CN103108388B - 无线传感器网络时钟同步方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及时钟同步技术，公开了一种无线传感器网络中时钟同步的方法、装置及系统，该方法包括：接收端接收发送端发送的数据报，所述数据报中包括：同步字和发送端时间戳，所述发送端时间戳是在所述发送端发送完所述同步字后捕获的；所述接收端接收完所述同步字后，捕获接收端时间戳；所述接收端计算所述接收端时间戳和所述发送端时间戳的差值；所述接收端以所述差值对接收端时钟进行校准。利用本发明，能够实现接收端和发送端的时钟同步，无需对时间戳进行单独传输，减小了传输开销，降低了功耗。
Description
技术领域
本发明涉及时钟同步技术，具体涉及一种无线传感器网络中时钟同步的方法、装置及系统。
背景技术
无线传感器网络中，节点分布式布设在一定的区域，节点的通信距离较近，数据报通过多跳转发到数据中心。此外，无线传感器网络中节点通常采用电池进行供电，为了降低能耗，节点周期性进入睡眠状态。在睡眠状态节点的无线收发器关闭，不能收发数据，只有等到节点唤醒之后才能继续收发数据。为了实现相邻节点之间的数据通信，必须要求相邻的节点在相同的时间里打开无线收发器，这就要求节点之间始终相互同步。同步精度用来表示两个节点之间时钟偏差的最大值，精度越高，则收发节点时钟偏差越小，需要的保留时隙越小，从而降低能耗。然而同步精度越高，需要交互的消息越多，也带来开销，因此需要在同步精度和同步开销之间折中。
在无线传感器网络领域已经出现了不少时钟同步方法，如参考广播时钟同步协议(referencebroadcastsynchronization，RBS)、泛洪时钟同步协议(floodingtimesynchronizationprotocol，FTSP)以及TPSN(timing-syncprotocolforsensornetworks，TPSN)等。RBS提出了一种利用广播消息实现收发节点之间同步的机制，该机制可以屏蔽发送端链路不确定性带来的时延。FTSP在RBS的基础上充分利用了MAC层时间戳机制，实现了利用广播消息完成发送端和接收端之间的同步。FTSP和RBS均采用线性回归方式处理晶体间频率偏斜和相位偏移带来的误差；然而RBS同步方法存在发送者不同步的问题，实现全网同步较为复杂；而FTSP则属于无组织的泛洪同步网络，有利于工程实现。TPSN是一种利用双向成对通信实现同步的方法，其特点在于提出了一种基于生成树的同步网络，该生成树在敌意节点存在的情形下存在较大风险，可能导致敌意节点以下分支节点完全同步失效。然而以上方法尽管具有较高的精度，但网络能耗开销较大或者依赖于具体的网络结构，未能充分利用传感器节点硬件特性以及数据传输特性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种无线传感器网络中时钟同步的方法、装置及系统，以克服现有技术中无线数据采集系统传输功耗高的缺陷，降低数据传输功耗，并进一步提高时钟同步精度。
为此，本发明实施例提供以下技术方案：
一种无线传感器网络时钟同步方法，包括：
接收端接收发送端发送的数据报，所述数据报中包括：同步字和发送端时间戳，所述发送端时间戳是在所述发送端发送完所述同步字后捕获的；
所述接收端在接收完所述同步字后，捕获接收端时间戳；
所述接收端计算所述接收端时间戳和所述发送端时间戳的差值；
所述接收端以所述差值对接收端时钟进行校准。
优选地，所述接收端接收发送端发送的数据报包括：
所述接收端接收发送端广播发送的数据报；或者
所述接收端接收发送端点对点发送的数据报。
优选地，在所述接收端计算所述接收端时间戳和所述发送端时间戳的差值前，还包括：
判断所述数据报中的校验位是否出错，如果是，则丢弃所述数据报；如果否，则将所述数据报保存。
