CN101697502B - 一种煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法，它涉及无线传感器网络精密同步领域，解决了煤矿井下无线传感器网络很难实现精密同步的问题，此同步方法由以下步骤实现：A、中心站主机向无线传感器网络各簇头节点发送配置信息；B、簇头节点接收中心站主机发送的配置信息，然后进行以太局域网的时间同步，并向无线传感器网络中移动节点发送同步命令；C、移动节点进行与簇头节点之间的同步，实现精密同步方法。本发明采用IEEE1588同步协议完成以太局域网的纳秒级同步，采用单跳的TPSN同步算法避免了同步误差累积，本发明不仅适用于煤矿井下无线传感器网络的精密同步问题，还用于所有以太局域网与无线传感器网络结合的同步问题。

Description

一种煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络同步领域。

背景技术

在无线传感器网络中，时间同步技术是无线传感器网络中必不可少的重要组成部分，没有时间信息的测量结果和报警信息是毫无意义的，因此同步是无线传感器网络中一项关键技术，也是很多学者和工程师们的研究内容。现在很多学者提出的无线传感器网络的同步算法一般都是基于一个时钟源，然后不断扩散，最终达到全网的同步。这种同步方式引起的同步误差累积严重，从而使得同步的精度很低，不适合对同步精度要求高的很多应用场合。

随着无线传感器网络的迅速发展和广泛应用，其在煤矿井下也得到了应用，但是由于煤矿井下分布地域很广，由众多坑道组成，坑道内电磁环境复杂，多径问题和非视距问题非常严重，实现一般精度的同步本身就十分困难，要实现煤矿井下无线传感器网络的精密同步更是一个非常困难的问题。

IEEE1588精密时间同步协议是为克服以太局域网实时性不足而规定的一种对时机制。它的主要原理是对网络中所有节点进行对时同步，由一个精确的时间源周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步。协议本身并不能提高测控系统的实时性能，但它可以确定和调整时间而达到更精确的时间间隔，从而获得实时行为。该协议可对标准以太局域网或其它采用多播技术的分布式总线系统中的设备时钟进行亚微秒级甚至纳秒级的同步，随着技术和芯片的发展，现在IEEE1588精密时间同步协议能够实现局域网全网的纳秒级精度的同步。

发明内容

本发明为了解决煤矿井下无线传感器网络很难实现精密同步的问题，提供了一种煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法。

本无线传感器网络的精密同步方法是基于煤矿井下无线传感器网络完成的：

一种煤矿井下无线传感器网络，它由中心站主机1、以太局域网干线2、多个簇头节点4和多个移动节点5组成(还包括一些必须的网络互连设备，例如交换机等)，所有簇头节点4连接在以太局域网干线2上，与中心站主机1通过以太局域网干线2连接成煤矿井下以太局域网，每个簇头节点4与本区域内的多个移动节点5组成以本簇头节点4为中心的簇内无线传感器网络。

煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法，此同步方法的具体步骤如下：

步骤A、中心站主机1向整个无线传感器网络内的各个簇头节点4发送配置信息；

步骤B、各个簇头节点4接收中心站主机1发送的配置信息，然后进行基于IEEE1588协议的以太局域网的时间同步，并向簇内无线传感器网络中移动节点5发送同步命令；

步骤C、各个簇内移动节点5进行与本簇内的簇头节点4之间的同步，实现精密同步方法。

本发明针对煤矿井下无线传感器网络中分布在各个坑道内的簇头节点4和移动节点5间的精密同步问题，采用了IEEE1588精密时间同步协议实现对煤矿井下整个以太局域网内的纳秒级同步，由于各个簇头节点4为中心的井下无线传感器网络也是井下以太局域网的终端节点，所以井下以太局域网内精确同步的同时也就实现了各个簇头节点4之间精密同步，各个簇头节点4采用单跳TPSN同步算法的方式，实现本簇内无线传感器网络的微秒级或者亚微秒级的精密同步，避免了同步误差累积，从而实现了整个无线传感器网络的亚微秒级甚至深亚微秒级的同步精度。

