其設(shè)置于船舶，通過外接的衛(wèi)星與互聯(lián)網(wǎng)建立通信連接；匯聚節(jié)點，其設(shè)置于救生艇筏，該匯聚節(jié)點與船舶終端無線通訊連接；以及，傳感器節(jié)點，其設(shè)置于救生衣，該傳感器節(jié)點實時探測匯聚節(jié)點并與匯聚節(jié)點無線通訊連接；傳感器節(jié)點傳輸該傳感器節(jié)點的位置信號至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將該匯聚節(jié)點及傳感器節(jié)點的位置信息傳輸至船舶終端。本實用新型組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可快速對落水人員進行定位探測；同時對環(huán)境及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的動態(tài)性進行了充分考慮；使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的能量分配可適應(yīng)動態(tài)性較高的網(wǎng)絡(luò)，減少不必要的能量消耗。
文檔編號H04W28/08GK203015128SQ20122074825
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者吳華鋒, 張倩楠, 楊磊 申請人:上海海事大學(xué)