优选地，所述发送端时间戳是在所述发送端发送完所述同步字后捕获的，具体为：
发送端发送完所述同步字后，产生一个中断，捕获所述发送端当前的时钟计数值并将所述时钟计数值转换为所述发送端时间戳。
优选地，所述接收端在接收所述同步字后，捕获接收端时间戳包括：
接收端接收完所述同步字后，产生一个中断，捕获所述接收端当前的时钟计数值并将所述时钟计数值转换为所述接收端时间戳。
一种无线传感器网络时钟同步装置，包括：
接收单元，用于接收发送端发送的数据报，所述数据报中包括：同步字和发送端时间戳，所述发送端时间戳是在所述发送端发送完所述同步字后捕获的；
时间戳生成单元，用于在所述接收单元接收完所述同步字后，生成接收端时间戳；
计算单元，用于计算所述接收端时间戳和所述发送端时间戳的差值；
校准单元，用于以所述差值对接收端时钟进行校准。
优选地，其特征在于，
所述接收单元，具体用于接收发送端广播发送的数据报；或者接收发送端点对点发送的数据报。
优选地，所述装置还包括：
保存单元，用于保存所述接收单元接收的数据报；
判断单元，用于在所述计算单元计算所述接收端时间戳和所述发送端时间戳的差值前，判断所述数据报中的校验位是否出错，如果是，则通知所述接收单元丢弃所述数据报；如果否，则通知所述保存单元保存所述数据报。
优选地，所述装置还包括：
中断产生单元，用于在所述接收单元接收完所述同步字后产生一个中断；
捕获单元，用于捕获所述中断产生单元产生中断时接收端的时钟计数值；
转换单元，用于将所述时钟计数值转换为所述接收端时间戳。
一种无线传感器网络时钟同步系统，包括：
第一传感器节点，用于发送数据报，所述数据报中包括：同步字和第一传感器节点时间戳，所述第一传感器节点时间戳是在所述第一传感器节点发送完所述同步字后捕获的；
第二传感器节点，用于接收所述第一传感器节点发送的数据报，在接收完所述同步字后捕获第二传感器节点时间戳，计算所述第二传感器节点时间戳和所述第一传感器节点时间戳的差值，并以所述差值对第二传感器节点时钟进行校准。
优选地，所述第一传感器包括：
发送单元，用于发送所述数据报；
第一中断产生单元，用于在所述发送单元发送完所述同步字后产生一个中断；
第一捕获单元，用于捕获所述第一中断产生单元产生中断时所述第一传感器节点的时钟计数值；
第一转换单元，用于将所述时钟计数值转换为第一传感器节点的时间戳；
时间戳嵌入单元，用于将所述第一传感器节点的时间戳嵌入所述数据报中。
优选地，所述第二传感器节点包括：
接收单元，用于接收所述第一传感器节点发送的数据报；
第二中断产生单元，用于在所述接收单元接收完所述同步字后产生一个中断；
第二捕获单元，用于捕获所述第二中断产生单元产生中断时第二传感器节点的时钟计数值；
第二转换单元，用于将所述时钟计数值转换为所述第二传感器节点的时间戳；
计算单元，用于计算所述第二传感器节点的时间戳和所述第一传感器节点的时间戳的差值；
校准单元，用于以所述差值对第二传感器节点的时钟进行校准。
本发明实施例的无线传感器网络中时钟同步的方法、装置及系统，通过发送端的时间戳嵌入到数据报中一起发送，将接收端时间戳与发送端时间戳进行比较和校准实现了接收端节点和发送端节点的时钟同步，无需对时间戳进行单独传输，减小了传输开销，降低了功耗；另外，本发明技术方案综合利用了硬件中断唤醒进行时钟捕获的技术，产生中断进行时钟捕获，通过底层中断的形式实现时钟同步，避免了程序调度带来的时间不确定性以及上层协议带来的不确定，达到微秒量级的时钟同步，极大提高了时钟同步精度。再次，本发明实施例接收端可以接收发送端广播发送的数据报，也可以接收发送端点对点发送的数据报，能够实现一个接收端与一个发送端的一对一时钟同步或者多个接收端与一个发送端的多对一时钟同步。
附图说明
图1是本发明实施例无线传感器网络时钟同步方法的流程图；
图2是本发明实施例无线传感器网络时钟方法中的数据报报文格式图；
图3是本发明实施例无线传感器网络时钟同步装置的结构示意图；