附图说明

图1为以太局域网与无线传感器网络结合实现精密同步方法的流程图。图2为煤矿井下以太局域网与无线传感器网络的连接结构示意图。图3为无线传感器网络簇头节点的结构示意图。图4为移动节点的结构示意图。图5为中心站主机的工作流程图。图6为簇头节点的工作流程图。图7为IEEE1588同步原理示意图。图8为移动节点的工作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法是基于以下硬件完成的：

如图2所示，一种煤矿井下无线传感器网络，它由中心站主机1、以太局域网干线2、多个簇头节点4和多个移动节点5组成，所有簇头节点4连接在以太局域网干线2上，与中心站主机1通过以太局域网干线2连接成煤矿井下以太局域网，每个簇头节点4与本区域内的多个移动节点5组成以本簇头节点4为中心的簇内无线传感器网络。

此同步方法的具体步骤如下：

步骤A、中心站主机1向整个无线传感器网络内的各个簇头节点4发送配置信息；

步骤B、各个簇头节点4接收中心站主机1发送的配置信息，然后进行基于IEEE1588协议的以太局域网的时间同步，并向簇内无线传感器网络中移动节点5发送同步命令；

步骤C、各个簇内移动节点5进行与本簇内的簇头节点4之间的同步，实现精密同步方法。

如图3所示，一种无线传感器网络簇头，它主要由以太局域网通讯电路8、ARM处理器9、射频电路10-1和传感器组11-1依次连接组成，

以太局域网通讯电路8使用的网络接口物理层芯片为NS公司的DP83640网络接口物理芯片，射频电路10-1中使用的射频芯片为TI公司的推出的第二代2.4G无线收发芯片CC2520，ARM处理器采用Intel公司的ARM控制器PXA271。

移动节点5为井下施工人员携带的移动无线传感器节点。

如图4所示，井下施工人员携带的移动无线传感器节点，它由微处理器12、电池13、射频电路10-2和传感器组11-2组成，电池13分别连在微处理器12、射频电路10-2和传感器组11-2上从而为其提供电源。

具体实施方式二：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对步骤A的进一步说明，步骤A中具体步骤为：

步骤A1、判断是否需要发送配置信息，如果是，则执行步骤A2和步骤A3，如果否，则执步骤A3；

步骤A2、发送配置信息；

步骤A3、接收、保存并显示各个簇头节点4的偏移信息，通过偏移信息的统计特性来观测以太局域网与无线传感器网络组成的系统的运行状况及同步性能。

中心站主机主要完成IEEE1588精密同步协议的配置信息的发送。软件初始化后，可根据需要配置同步间隔，如果要求同步性能不是很高，则可以将同步间隔设置大一些；如果要求同步性能很好，则可以设置同步间隔小一些。也可不发送配置信息，则系统将采用默认的同步间隔为2秒，当然用户也可随时发送配置信息。系统会接收并保存IEEE1588系统中担当从时钟的各个簇头节点4发送来的时钟偏移信息，系统会以曲线和数字的形式来显示当前的偏移信息和历史信息，同时也显示这些偏移信息的统计信息(最大值、最小值、均值、方差、标准差等)，用户以此来观测同步系统同步性能状况。然后不断循环下去。

具体实施方式三：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对步骤B的进一步说明，执行步骤B需要同时建立三个线程：线程(一)为运行IEEE1588协议栈；线程(二)为运行无线传感器网络通信协议及测量任务；线程(三)为运行无线传感器网络TPSN同步算法。

具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对步骤B中线程(一)进一步说明，步骤B中线程(一)的具体步骤为：

