CN102421187A

CN102421187A - 一种无线传感器网络的高精度时钟同步方法

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Publication number: CN102421187A
Application number: CN2011103923310A
Authority: CN
Inventors: 周庆飞; 王石记; 安佰岳; 周志波
Original assignee: Beijing Aerospace Measurement and Control Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Measurement and Control Technology Co Ltd
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: CN102421187B

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络的高精度时钟同步方法，在无线传感器网络中上位机和网关通过以太网相连，网关通过Wi-Fi无线网络连接无线传感器网络内的各个簇头节点，簇头节点通过Zigbee无线网络与传感器节点相连；簇头节点和传感器节点均在发送和接收数据时将数据在MAC层和物理层传输的时间作为精确发送/接收时间；同步时，各簇头节点先采用GPS模块进行簇头节点间的同步，然后簇头节点通过Zigbee无线网络对簇内的每一个传感器节点进行时钟同步；传感器节点的同步包括簇头节点与传感器节点之间的时钟偏移同步以及二者之间传输延迟同步。使用本发明能够降低成本和能耗，而且同步过程计算简单。

Description

一种无线传感器网络的高精度时钟同步方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络同步技术领域，具体涉及一种无线传感器网络的高精度时钟同步方法。

背景技术

随着计算机网络的发展，越来越多的工业领域对时钟同步提出了更高的要求，尤其是在大多数以工业以太网为基础的分布式控制系统中，已经对时钟同步提出了微秒级的同步要求。

无线传感器网络(WSN)是指由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集分布在监控区域内而构成的根据环境自主完成指定任务的自治测控网络系统。

时间同步是无线传感器网络应用的重要组成部分，传感器数据融合、传感器节点自身定位等都要求节点间的时钟保持同步。在WSN应用中，传感器节点通常需要协调操作共同完成一项复杂的传感任务。为了能够正确监测事件发生的次序要求传感器节点之间实现相对时间同步。在状态监测等应用中，事件自身的发生时间是相当重要的参数，这要求每个节点维持唯一的全局时间以实现整个网络的时间同步。

目前广泛用于网络时间同步的方法主要有GPS和NTP。GPS具有相当高的同步精度，但其成本较高并且能耗较大，而且在恶劣的环境下同步精度会受到很大影响。NTP(Network Time Protocol)是Internet上进行时钟同步的协议，它能实现网络上高精度的计算机校时，但它是计算密集型的，具有很大的计算开销。在WSN应用中，传感器节点对功耗有严格的要求，并且要求尽可能保持较小的外形和低廉的成本使其能够被大量部署，其部署环境经常是常人难以接近的恶劣环境，这使得部署后的维护通常是不可能的；显然将GPS和NTP用于WSN的时间同步是不可取的。

为了实现分布式无线传感器网络内所有节点的时钟同步，迫切需要一种同步配置机制来对各个传感器节点的本地时钟进行时钟校准，以保证所有节点能够严格按照时序相互协同工作，共同完成监测任务。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无线传感器网络的高精度时钟同步方法，能够降低成本和能耗，而且同步过程计算简单，能够被大量部署。

首先，所述无线传感器网络包括上位机、以太网、网关、簇头节点和传感器节点；上位机和网关通过以太网相连，网关通过Wi-Fi无线网络连接无线传感器网络内的各个簇头节点，每个簇头节点通过Zigbee无线网络与簇内的传感器节点相连；每个簇头节点上配置GPS模块；所述簇头节点和传感器节点均在发送数据时，将数据从MAC层到达物理层的时间记录下来作为精确地发送时间，在接收数据时，将数据从物理层到达MAC层的时间记录下来作为精确地接收时间；

该同步方法包括如下步骤：

1)上位机通过以太网发布控制指令，网关将该控制指令通过Wi-Fi无线网络转发给各簇头节点；

2)各簇头节点接收到控制指令后，启动各自内置的授时型GPS模块实时接收GPS信号，产生精准的秒脉冲触发信号并作为簇头节点的时钟基准，对簇头节点内部的时钟进行校准，从而实现各个簇头节点的时钟同步。

3)每个簇头节点通过Zigbee无线网络按照顺序依次对簇内的每一个传感器节点进行时钟同步；

对一个传感器节点进行时钟同步的具体过程包括如下两个阶段：

首先为两个阶段定义变量Offset和Delay，Offset是簇头节点与传感器节点之间的当前时钟偏移，Delay是簇头节点与传感器节点之间的当前传输延迟时间，在第一次时钟同步之前令Delay＝0；

