CN102811480A - 基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，所述方法包括：步骤1，初始化LED端口和发射模块端口，将所述LED端口和发射模块端口设定为输出，定时器清零，将无线传感器网络节点进行上电复位；步骤2，初始化并打开外部中断，启动定时器；步骤3，根据定时器溢出情况将单片机转入休眠模式，等待外部中断，外部中断结束时再次进入休眠模式。

Description

基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法

技术领域

本发明属于信息技术领域，尤其涉及一种基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法。

背景技术

时间同步是所有分布式系统都需要解决的一个重要问题。在集中式系统中，由于任何进程或模块都可以从系统唯一的全局时钟中获取时间，因此系统内任何两个事件都有着明确的先后关系。而在分布式系统中，由于物理上的分散性，系统无法为彼此间相互独立的模块提供一个统一的全局时钟，而是由各个进程或模块各自维护它们的本地时钟。由于这些本地时钟的计时速率、运行环境存在不一致性，因此即使所有的本地时钟在某一时刻都被校准，一段时间后，这些本地时钟间也会出现失步。为了让这些本地时钟再次达到相同的时间值，必须进行时间同步。时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程。

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种结合了微电子机械系统、片上系统、无线通信、低成本传感器等技术的新兴网络技术。它通常是由大量廉价的具有信息获取能力的节点组成的面向任务的自组织无线通信网络，作为“物联网”研究的前端感知层的重要组成部分，拥有十分广阔的应用前景，并已引起了学术界和工业界的广泛关注。时间同步是WSN的一项重要研究内容，也是WSN其他研究的支撑技术，其在测距、数据融合、MAC层协议、睡眠调度、协作传输等几乎所有的场合都有着非常重要的应用。与传统的分布式系统的时间同步不同，无线传感器网络的时间同步不仅有着高精度的要求，而且还面临着能耗、可扩展性、无线传输不可靠性等新的挑战。

针对无线传感器网络时间同步所面临的挑战—传输延迟的不确定性、低功耗、低成本、可扩展性等特点，在无线传感器网络领域出现了一些典型的时间同步协议。如TPSN（Time Protocol for Sensor Networks）、RBS（ReferenceBroadcast Synchronization）、LTS（Lightweight Tree-basedSynchronization）、HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization）、FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）等。这些典型的时间同步算法侧重同步精度和同步能耗的需求，其从各个方面对同步问题进行了解决。它们力图提高时间戳的准确性来提高时间同步的精度，力图利用无线广播特性来降低同步功耗。目前，单跳WSN的时间同步协议已经很成熟，同步误差在Mica2平台上已经达到几至十几微秒的量级，同步功耗也较低，能够满足大多数应用场合的需要。然而，当这些时间同步协议被扩展到多跳网络时，目前普遍采取的方法是首先按照节点之间的通信连接关系建立起一定的网络拓扑结构，在该拓扑结构上，按照时间同步协议的约定，未同步节点和所选定的已同步节点之间通过交换含时间信息的同步报文，从而间接地实现与时间基准节点之间的同步。节点不能直接和时间基准节点同步，会造成节点的同步误差随着其离时间基准节点跳距的增加而增加的现象，即出现了同步误差的累积。另外，这些同步算法涉及较复杂的计算和较频繁的数据包交换，给WSN的正常运行带来了很大的负担。近些年来，研究者们开始寻找新的时间同步的思路和方法。如何利用自然界中的互同步（Mutual synchronization）现象来对WSN进行时间同步的研究逐渐又被大家重视起来。

萤火虫同步则是最著名的一种互同步现象。Peskin针对心肌细胞的同步跳动提出了一种脉冲耦合振荡器模型。他把互同步系统建模成许多互相耦合的相同的振荡器的集合，每个振荡器由一个状态变量x描述，x满足：

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=-\mathrm{\γx}+S_0,0\≤x\≤1---\left(1\right)$

其中γ和S₀分别为振荡器的漏电因子和充电速度。当x＝1时，振荡器激发，并立即回到状态x＝0，同时会出现与其它振荡器之间的电耦合，从而把其它振荡器的状态提升一个很小的增量ε，称为耦合强度。而正是这种耦合的作用，使得振荡器的状态趋于相同，最终达到同时放电状态。