步骤B11、判断本簇头节点4是否为主时钟，如果是，则执行步骤B16和步骤B17，如果不是，则执行步骤B12至步骤B15；

步骤B12、从时钟簇头节点4接收配置信息；

步骤B13、接收或发送IEEE1588同步信息，在DP83640的辅助下得到同步消息的时间戳信息并进行同步计算；

步骤B14、根据计算出来的时间偏移信息，调整本簇头节点4的时钟，实现与以太局域网主时钟之间的同步；

步骤B15、将偏移信息发送给中心站主机；

步骤B16、主时钟簇头节点4接收配置信息；

步骤B17、在DP83640的辅助下接收或发送IEEE1588同步信息。

簇头节点4运行IEEE1588协议线程时，根据运行状况和协议栈状态决定是否状态跳转并执行相应状态下的工作。

如图7所示，本发明采用IEEE1588协议栈中的最佳主时钟算法自动选择出系统中最高精度的簇头节点4充当主时钟节点，其余的为从时钟节点。其中步骤B11同步计算具体为：主时钟在T0时刻发送同步信息，从时钟在T1时刻接收到同步信息，在T2时刻发送延时请求信息，T3时刻主时钟接收到延时请求信息，IEEE1588精密同步协议通过有规律的交换信息来确定从时钟和主时钟之间的时间偏移O，然后从时钟按照这个时间偏移O来调整本地时钟，达到与主时钟同步，其中T0、T3由主时钟测量得到，T1、T2由从时钟测量得到，假设信息双向传输的传输延迟D是相同的，可以通过如下公式来计算传输延迟D和时钟偏移O

  D+O＝T1-T0

  D+O＝T3-T2

则D＝[(T1-T0)+(T3-T2)]/2

  O＝[(T1-T0)-(T3-T2)]/2

本发明中时间信息是用网络芯片DP83640的物理层上进行测量的，同步过程简单，只需发送两次时间信息就能完成时间同步，时间戳信息的精度在纳秒级，因此整个以太局域网内各簇头节点4之间可以达到纳秒级的同步。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对步骤B中线程(二)进一步说明，步骤B中线程(二)的具体步骤为：

步骤B21、以本簇头节点4为中心，建立本簇内的无线传感器网络；

步骤B22、判断是否有无线信号申请加入网络，如果是，进入执行步骤B25和步骤B26，如果否，则执行进入步骤B23和步骤B24；

步骤B23、判断是否到了传感器测量周期时刻，如果是，则执行步骤B24，如果否，则执行步骤B22；

步骤B24、对周围环境参数进行测量；

步骤B25、配置新节点；

步骤B26、允许在簇头节点4通讯范围内的移动节点5加入，并与本簇内的簇头节点4通信。

具体实施方式六：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对步骤B中线程(三)进一步说明，步骤B中线程(三)为：以本簇内的簇头节点4为时间基准，利用TPSN同步算法实现本簇内无线传感器网络的所有移动节点与本簇头节点4之间的同步。

本簇内的簇头节点4不断以单跳TPSN同步算法实现以自己为同步源的本簇内无线传感器网络内各移动节点5间微秒级或者亚微秒级的同步，而各簇头之间是纳秒级精确同步的，从而实现整个井下无线传感器网络的微秒级或者亚微秒级同步。

具体实施方式七：结合图8说明本实施方式，本实施方式是对步骤C的进一步说明，步骤C的具体步骤为：

步骤C1、扫描信道，发现无线传感器网络，并发送申请加入信息，

步骤C2、判断加入网络是否成功，加入网络成功则执行步骤C3，加入网络不成功，则执行步骤C1；

步骤C3、以TPSN同步算法实现与本簇内无线传感器网络中的簇头节点4的时间同步，并测量环境参数；

步骤C4、判断是否还在原来的网络中，如果是，执行步骤C3，否则，执行步骤C1。

移动节点5首先扫描信道，发现簇头节点4建立起的无线网络并申请加入(如果发现多个分簇的无线传感器网络，则会选择信号强度最大的网络)，加入成功后，获得簇头节点4分配的网络地址，并与簇头节点4直接通信，不断以TPSN同步算法实现与簇头节点4之间的同步，簇头节点4与移动节点5的无线通信链路是双向的，通过双向的信息交换实现簇头节点4与移动节点5之间的同步。簇头节点4与移动节点5之间的无线通信链路是双向的，通过双向的信息交换实现簇头节点4与移动节点5之间的同步，本发明的TPSN同步算法与传统的TPSN同步算法的不同为：1、不需要建立层次结构，算法省去了生成层次阶段的时间；2、无线通信网络内仅有单跳通信，因此算法不存在同步误差累积问题，同步精度更高。