图4是本发明实施例无线传感器网络时钟同步系统的结构示意图；
图5是本发明实施例无线传感器网络时钟同步的原理图；
图6是本发明实施例无线传感器网络时钟同步的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，是本发明实施例时钟同步方法的流程图，包括以下步骤：
步骤101：接收端接收发送端发送的数据报，数据报包括：同步字和发送端时间戳，发送端时间戳是在发送端发送完同步字后捕获的。
在本发明实施例中，数据报可以由前导码、同步字、地址、负载、时间戳组成，如图2所示。前导码用于接收端和发送端之间的位同步，当接收端接收到前导码之后即可实现位同步。同步字用于接收端和发送端之间的数据帧同步，该同步字表示数据报的开始。地址域表示接收端的地址，用于指定接收端，具体地，可以为目的广播地址或者目的节点地址。负载域为实际发送的内容。时间戳由时钟计数值转换而成，用于标识时间段的长度。另外，数据报还可以包括长度或校验位，长度字段表示整个数据报报文的长度，校验位用于校验整个数据报传输过程中是否出错。具体地，前导码的长度可以为4个字节，同步字的长度可以为4个字节，长度域可以为1个字节，地址域可以为1个字节，负载长度为可变长度，时间戳的长度可以为4个字节，校验位的长度可以为2个字节。但是，前导码、同步字、长度、地址、负载、时间戳以及校验位的长度不局限于此，字节长度可以灵活调节。前导码、同步字、长度、地址、负载、时间戳以及校验位可以由“1010”构成的二进制序列组成，也可以采用本领域技术人员熟知的其他形式的数据组成。
需要说明的是，接收端可以接收发送端通过在数据报中使用目的广播地址广播发送的数据报，实现多个接收端与一个发送端的多对一时钟同步；也可以接收发送端通过在数据报中使用目的节点地址点对点发送的数据报，实现一个接收端与一个发送端的一对一时钟同步。
在本发明实施例中，发送端发送完同步字后，产生一个中断，捕获发送端当前的时钟计数值并将发送端当前的时钟计数值转换为发送端时间戳。将发送端时间戳嵌入到数据报中一起发送，无需对时间戳进行单独传输，减小了传输数据报的开销。
步骤102：接收端接收完同步字后，捕获接收端的时间戳。
具体地，接收端接收完发送端发送的同步字后，产生一个中断，捕获接收端当前的时钟计数值，并将接收端当前的时钟计数值转换为接收端时间戳。
本发明其它实施例中，时钟计数值可以转化为具体的时间值，如分、秒、微秒等，也可以将时钟计数值直接作为时间戳。
具体地，该方法还可以包括以下步骤：
接收端判断发送端发送的数据报的校验位是否出错，如果是，丢弃数据报；如果否，将数据报保存。
需要说明的是，上述具体步骤也可以在步骤102之前进行，步骤执行顺序更换后仍在本发明的保护范围内。
步骤103：接收端计算接收端时间戳和发送端时间戳的差值。
本发明实施例中，接收端可以将接收端时间戳和发送端时间戳相减，得到两者之间的差值。
步骤104：接收端以上述差值对接收端时钟进行校准。
接收端可以将接收端时间戳和步骤103得到的差值相加或者相减对接收端时钟进行校准，使接收端时钟与发送端时钟相等。
需要说明的是，本发明实施例中，上述无线传感器网络时钟同步可以以固定的时间间隔进行，即发送端以固定的时间间隔发送数据报，接收端也以该固定的时间间隔接收发送端发送的数据报，并对发送端时钟进行校准。例如，发送端可以每间隔10秒、50秒、100秒发送一次数据报，接收端相应地每间隔10秒、50秒、100秒对发送端时钟进行一次校准。
本发明技术方案通过发送端的时间戳嵌入到数据报中一起发送，将接收端时间戳与发送端时间戳进行比较和校准实现了接收端节点和发送端节点的时钟同步，无需对时间戳进行单独传输，减小了传输开销，降低了功耗；另外，本发明实施例接收端可以接收发送端广播发送的数据报，也可以接收发送端点对点发送的数据报，能够实现一个接收端与一个发送端的一对一时钟同步或者多个接收端与一个发送端的多对一时钟同步。