1990年，Mirollo和Strogatz在Peskin模型的基础上提出一种更加一般化的脉冲耦合振荡器模型（后简称为M&S模型）。在此模型中，振荡器也使用状态变量x来描述，x的变化服从函数f(φ)，其中f是一个[0,1]到[0,1]上的光滑单调递增凹函数，φ是相位变量且满足dφ/dt＝1/T(T是周期)。Mirollo和Strogatz首先使用快照（snapshot）的方法，证明了两个振荡器的回归函数有唯一的排斥不动点，即系统的任何初始状态都会导致两个振荡器的相位趋向于0或者1，最终达到同步。而对于多振荡器系统，首先构建了描述振荡器状态的集合，然后证明达不到同步的振荡器组的初始状态的集合的勒贝格测度为0，即此模型下的脉冲耦合多振荡器系统在几乎所有的初始情况下都能够达到同步。

纵观脉冲耦合振荡器同步模型的研究，研究的主体从生物学家到数学家、物理学家进而转移到计算机学家。近年来，将这一机制应用于计算机网络、神经网络的研究又使得该同步模型的研究成为热点。M&S模型虽然很好的解释了萤火虫同步现象，但是其很多理想的假设在实际应用中难以保证，因此将其直接用于无线网络的同步还存在不少问题。

例如，现有技术中大量的仿真试图了解在无线传感器网络中使用萤火虫同步算法的收敛速度、同步功耗与节点密度、耦合强度、初始相位等因素之间的关系。文中考虑了实际应用中的一些问题：1.为了克服随机噪声的影响，在前端增加了一个能量检测器，只有当接收信号的能量超过一定的阀值后才被认为是有效的信号，才有可能对节点状态产生影响，否则均作为噪声被滤除。2.类似于生物系统中的潜伏期(Refractory Period)，节点在发出同步信号后，会有一段切换到接收状态的时间，在此段时间内，节点不能接收到任何信息。为了对这个现象进行模拟，其在同步信号发送以后引入一段睡眠期2α，在该期间内对任何同步信号不予响应。3.由于节点振荡频率的不一致性，不可能每个节点的同步周期都完全相同。为了观察这种情况的结果，把节点的同步周期取为[0.9,1.1]之间的随机数，即节点最大频率偏移达到10%。仿真的结果显示：系统最终仍达到同步。

由此看来，萤火虫同步技术对耦合延迟、状态函数、同步周期、网络拓扑等因素很敏感。要实现基于脉冲耦合振荡器模型的无线传感器网络时间同步算法还需要考虑延迟问题、非线性状态函数问题、频率一致性问题、网络拓扑等。

针对上述问题，很多研究者对基于脉冲耦合振荡器的传感器网络时间同步算法的实践在进行了研究。例如，在Micaz节点和TinyOS平台上实现了基于M&S模型的萤火虫同步算法，提出了RFA(Reachback Firefly Algorithm)算法。RFA算法的思想不同于M&S模型：把本轮同步周期内接收到的所有同步报文依次按照实际发送时刻排序，但是本轮同步周期中节点的时间并不受这些同步报文的影响。当本轮同步周期结束时，按照M&S模型计算这些同步报文对节点时间的影响量，并把下轮同步周期的节点起始时间设置成所计算出的影响量之和，也即：将某轮同步周期内接收到的同步报文的影响推后到下一轮同步周期的起始时刻，从而解决了延迟问题问题；对于状态函数和频率问题，文中对非线性的状态函数采用一阶泰勒展开进行近似，并且采用随机地把同步脉冲的发送时间推后一段时间来避免频率相同导致的报文冲突。实验在由24个MicaZ节点所组成的一个复杂网络测试平台MoteLab上进行，同步周期为1秒，实验结果为：同步收敛时间随耦合量增大而减少，并且50%的节点间同步误差限制在154微秒以内。

上述实验方法均是在应用层采用数据包进行耦合，由于跨越了物理层、MAC层甚至路由层，因此增加了误差产生的环节，也不能体现出脉冲耦合振荡器的特性。例如，一种基于脉冲耦合振荡器模型的时间同步协议实现方法，该方法对MAC层的CSMA防冲撞机制进行了改造，将多路访问改为允许信号进行叠加，从而使得实现更加契合脉冲耦合的特性。该方法在不同的网络规模均能获得接近百微秒的同步精度。

发明内容

本发明提出了一种基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，该方法不需要信息交换，因此可以在物理层通过脉冲进行耦合从而减少误差产生的环节，提高同步的精度。