第一阶段：

A1)簇头节点向传感器节点发出一个同步信息Sync，并测量精确的发送时间TM1，传感器节点测量出接收的准确时间TS1；簇头节点在Sync信息发出后发出一个接续信息Follow_Up，该Follow_Up信息中携带所述TM1；

A2)传感器节点更新当前时钟偏移：Offset＝TS1-TM1-Delay；

A3)传感器节点更新本地时钟Ts：Ts＝Ts-Offset；

第二阶段：

B1)传感器节点向簇头节点发出延迟请求信息Delay_Req，并记录准确的发送时间TS3，簇头节点收到Delay_Req后，在延迟响应信息包Delay_Resp记录准确的Delay_Req信息接收时间TM3，并返回给传感器节点；

B2)传感器节点更新传输延迟时间Delay＝(TM3-TS3)/2；

B3)传感器节点更新当前时钟偏移Offset＝-Delay；

B4)传感器节点更新本地时钟Ts：Ts＝Ts-Offset；

此后，无线传感器网络进入正常工作状态。

优选地，所述在进入正常工作之前，进行多轮如步骤3)所述的时钟同步，且Delay不需要重置为0，使用前一次时钟同步后的Delay值。

优选地，在无线传感器网络进入正常工作状态之后，进一步包括：周期性地执行所述步骤3)实现簇内各个传感器节点的实时时钟同步。

优选地，簇头节点与网关之间的通信为：将秒脉冲均匀划分成若干个时间段，每个簇头节点占据各自的时间段，在各自的时间段内独自完成与网关的通信任务。

优选地，无线传感器网络进入正常工作状态之后，簇头节点与传感器节点之间的通信为：簇头节点采用轮询的方式对簇内的各个传感器节点进行访问，完成数据交换。

有益效果：

本发明提供了一种适用于无线传感器网络的高精度同步方法，采用GPS同步各簇头节点，然后再由各簇头节点同步簇内的传感器节点。从而在少量设置GPS模块的情况下，完成了整个网络的时间同步，与全网布置GPS模块的方案相比，大大降低了成本。

其次，簇头节点继承了Zigbee、Wi-Fi两种通用的无线接口，可进行Zigbee接口无线传感器组网，并可通过Wi-Fi无线接口与互联网连接，进行传感器网络的远程控制。其好处在于，Wi-Fi适用于大数据量传输，Zigbee适用于间断工作，每次数据量少，功耗小，簇头节点下层有多个节点轮询工作，工作时间短，适合采用Zigbee，而所有传感器节点的数据均通过一个网关与上位机互通，传输数据量大，网关是瓶颈，因此适合采用Wi-Fi。可见，采用两种无线接口的中间件装置能够减小整个网络的功耗。

此外，本发明设计了时钟偏移+路径延迟的二阶段同步方案，能够实现所有传感器节点的精确同步，而且本发明通过捕捉数据在物理层和MAC层之间的传递时间获得数据准确发送和接收时间，从而为精确同步提供了有利的基础。

附图说明

图1是本发明无线传感器网络的结构示意图。

图2是时钟偏移测量示意图。

图3是时钟延迟测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种无线传感器网络的高精度时钟同步方法，为了实现该方法，首先对无线传感器网络进行配置。每个簇头节点上配置GPS模块。

图1为本发明无线传感器网络的结构示意图，如图1所示，无线传感器网络包括上位机、以太网、网关、簇头节点和传感器节点。上位机和网关通过以太网相连，网关通过Wi-Fi无线网络连接无线传感器网络内的各个簇头节点，每个簇头节点通过Zigbee无线网络与簇内的传感器节点相连。

与现有技术不同，本发明中的簇头节点与上层和下层的通信方式采用不同的无线网络，与下层的传感器节点通过Zigbee网络互联，与上层的网关通过Wi-Fi网络互联。这是因为，Wi-Fi适用于大数据量传输，Zigbee适用于间断工作，每次数据量少，功耗小，簇头节点下层有多个节点轮询工作，工作时间短，适合采用Zigbee，而所有传感器节点的数据均通过一个网关与上位机互通，传输数据量大，网关是瓶颈，因此适合采用Wi-Fi。本发明是考虑到这种簇型无线传感器的特点，在通信协议选用上进行了特殊设计。

