دانلود رایگان ترجمه مقاله شبیه سازی عددی در فرآیند بازیابی برای یک گره شبکه حسگر بی سیم زیر آب (نشریه IEEE 2016)

شبیه سازی عددی در فرآیند استقرار و بازیابی برای یک گره از شبکه حسگر بی سیم زیر آب

Numerical Simulation on the Deploying and Recovering Process for a node of Underwater Wireless Sensor Network

چکیده
1- مقدمه
2- ساختار گره UWSN
3- شبیه سازی عددی
4- نتایج و بررسی ها

چکیده

یک شبکه حسگر بی سیم زیر آب (UWSN), چند وظیفه را در پیمایش اقیانوسی بر عهده دارد. یک نوع از UWSN توسط دانشگاه Zhejiang پیشنهاد شده است. در این مقاله, روش CFD به منظور بررسی توانایی یک گره در تنظیم وضعیت خود در فرآیند استقرار و بهبود استفاده شده است. حداقل عمق و حداقل زمان برای یک گره در تنظیم خود به صورت عمودی در زوایای اریب اولیه مختلف و سرعت های جریان اقیانوسی مختلف به دست آمد. زوایای اریب اولیه مختلف به صورت 45 درجه، 60 درجه و 90 درجه انتخاب شدند. سرعت های جریان اقیانوسی مختلف به صورت 0.5 متر بر ثانیه و 1 متر بر ثانیه با توجه به شرایط واقعی دریا در اطراف جزیره Zhoushan انتخاب شدند. ارتفاع خیزش حداقل و حداقل زمان برای کابین قابل بازیابی (بیرون کشیدن) به منظور چرخش 180 درجه در آب ساکن به دست آمد. هدف از چرخش کابین قابل بازیابی به اندازه 180 درجه، راست نگهداشتن آنتن بر روی سطح اقیانوس است. به همین دلیل آنتن در پایین کابین قابل بازیابی نصب شد. این نتایج نشان می دهند که طراحی گره UWSN برای این طرح گره به منظور استقرار و بازیابی, قابل اعتماد است.
1- مقدمه
شبکه حسگر بی سیم زیر آب (UWSN) در سناریوهای مختلف از جمله حفظ اکوسیستم اقیانوسی، اکتشاف نفت، نظارت بر کیفیت آب شیرین و دیگر موارد [1] مورد استفاده قرار گرفته است. شبکه حسگر بی سیم زیر آب شامل چند گره UWSN با بسیاری از وظایف از جمله جمع آوری داده ها، حفظ داده ها و ارتباطات اکوستیک می شود. برای هر گره UWSN، این شبکه باید قبل از کار در زیر آب مستقر شود و پس از تکمیل ماموریت خود بیرون آورده شود. دانشگاه پنسیلوانیا, یک نوع گره UWSN را طراحی نمود و امکان سنجی آن را با آزمایش [2] تأیید نمود. اما هیچ تضمینی برای استقرار پایدار این گره روی بستر درای و هیچ طرحی برای بازیابی وجود ندارد. دانشگاه Buffalo یک نوع گره UWSN را پیشنهاد نمود که با یک توپ [3] شناور پیوند می خورد. این گره از ساختار و توزیع جرم خود برای فرآیند استقرار آسان و با ثبات استفاده می کند. این فرآیند بازیابی توسط یک جداکننده الکترومغناطیسی تحریک می شود. با این حال، هیچ ارزیابی خاصی برای فرآیند استقرار و بازیابی وجود ندارد. این محصول تجاری SM-75 [4] از شرکت Teledyne Benthos, از مقداری وزن برای تثبیت یک گره از UWSN در بستر دریا استفاده نمود و این گره دارای شناوری مثبت است. پس از به پایان رسیدن ماموریت خود، این گره از وزن جدا شد و به سطح اقیانوس آمد. این محصول توسط دانشگاه تایوان برای انجام تحقیقات علمی در صدها متر زیر آب مورد استفاده گرفته است. در استفاده واقعی، SM-75 دارای کارایی بالاست [5]. با این حال، این طرح دارای برخی از اشکالاتی در مورد تثبیت گره است. هنگامی که سرعت فعلی اقیانوس زیاد می شود، فاصله بین گره و وزن که برای تثبیت گره استفاده شده است با زمان تغییر می کند. سپس اثر داپلر ظاهر می شود و ثبات ارتباطات آکوستیک زیر آب تحت تاثیر قرار می گیرد. در چین، دانشگاه Northwestern Polytechnical, یک نوع از UWSN را طراحی نمود. این UWSN دارای ساختار جمع و جور و مصرف انرژی پایین تر است [6].
4- نتایج و بررسی ها
شبیه سازی CFD به منظور بررسی توانایی تنظیم موقعیت یک گره در فرآیند استقرار و بازیابی پیاده سازی شده است.
با وجود زوایای تمایل اولیه مختلف برای فرایند استقرار، حداقل عمق مورد 20 متر و حداقل زمان حدود 7 ثانیه برای یک گره به منظور تنظیم خود به صورت عمودی به دست می آید. جریان اقیانوس دارای تاثیر کمی بر روند استقرار است. شکل 3 و شکل 4 زمان تنظیم گره به صورت عمودی در زوایای تمایل اولیه مختلف را نشان می دهد که برابر با 45 درجه، 60 درجه و 90 درجه هستند. می توان نتیجه گرفت که زوایای کنونی و تمایل اولیه تقریباً هیچ تاثیری بر زمان تنظیم گره به صورت عمودی ندارند. این بدان معنیست که با وجود جریان اقیانوس و زاویه تمایل اولیه, گره به حدود 7 ثانیه زمان برای تنظیم به صورت عمودی نیاز دارد. بنابراین، از شکل 5 تا شکل 7، می توانیم نتیجه بگیریم که جریان دارای تاثیر بر فرآیند تنظیم است.