本发明公开一种基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，包括：

步骤1，初始化LED端口和发射模块端口，将所述LED端口和发射模块端口设定为输出，定时器清零，将无线传感器网络节点进行上电复位；

步骤2，初始化并打开外部中断，启动定时器；

步骤3，根据定时器溢出情况将单片机转入休眠模式，等待外部中断，外部中断结束时再次进入休眠模式。

所述的基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，所述步骤1还包括：

每一个无线传感器网络节点建模为一个振荡器，并按照线性关系x=f(φ)=φ、φ∈[0,1]变化，当φ_i=1时，第i个振荡器激发，并且瞬间跳回状态φ_i=0；同时，受其影响其余所有振荡器的状态变量增加一个增量，或者到达阈值时被激发；第i个振荡器激发后对第j个振荡器的影响为：

${\mathrm{\φ}}_i=1\⇒{\mathrm{\φ}}_j^{\′}=\min (1,{\mathrm{\φ}}_j+{\mathrm{\ϵ\φ}}_j),\∀j\≠i,$

其中，ε为耦合强度，φ′_j为调整后振荡器j的相位值。

所述的基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，所述步骤2还包括：

步骤31，当定时器中断发生时，定时器立即清零，同时使相位自增1；根据相位的取值触发相应的事件；

步骤32，关闭节点的响应直到下一次打开响应的时间段为不应期，系统不会响应其在这段时间接收到的任何信号。

所述的基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，所述步骤3还包括：

步骤41，将相位增加1；

步骤42，如果相位大于周期，即触发一次发射，同时将计数器清零；

步骤43，如果相位等于周期T，即说明即将进行发射，此处预先关闭外部中断，不响应其他节点和自己发射的信号，即进入不应期；

步骤44，在发射结束后，开启外部中断，开始等待外部节点的溢出信号并对其进行响应；

步骤45，在发射持续一定时间后，将发射引脚置零，停止发射；

步骤46，判断现在是否应该点亮LED，此步骤在不应期之外，相位值已所述振荡器模型运算耦合强度，需要用大于运算判断。

所述的基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，所述步骤3还包括：

步骤51，由当前的相位值按照

运算耦合强度，修改相位；

其中，第i个振荡器激发后对第j个振荡器进行影响，ε为耦合强度，φ′_j为调整后振荡器j的相位值；

步骤52，如果相位值大于T，将相位设为0，进入不应期，并发射信号。

本发明的有益效果为：

本发明公开了一种基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，该方法基于线性的模型，并且在理论上考虑了物理实现因素，因此适合无线传感器网络实现。同时还给出了一种使用硬件从物理层实现的方法，通过实验同步精度达到40微秒，好于现有使用硬件时间的脉冲耦合振荡器方法。本发明针对基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步，提供了一套从理论到实践的方法，有利于脉冲耦合振荡器模型的无线传感器网络时间同步方法在更大范围的研究和应用。

附图说明

图1本发明同步程序主流程；

图2本发明定时器溢出流程；

图3本发明外部中断处理流程；

图4A-4B本发明实验节点原理图；

图5本发明实验节点实物照片；

图6A本发明同步实验标准差（周期0.5秒）；

图6B本发明同步实验标准差（周期1秒）；

图6C本发明同步实验标准差（周期3秒）。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式，结合附图对本发明做出了详细描述。

在《实现无线传感器网络时间同步的方法》（申请号：200910176914.2）中，我们公开了一种非漏电脉冲耦合振荡器模型，并在此模型基础上，研究了频率差异对模型同步性的影响。实验结果证明15个节点的测试平台实验的同步误差接近100微秒。上述方法需要交换节点的频率，因此在应用层采用数据包进行耦合，由于跨越了物理层、MAC层甚至路由层，所以增加了误差产生的环节，也不能体现出脉冲耦合振荡器的特性。

考虑非漏电线性脉冲耦合振荡器模型

x=f(φ)=φ，φ∈[0,1]                     (2)

鉴于此模型中状态变量x总是保持与相位变量φ相等，因此后面使用φ统一表示状态变量和相位变量。

耦合的振荡器系统可以被建模为N个“集成-激发”（“integrate-and-fire”）的振荡器网络。每一个振荡器均按照(2)式所述的线性关系变化。当φ_i=1时，第i个振荡器激发，并且瞬间跳回状态φ_i=0。同时，受其影响其余所有振荡器的状态变量增加一个增量，或者到达阈值被激发。第i个振荡器激发后对第j个振荡器的影响为：