本发明针对煤矿井下无线传感器网络中分布在各个坑道内的各传感器节点间的精密同步问题，采用了IEEE1588精密时间同步协议实现对煤矿井下整个以太局域网内的纳秒级同步，由于基于分簇的井下无线传感器网络的各簇头也是井下以太局域网的终端节点，所以井下局域网内的精确同步也就实现了基于分簇的无线传感器网络内簇头间的精密同步，各簇头然后采用单跳TPSN同步算法的方式，实现本簇内的亚微秒级的同步，避免了同步误差累积，从而实现了整个无线传感器网络的微秒级或者亚微妙的精密同步。

本发明包括硬件系统和软件部分。其中硬件系统是由网络连接设备(专用的IEEE1588交换机)连接局域网各个簇头节点4，从而组成一个以太局域网。同时还需要以各簇头节点4为中心，并以该簇头节点4附近的井下施工人员携带的移动无线传感器节点为簇成员构成的若干个单跳簇无线网络。而软件部分则是有运行在簇头节点4上的IEEE1588精密时间同步协议栈软件、簇头节点4和移动节点5上运行无线传感器网络协议栈软件，以及在煤矿井上地面信息控制中的控制管理系统。

本发明有三个子系统组成，中心站主机1、簇头节点4和移动节点5。中心站主机，用于监控井下整个网络的运行状态、同步情况等，并且根据需要向网络内发送控制信息。另外为了提高整个网络的同步精度，可在地面或者井下布置一个支持IEEE1588的高精度时钟源，为整个网络提供高精度的时钟参考(主时钟)。在井下以太局域网的骨干可以根据实际矿井状况采用光纤或者以太局域网线连接。为了更精确地监控井下的状况，在骨干网和各个坑道内可根据实际需要每隔10或者20米布置一个簇头节点4。而每一个簇头节点4是连接在井下以太局域网上的，也就是说每一个簇头节点4也是以太局域网的终端节点。每一个簇头节点4就会在本区域内形成一个基于它为簇头，以它附近的移动节点5作为簇内成员构成簇内的无线传感器网络，图2中，图中的黑色圆点代表移动节点5，他们及其附近的簇头构成井下无线传感器网络的一个簇。在矿井下，施工人员携带的普通节点在井下坑道内是移动的。因此，会经常加入或者离开它所经区域的簇。

中心站主机主要完成IEEE1588精密同步协议的同步间隔等信息的配置、监测整个系统的运行状况。

簇头节点4主要是实现基于IEEE1588精密时间同步协议栈，无线通信Zigbee协议栈和同步算法TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)。其中传感器组11则是为了监测井下环境，如测量瓦斯浓度、粉尘、温湿度等参数。

簇头节点4不但要完成基于以太局域网的IEEE1588精密时间同步协议外，还要完成与本簇内移动节点5的无线通信及同步算法。普通移动节点5则需要加入以簇头节点4为中心的簇内无线传感器网络，并以单跳的TPSN同步算法不断与簇头节点4保持同步。

移动节点5是由井下操作人员随身携带，并可以根据需求安装一定的传感器，但是为了携带方便，一般其尺寸很小。加入其附近簇头节点4建立的无线网络，实现同步、定位等功能。在本发明中主要实现同步，为实现其他功能提供同步基础。

移动节点5进行扫描信道，发现簇头节点4建立起的无线网络并申请加入，加入成功后，获得簇头节点4分配的网络地址，并与簇头节点4直接通信。然后不断以TPSN同步算法实现与簇头节点4之间的同步。

Claims (7)

1.一种煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法，它由中心站主机(1)、以太局域网干线(2)、多个簇头节点(4)和多个移动节点(5)组成，所有簇头节点(4)连接在以太局域网干线(2)上，与中心站主机(1)通过以太局域网干线(2)连接成煤矿井下以太局域网，所述移动节点(5)为井下施工人员携带的移动无线传感器节点，每个簇头节点(4)与本区域内的多个移动节点(5)组成以本簇头节点(4)为中心的簇内无线传感器网络，其中以各簇头节点(4)为中心，并以该簇头节点(4)附近的井下施工人员携带的移动无线传感器节点为簇成员构成若干个单跳簇无线网络；其特征在于此同步方法的具体步骤如下：