本发明时钟同步方法的步骤如下：

首先将各个传感器节点、簇头节点以及网关布设在无线传感器网络的指定区域内，一切准备就绪后开始上电。

2)各簇头节点接收到控制指令后，启动各自内置的授时型GPS模块实时接收GPS信号，输出精准的秒脉冲触发信号，簇头节点将该秒脉冲触发信号作为时钟基准，对簇头节点内部的时钟进行校准，进而实现各个簇头节点的时钟同步，保证整个无线网络内部每个簇头节点的时钟保持一致。

3)每个簇头节点通过Zigbee无线网络与传感器节点实现互联，按照顺序依次与簇内的每一个传感器节点进行通信，按照如下方法对每个传感器节点的本地时钟进行时钟校准，消除时钟偏移和路径时延。

在同步过程中，簇头节点作为主时钟，传感器节点为从时钟。时钟同步配置方法的实现过程可分为两个阶段：计算时钟偏移(Offset)阶段和计算路径延迟(Delay)阶段。Offset是簇头节点与传感器节点之间的当前时钟偏移，由于受到网络延迟，尤其是数据报文的递交延迟的影响，一次传送同步报文计算的时钟偏移并不准确，还需计算路径延迟加以修正，而Delay就是簇头节点与传感器节点之间的当前传输延迟时间，在第一次时钟同步之前令Delay＝0。

首先为两个阶段定义变量Offset和Delay，这两个变量在同步过程中不断被更新。并且，为了精确地获取数据发送和接收时间，簇头节点和传感器节点均在发送数据时，将数据从MAC层到达物理层的时间记录下来作为精确地发送时间，在接收数据时，将数据从物理层到达MAC层的时间记录下来作为精确地接收时间。

第一阶段：偏移测量

偏移测量阶段用来修正簇头节点的主时钟和传感器节点的从时钟的时间差。在这个偏移修正过程中，簇头节点周期性发出一个同步信息(简称Sync信息)，一般为每两秒一次。如图2所示，假设同步之前主时钟的时间为Tm＝1050s，而从属时钟的时间为Ts＝1000s。簇头节点测量出发送的准确时间TM1，而传感器节点测量出接收的准确时间TS1。簇头节点在Sync信息发出后发出一个Follow_Up信息，该信息加了一个时间印章，准确地记载了Sync信息的真实发出时间TM1。这样，从属时钟使用Follow_Up信息中的真实发出时间和接收方的真实接收时间，可以计算出从属时钟与主时钟之间的偏移(Offset)：

Offset＝TS1-TM1-Delay＝1002-1051-0＝-49

这里要说明的是，上式中的Delay指的是主时钟与从属时钟之间的传输延迟时间，它在本阶段是一个未知数，暂且视为0s，将在下面的延迟测量阶段测出。传感器节点根据偏移测量阶段计算得到的Offset更新本地从时钟，将从时钟修正为：

Ts＝Ts-Offset＝1003-(-49)＝1052。

本第一阶段可以执行多次。

如图2可以看出，经过第一阶段Offset的测量和Ts的更新，主从时钟已经同步，簇头发送下一个Sync信息的时间为TM2＝1053，设传感器节点接收时间TS2＝1053，Offset＝TS2-TM2-Delay＝1053-1053-0，可见主从之间时钟本身的偏移已经克服。

第二阶段：延迟测量

延迟测量(delay measurement)阶段用来测量网络传输造成的延迟时间。为了测量网络的传输延时，定义了一个延迟请求信息包(Delay Request Packet)，简称Delay_Req。

如图3所示，传感器节点在收到Sync信息后在TS3＝1080时刻发出延迟请求信息包Delay_Req，簇头收到Delay_Req后在延迟响应信息包(Delay_RequestPacket，Delay_Resp)记录出准确的接收时间TM3，并发送给传感器节点，因此传感器节点就可以非常准确地计算出网络延时：

设，主到从的网络延时为Delay1，从到主的网络延时为Delay2；

因为：

TS2-TM2＝Delay1+Offfset

TM3-TS3＝Delay2-Offfset

则：Delay1+Delay2＝(TS2-TM2)+(TM3-TS3)