${\mathrm{\φ}}_i=1\⇒{\mathrm{\φ}}_j^{\′}=\min (1,{\mathrm{\φ}}_j+{\mathrm{\ϵ\φ}}_j),\∀j\≠i---\left(3\right)$

其中，ε为耦合强度，φ′_j为调整后振荡器j的相位值。

可以证明，上述模型几乎在对于所有的振荡器组相位初始条件下均能达到同步。

在同一接收机附近有多个调频或调相发射机工作时，接收机收到的信号将是接收天线上振幅最强信号，这种现象即为俘获效应；而多个调幅发射机工作时，对应接收机收到的信号将是所有信号的逻辑或。物理层时钟同步器不需要包结构，亦不分信道，根据上文叙述，本设计采用调幅无线收发模块。

实施时，制作无线传感器网络节点进行实验，节点电路较简单，以Atmega8为微控制器。以J04V作为接收模块，F05P作为发射模块。其中J04V连接微控制器的中断，F05P连接单片机的标准输入输出端（GPIO）。在实施时，取ε＝0.1，并将振荡器相位从[0,1]区间放大到[0,T]，即将发明内容中所提到的振荡器的相位使用32位的计数器来表示，该计数器单调的增加到周期T时，发射模块发射一次信号，所有收到信号的节点使用(4)计算出耦合增量，然后将该增量加到自己的相位上去。

Δφ=φ₀×0.1                      (4)

以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如错误！未找到引用源。所示，主流程的工作主要是初始化，初始化后进入休眠模式，其他所有操作都在中断中完成。

步骤S101初始化端口，将LED端口和发射端口设为输出。

步骤S102初始化外部中断和定时器，打开中断。

步骤S103将单片机转入休眠模式，等待中断，中断结束时再进入休眠模式。

当定时器中断发生时，定时器立即清零，同时使相位自增1。在相位等于不同的值时，会触发相应的事件：其所有可能发生的事件如下：

开始发射*
	结束发射
关闭对其他节点的溢出信号的响应*
	开启对其他节点的溢出信号的响应
打开LED*
	关闭LED*

具体的事件处理在步骤S2中进一步说明，带有*的项目可能因为步骤S301的操作引发，其中对LED的操作可能因为S301的操作被跳过。

关闭对其他节点的响应直到下一次打开响应的时间段称为不应期，系统不会响应其在这段时间接收到的任何信号。设置不应期的理由如下：1：由于发射和接收分为两个模块，系统可能在发射之后收到自己的中断；2：在达成同步时，每次所有节点都会几乎同时发射信号，如果节点响应了其他节点的溢出信号，节点会在每个周期修改自己的相位，这样就导致实际周期被不可控的缩短。

定时器溢出的过程如图所示：

步骤S201，将相位增加1；

步骤S202、S203，如果相位大于周期，即触发一次发射，同时将计数器清零；

步骤S204、S205，如果相位等于周期T，即说明即将进行发射，此处预先关闭外部中断，不响应其他节点和自己发射的信号，即进入不应期；

步骤S206、S207与S204、S205相反，在发射结束后，开启外部中断，开始等待外部节点的溢出信号并对其进行响应；

步骤S208、S209，在发射持续一定时间后，将发射引脚置零，停止发射；

步骤S210～S212，判断现在是否应该点亮LED，这一步在不应期外，可能被步骤S301的操作跳开，需要用大于运算判断，具体可参考步骤S301说明。

当节点不处于即将发射或刚刚完成发射的一段时期时，如果接收模块捕捉到其他模块的发射，即进入中断，中断的主要操作时修改定时器的值此外要根据定时器的值对系统状态进行修改。由于有不应期的存在，中断后定时器的值只可能落在不应期以外，和不应期的起点处，定时器中断中不需要对全部的事件进行判断；由于LED主要用于显示同步状态，我们不需要对所有事件进行判定，具体实施过程如图所示：