相应地，本发明实施例还提供一种无线传感器网络时钟同步装置，如图3所示，是该装置300的结构示意图。
在该实施例中，无线传感器网络时钟同步装置包括接收单元301、时间戳生成单元302、计算单元303和校准单元304，其中：
接收单元301，用于接收发送端发送的数据报，该数据报中包括：同步字和发送端时间戳，发送端时间戳是在发送端发送完同步字后捕获的；
时间戳生成单元302，用于在接收单元301接收完同步字后，生成接收端时间戳；
计算单元303，用于计算接收端时间戳和发送端时间戳的差值；
校准单元304，用于以接收端时间戳和发送端时间戳的差值对接收端时钟进行校准。
具体地，接收单元301可以接收发送端通过在数据报中使用目的广播地址广播发送的数据报，实现多个接收端与一个发送端的多对一时钟同步；也可以接收发送端通过在数据报中使用目的节点地址点对点发送的数据报，实现一个接收端与一个发送端的一对一时钟同步。
本发明实施例中，该装置还可以包括：保存单元和判断单元，其中：
保存单元，用于保存接收单元301接收的数据报；
判断单元，用于在计算单元303计算接收端时间戳和发送端时间戳的差值前，判断数据报中的校验位是否出错，如果是，则通知接收单元101丢弃该数据报，如果否，则通知保存单元保存该数据报。
校准单元304以该差值对接收端时钟进行校准。
需要说明的是，该装置还可以包括：
发送单元，用于发送数据报。本发明实施例还提供一种无线传感器网络时钟同步系统，如图4所示，是该系统400的结构示意图。
在该实施例中，无线传感器网络时钟同步系统包括第一传感器节点401和第二传感器节点402，其中：
第一传感器节点401，用于发送数据报，数据报中包括：同步字和第一传感器节点的时间戳，第一传感器节点的时间戳是在第一传感器节点401发送完同步字后捕获的；
第二传感器节点402，用于接收第一传感器节点401发送的数据报，在接收完同步字后捕获第二传感器节点时间戳，计算第二传感器节点时间戳和第一传感器节点时间戳的差值，并以该差值对第二传感器节点402时钟进行校准。
具体地，第一传感器节点401包括：
发送单元，用于发送数据报；
第一中断产生单元，用于在发送单元发送完同步字后产生一个中断；
第一捕获单元，用于捕获第一中断产生单元产生中断时第一传感器节点的时钟计数值；
第一转换单元，用于将上述时钟计数值转换为第一传感器节点时间戳；
时间戳嵌入单元，用于将第一传感器节点时间戳嵌入数据报中。
第二传感器节点402包括：
接收单元，用于接收第一传感器节点401发送的数据报；
第二中断产生单元，用于在接收单元接收完同步字后产生一个中断；
第二捕获单元，用于捕获第二中断产生单元产生中断时第二传感器节点402的时钟计数值；
第二转换单元，用于将时钟计数值转换为第二传感器节点时间戳；
计算单元，用于计算第二传感器节点时间戳和第一传感器节点时间戳的差值；
校准单元，用于以上述差值对第二传感器节点402时钟进行校准。
具体地，第二传感器节点402还可以包括：
发送单元，用于发送数据报。
另外，第一传感器节点401还可以包括：
接收单元，用于接收第二传感器节点402发送的数据报；
计算单元，用于计算第一传感器节点的时间戳和第二传感器节点的时间戳的差值；
校准单元，用于以上述差值对第一传感器节点401的时钟进行校准。
需要说明的是，第一传感器节点401和第二传感器节点402可以采用相同的装置，也可以采用不同的装置。例如，第一传感器节点401和第二传感器节点402可以均采用基本结构如图3所示的装置。
本发明技术方案综合利用了硬件中断唤醒进行时钟捕获的技术，产生中断进行时钟捕获，通过底层中断的形式实现时钟同步，避免了程序调度带来的时间不确定性以及上层协议所带来的不确定，达到微秒量级的时钟同步，极大提高了时钟同步精度。