步骤A、中心站主机(1)向整个无线传感器网络内的各个簇头节点(4)发送配置信息；

步骤B、各个簇头节点(4)接收中心站主机(1)发送的配置信息，然后进行基于IEEE1588协议的以太局域网的时间同步，并向簇内无线传感器网络中移动节点(5)发送同步命令；

步骤C、各个簇内移动节点(5)进行与本簇内的簇头节点(4)之间的同步，本簇内的簇头节点(4)不断以单跳TPSN同步算法实现以自己为同步源的本簇内无线传感器网络内各移动节点(5)间微秒级或者亚微秒级的同步，而各簇头之间是纳秒级精确同步的，从而实现整个井下无线传感器网络的微秒级或者亚微秒级同步，实现精密同步方法。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法，其特征在于步骤A中具体步骤为：

步骤A1、判断是否需要发送配置信息，如果是，则执行步骤A2和步骤A3，如果否，则执步骤A3；

步骤A2、发送配置信息；

步骤A3、接收、保存并显示各个簇头节点(4)的偏移信息，通过偏移信息的统计特性来观测以太局域网与无线传感器网络组成的系统的运行状况及同步性能。

3.根据权利要求1所述的煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法，其特征在于执行步骤B需要同时建立三个线程：线程(一)为运行IEEE1588协议栈；线程(二)为运行无线传感器网络通信协议及测量任务；线程(三)为运行无线传感器网络TPSN同步算法。

4.根据权利要求3所述的煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法，其特征在于步骤B中线程(一)的具体步骤为：

步骤B11、判断本簇头节点(4)是否为主时钟，如果是，则执行步骤B16和步骤B17，如果不是，则执行步骤B12至步骤B15；

步骤B12、从时钟簇头节点(4)接收配置信息；

步骤B13、接收或发送IEEE1588同步信息，在网络芯片DP83640的辅助下得到同步消息的时间戳信息并进行同步计算；

步骤B14、根据计算出来的时间偏移信息，调整本簇头节点(4)的时钟，实现与以太局域网主时钟之间的同步；

步骤B15、将偏移信息发送给中心站主机；

步骤B16、主时钟簇头节点(4)接收配置信息；

步骤B17、在DP83640的辅助下接收或发送IEEE1588同步信息。

5.根据权利要求3所述的煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法，其特征在于步骤B中线程(二)的具体步骤为：

步骤B21、以本簇头节点(4)为中心，建立本簇内的无线传感器网络，其中以各簇头节点(4)为中心，并以该簇头节点(4)附近的井下施工人员携带的移动无线传感器节点为簇成员构成若干个单跳簇无线网络；

步骤B22、判断是否有无线信号申请加入网络，如果是，进入执行步骤B25和步骤B26，如果否，则执行进入步骤B23和步骤B24；

步骤B23、判断是否到了传感器测量周期时刻，如果是，则执行步骤B24，如果否，则执行步骤B22；

步骤B24、对周围环境参数进行测量；

步骤B25、配置新节点；

步骤B26、允许在簇头节点(4)通讯范围内的移动节点(5)加入，并与本簇内的簇头节点(4)通信。

6.根据权利要求3所述的煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法，其特征在于步骤B中线程(三)为：以本簇内的簇头节点(4)为时间基准，利用TPSN同步算法实现本簇内无线传感器网络的所有移动节点与本簇头节点(4)之间的同步。

7.根据权利要求1所述的煤矿井下无线传感器网络的精密同步方法，其特征在于步骤C的具体步骤为：

步骤C1、扫描信道，发现无线传感器网络，并发送申请加入信息，

步骤C2、判断加入网络是否成功，加入网络成功则执行步骤C3，加入网络不成功，则执行步骤C1；

步骤C3、以TPSN同步算法实现与本簇内无线传感器网络中的簇头节点(4)的时间同步，并测量环境参数；

步骤C4、判断是否还在原来的网络中，如果是，执行步骤C3，否则，执行步骤C1。

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