步骤S301，由当前的相位值按照公式1运算耦合强度，修改相位。

步骤S302、S303，如果相位值大于T，将相位设为0，进入不应期，发射一次信号。

本方法提出的模型，具有线性的状态函数，并且与《实现无线传感器网络时间同步的方法》（申请号：200910176914.2）相比，耦合的信息中只有简单的耦合强度ε并不包含如周期等其它信息，因此便于在物理层使用脉冲进行实现。为了验证同步精度的提高，我们对同步精度进行了实验。实验时的电路除单片机、收发模块以外还需要以下组件：发光二极管用于显示，max232用于与设置和测试，排针用于测试。具体的电路图如图所示，节点实物照片如图所示。

本实验对同步效果的测量采用逻辑分析仪，由于每次定时器溢出，都要发射一次信号，用逻辑分析仪器采集此信号，进行比较即可获得同步效果数据，如果测得的同步误差远小于逻辑分析仪的精度，就可以认为说明测试结果是可信的。

进行试验前，还需要对节点在一个周期内所有事件发生的事件进行定义，如表1所示，其中T为周期值。

表1节点时钟周期内事件

事件	溢出后时间us
		开始发射	0
指示灯开	0
		结束发射	100
结束不应期	5,000
		指示灯关	50,000
开始不应期	T-100
		溢出后计数器归零	T

我们用4个节点组成无线传感器网络，用上述表格中的数据进行同步测试，其周期T分别取0.5S,1S,3S，同步测试结果如表2所示：

表2同步实验结果

周期设定值

0.5

1S

3S

同步溢出次数	1452	1027	956
				首次稳定时间	9.33s	14.07s	106.92s
平均周期	0.50s	1.0s	3.01s
				同步误差	40.10us	42.20us	38.08us

三次试验的标准差分布情况分别如图，图，图所示。

上述试验获得了在T取不同值的情况下的同步误差，由以上试验可以确定，同步试验误差基本不会超过90uS，不会小于20uS，逻辑分析仪的采样分辨率为500MHz，采样周期为0.002uS，因此逻辑分析仪获得的数据是可信的。

综上所述，通过实验验证了该方法能够对无线传感器网络节点进行同步，获得较好的同步结果。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (5)

1.一种基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，包括：

步骤1，初始化LED端口和发射模块端口，将所述LED端口和发射模块端口设定为输出，定时器清零，将无线传感器网络节点进行上电复位；

步骤2，初始化并打开外部中断，启动定时器；

步骤3，根据定时器溢出情况将单片机转入休眠模式，等待外部中断，外部中断结束时再次进入休眠模式。

2.如权利要求1所述的基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

每一个无线传感器网络节点建模为一个振荡器，并按照线性关系x=f(φ)=φ、φ∈[0,1]变化，当φ_i=1时，第i个振荡器激发，并且瞬间跳回状态φ_i＝0；同时，受其影响其余所有振荡器的状态变量增加一个增量，或者到达阈值时被激发；第i个振荡器激发后对第j个振荡器的影响为：

${\mathrm{\φ}}_i=1\⇒{\mathrm{\φ}}_j^{\′}=\min (1,{\mathrm{\φ}}_j+{\mathrm{\ϵ\φ}}_j),\∀j\≠i,$

其中，ε为耦合强度，φ′_j为调整后振荡器j的相位值。

3.如权利要求1所述的基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

步骤31，当定时器中断发生时，定时器立即清零，同时使相位自增1；根据相位的取值触发相应的事件；

步骤32，关闭节点的响应直到下一次打开响应的时间段为不应期，系统不会响应其在这段时间接收到的任何信号。

4.如权利要求1所述的基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，所述步骤3还包括：

步骤41，将相位增加1；

步骤42，如果相位大于周期，即触发一次发射，同时将计数器清零；

步骤43，如果相位等于周期T，即说明即将进行发射，此处预先关闭外部中断，不响应其他节点和自己发射的信号，即进入不应期；

步骤44，在发射结束后，开启外部中断，开始等待外部节点的溢出信号并对其进行响应；

步骤45，在发射持续一定时间后，将发射引脚置零，停止发射；

步骤46，判断现在是否应该点亮LED，此步骤在不应期之外，相位值已所述振荡器模型运算耦合强度，需要用大于运算判断。

5.如权利要求3所述的基于物理脉冲耦合的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，所述步骤3还包括：

步骤51，由当前的相位值按照

运算耦合强度，修改相位；

其中，第i个振荡器激发后对第j个振荡器进行影响，ε为耦合强度，φ′_j为调整后振荡器j的相位值；

步骤52，如果相位值大于T，将相位设为0，进入不应期，并发射信号。

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