下面结合附图5和6(本发明实施例无线传感器网络时钟同步的原理图和连接示意图)对本发明技术方案进行详细说明。第一传感器节点401和第二传感器节点402均采用低功耗的MSP430芯片和470MHz频段的CC1100E芯片，MSP430芯片采用8MHz的晶体振荡器作为时钟源，每次振荡所需时间为125纳秒，MSP430芯片内部具有时钟计数器。MSP430芯片能够记录晶体振荡器振荡的次数，晶体振荡器每次振荡后MSP430芯片相应计数器的值增加1，因此时钟计数值代表了时间段的长度。
第一传感器节点401中的CC1100E芯片依次发送数据报中的前导码、同步字、长度、地址、负载和时间戳。当发送完同步字后，第一传感器节点401中的CC1100E芯片上的第一中断引脚(GDO0)产生一次中断，CC1100E芯片产生一个中断信号并将中断信号发送到第一传感器401中的MSP430芯片。MSP430芯片接收到中断信号后立即进行时钟捕获，捕获MSP430芯片中32位的时钟计数值并记录来，MSP430芯片将该时钟计数值通过SPI口发送给第一传感器节点401中的CC1100E芯片，通过第一转换单元将该时间计数值转换成第一传感器节点时间戳，并通过时间戳嵌入单元将第一传感器时间戳嵌入到数据报中。在本发明实施例中SPI接口包括：CSn(chipselect，片选信号)、SIMO(slaveinputmasteroutput，从设备输入主设备输出)、SOMI(slaveoutputmasterinput，从设备输出主设备输入)、SCLK(clock，时钟引脚)。第一传感器节点401中的CC1100E芯片将包含第一传感器节点时间戳的数据报通过无线发送给第二传感器节点402，并且第一传感器节点401中的CC1100E芯片自动生成校验位，跟在第一传感器节点时间戳之后发送给第二传感器节点402。
第二传感器节点402中的CC1100E芯片一直处于侦听状态，当接收到第一传感器节点401发送的前导码时可以完成第二传感器节点402和第一传感器节点401之间的位同步，当接收完同步字完成数据帧同步之后，第二传感器节点402中的CC1100E芯片上的第二中断引脚(GDO1)产生一次中断，第二传感器节点402中的CC1100E芯片立即产生一个中断信号，并将该中断信号发送到第二传感器节点402中的MSP430芯片。MSP430芯片接收到中断信号后，立即进行时钟捕获，捕获MSP430中32位的时钟计数值并记录下来，通过转换单元将该时钟计数值转换成第二传感器节点时间戳。第二传感器节点402中的MSP430芯片将第二传感器节点时间戳通过SPI口发送给第二传感器节点402中的CC1100E芯片。
当第二传感器节点中的CC1100E芯片完成整个数据报接收后，第二传感器节点402中的判断单元判断数据报中校验位是否出错，如果是则通知接收单元丢弃数据报，反之则通过保存单元将数据报保存。
第二传感器节点402中的接收单元从接收到的数据报中提取出第一传感器节点时间戳，计算单元将第二传感器节点时间戳与第一传感器节点时间戳相减，得到两者的差值。
第二传感器节点402中的校准单元以该差值对第二传感器节点402的时钟进行校准，使其与第一传感器节点401的时钟相等。
需要说明的是，本发明技术方案的实现不局限于采用上述芯片，也可以采用本领域技术人员熟悉的其他类型的芯片。本发明中，时钟计数值不局限于上述实施例提到的32位，也可以是16或者64位等。
本发明技术方案通过发送端的时间戳嵌入到数据报中一起发送，将接收端时间戳与发送端时间戳进行比较和校准实现了接收端和发送端的时钟同步，无需对时间戳进行单独传输，减小了传输开销，降低了功耗；另外，本发明技术方案综合利用了硬件中断唤醒进行时钟捕获的技术，产生中断进行时钟捕获，通过底层中断的形式实现时钟同步，避免了程序调度带来的时间不确定性以及上层协议所带来的不确定，达到微秒量级的同步，极大提高了时钟同步精度。再次，本发明实施例接收端可以接收发送端广播发送的数据报，也可以接收发送端点对点发送的数据报，能够实现一个接收端与一个发送端的一对一时钟同步或者多个接收端与一个发送端的多对一时钟同步。