因为网络延迟时间是对称相等的，所以：

Delay＝(Delay1+delay2)/2＝[(TS2-TM2)-(TS3-TM3)]/2；

由于TS2＝TM2，则Delay＝(TM3-TS3)/2；

那么，传感器节点更新传输延迟时间Delay＝(1082-1080)]/2＝1。

此时，由于TM和TS已经相同，因此传感器节点可以采用如下简化后的公式更新当前时钟偏移：Offset＝-Delay＝-1；

接着，传感器节点更新本地时钟Ts：

Ts＝Ts-Offset＝1084-(-1)＝1085。

当然，如果仍采用Offset＝TS-TM-Delay的公式更新Offset，那么需要簇头节点与传感器节点之间再进行一次Sync和Follow_Up的交互，簇头节点发送Sync准确时间为TS4＝1083，传感器节点接收Follow_Up准确时间为TM4＝1083；

然后，传感器节点再次更新当前时钟偏移：

Offset＝TS4-TM4-Delay＝1083-1083-1＝-1；

接着，传感器节点更新本地时钟Ts：

Ts＝Ts-Offset＝1084-(-1)＝1085。

可见，更新结果是相同的。

与偏移测量阶段不同的是，延迟测量阶段的延迟请求信息包是随机发出的，并没有严格时间限制。需要说明的是，在这个测量过程中，假设传输介质是对称均匀的。

最终，经过同步信息的交换，消除了主从设备的时钟偏移和网络传输的路径延迟，最终实现了从属时钟与主时钟的精确时间同步。

此后，无线传感器网络进入正常工作状态。进入正常工作之前，也可以进行多轮如步骤3)所述的同步，只是由于不是第一次同步，因此Delay不需要重置为0，使用前一次时钟同步后的Delay值即可。在此之后，还可以进行周期性的同步，实现簇内各个传感器节点的实时时钟同步。

基于时分多址原理，整个无线传感器网络采用分时工作模式，将秒脉冲均匀划分成若干个时间段(例如将1秒划分为10个时间段)，每个簇头节点占据各自的时间段，独自完成相应的通信任务，避免通信冲突造成网关处的网络拥堵。簇头节点，采用轮询的方式对簇内的各个传感器节点进行访问，完成数据交换。

簇头节点通过Wi-Fi无线网络获取由网关转发的上位机控制指令，并将其通过Zigbee无线网络转发给下层的每一个传感器节点。簇头节点通过Zigbee无线网络获取下层传感器节点采集到的数据，并将该数据通过Wi-Fi无线网络上传给网关，再由以太网输送到上位机。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无线传感器网络的高精度时钟同步方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括上位机、以太网、网关、簇头节点和传感器节点；上位机和网关通过以太网相连，网关通过Wi-Fi无线网络连接无线传感器网络内的各个簇头节点，每个簇头节点通过Zigbee无线网络与簇内的传感器节点相连；每个簇头节点上配置GPS模块；所述簇头节点和传感器节点均在发送数据时，将数据从MAC层到达物理层的时间记录下来作为精确地发送时间，在接收数据时，将数据从物理层到达MAC层的时间记录下来作为精确地接收时间；

该同步方法包括如下步骤：

第一阶段：

A2)传感器节点更新当前时钟偏移：Offset＝TS1-TM1-Delay；

A3)传感器节点更新本地时钟Ts：Ts＝Ts-Offset；

第二阶段：

B2)传感器节点更新传输延迟时间Delay＝(TM3-TS3)/2；

B3)传感器节点更新当前时钟偏移Offset＝-Delay；

B4)传感器节点更新本地时钟Ts：Ts＝Ts-Offset；

此后，无线传感器网络进入正常工作状态。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在进入正常工作之前，进行多轮如步骤3)所述的时钟同步，且Delay不需要重置为0，使用前一次时钟同步后的Delay值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在无线传感器网络进入正常工作状态之后，进一步包括：周期性地执行所述步骤3)实现簇内各个传感器节点的实时时钟同步。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，簇头节点与网关之间的通信为：将秒脉冲均匀划分成若干个时间段，每个簇头节点占据各自的时间段，在各自的时间段内独自完成与网关的通信任务。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，无线传感器网络进入正常工作状态之后，簇头节点与传感器节点之间的通信为：簇头节点采用轮询的方式对簇内的各个传感器节点进行访问，完成数据交换。