Abstract

An underwater wireless sensor network (UWSN) has multiple functions in ocean survey. A kind of UWSN has been proposed by Zhejiang University. In this paper the CFD method is utilized to verify the ability of a node to adjust its posture in deploying and recovering process. The minimum depth and the minimum time for a node to adjust itself to vertical were obtained in different initial inclined angles and different ocean current velocities. The different initial inclined angles were chosen as 45 degree, 60 degree and 90 degree. The different ocean current velocities were chosen as 0.5m/s and 1m/s according to the actual sea conditions around the Zhoushan Island. The minimum rising height and the minimum time for the retrievable cabin to turn 180 degree were obtained in still water. The purpose of the retrievable cabin to turn 180 degree is to keep antenna upright on the ocean surface. Because the antenna was installed on the bottom of the retrievable cabin. These results show that the design of the UWSN node is reliable as to the scheme of the node to deployment and recovery.

I- INTRODUCTION

The underwater wireless sensor network (UWSN) has been utilized in various scenarios including oceanic ecosystem preservation, petroleum exploration, fresh water quality monitoring, and others [1]. The underwater wireless sensor network consists of several UWSN nodes with many functions including data collecting, data memorizing, and acoustical communication. For each UWSN node, it has to be deployed before working underwater and recovered after completing its mission. University of Pennsylvania designed a kind of UWSN node and verified its feasibility by experiment [2]. But there are no guarantees for this node to be deployed stably on the seabed and no scheme to retrieve. University of Buffalo proposed a sort of UWSN node which is linked with a floating ball [3]. This node takes advantage of itself structure and mass distribution to make the deployment process easy and stable. The retrieve process is triggered by an electromagnetic detacher. However, there is no assessment for the deployment and retrieve process. The commercial product SM-75 [4] of Teledyne Benthos company used some weight to fix a node of UWSN on seabed and the node has positive buoyancy. After its mission has been finished, the node would detach from the weight and come up to ocean surface. This product has been used by Taiwan University to perform scientific research under hundreds meters of water. In actual use, SM-75 has a high performance [5]. However, this design has some drawbacks on fixing a node. When ocean current velocity becomes large, the distance between the node and weight which is used to fix the node would change with time. Then Doppler Effect would appear and the stability of underwater acoustic communication would be affected. In China, Northwestern Polytechnical University designed a kind of UWSN. It has a compact structure and lower energy consumption [6].

IV- RESULTS AND DISCUSSIONS

CFD simulations have been implemented to verify the ability that a node adjusts its posture in deploying and recovering process. The following figures show these results.

For the deployment process, the minimum depth about 20m and the minimum time about 7 seconds for a node to adjust itself to vertical are obtained despite of the different initial inclined angles. The ocean current has little influence on the deployment process. Figure 3 and Figure 4 show the time of the node to adjust itself to vertical in different initial inclined angles which are 45 degree, 60 degree and 90 degree. We can conclude that the current and the initial inclined angles almost have no influence on the time that the node would adjust itself to vertical. It means that the node needs about 7 seconds to adjust itself to vertical despite of the ocean current and initial inclined angles. Then, from Figure 5 to Figure 7, we can conclude that current has an influence on the process of adjustment..