Claims (5)
1.一种无线传感器网络时钟同步方法，其特征在于，包括：
接收端接收发送端发送的数据报，所述数据报中包括：同步字和发送端时间戳，所述发送端时间戳是在所述发送端发送完所述同步字后捕获的，具体为：发送端发送完所述同步字后，产生一个中断，捕获所述发送端当前的时钟计数值并将所述时钟计数值转换为所述发送端时间戳；
所述接收端接收完所述同步字后，捕获接收端时间戳，包括：接收端接收完所述同步字后，产生一个中断，捕获所述接收端当前的时钟计数值并将所述时钟计数值转换为所述接收端时间戳；
所述接收端计算所述接收端时间戳和所述发送端时间戳的差值；
所述接收端以所述差值对接收端时钟进行校准；
在所述接收端计算所述接收端时间戳和所述发送端时间戳的差值前，还包括：
判断所述数据报中的校验位是否出错，如果是，则丢弃所述数据报；如果否，则将所述数据报保存。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收端接收发送端发送的数据报包括：
所述接收端接收发送端广播发送的数据报；或者
所述接收端接收发送端点对点发送的数据报。
3.一种无线传感器网络时钟同步装置，其特征在于，包括：
接收单元，用于接收发送端发送的数据报，所述数据报中包括：同步字和发送端时间戳，所述发送端时间戳是在所述发送端发送完所述同步字后捕获的；
时间戳生成单元，用于在所述接收单元接收完所述同步字后，生成接收端时间戳；
计算单元，用于计算所述接收端时间戳和所述发送端时间戳的差值；
校准单元，用于以所述差值对接收端时钟进行校准；
所述装置还包括：
中断产生单元，用于在所述接收单元接收完所述同步字后产生一个中断；
捕获单元，用于捕获所述中断产生单元产生中断时接收端的时钟计数值；
转换单元，用于将所述时钟计数值转换为所述接收端时间戳；
保存单元，用于保存所述接收单元接收的数据报；
判断单元，用于在所述计算单元计算所述接收端时间戳和所述发送端时间戳的差值前，判断所述数据报中的校验位是否出错，如果是，则通知所述接收单元丢弃所述数据报；如果否，则通知所述保存单元保存所述数据报。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述接收单元，具体用于接收发送端广播发送的数据报；或者接收发送端点对点发送的数据报。
5.一种无线传感器网络时钟同步系统，其特征在于，包括：
第一传感器节点，用于发送数据报，所述数据报中包括：同步字和第一传感器节点时间戳，所述第一传感器节点时间戳是在所述第一传感器节点发送完所述同步字后捕获的；
第二传感器节点，用于接收所述第一传感器节点发送的数据报，在接收完所述同步字后捕获第二传感器节点时间戳，判断所述数据报中的校验位是否出错，如果是，则丢弃所述数据报；如果否，则将所述数据报保存；计算所述第二传感器节点时间戳和所述第一传感器节点时间戳的差值，并以所述差值对第二传感器节点时钟进行校准，
所述第一传感器节点包括：
发送单元，用于发送所述数据报；
第一中断产生单元，用于在所述发送单元发送完所述同步字后产生一个中断；
第一捕获单元，用于捕获所述第一中断产生单元产生中断时所述第一传感器的时钟计数值；
第一转换单元，用于将所述时钟计数值转换为第一传感器时间戳；
时间戳嵌入单元，用于将所述第一传感器节点时间戳嵌入所述数据报中，所述第二传感器节点包括：
接收单元，用于接收所述第一传感器节点发送的数据报；
第二中断产生单元，用于在所述接收单元接收完所述同步字后产生一个中断；
第二捕获单元，用于捕获所述第二中断产生单元产生中断时第二传感器节点的时钟计数值；
第二转换单元，用于将所述时钟计数值转换为所述第二传感器时间戳；
计算单元，用于计算所述第二传感器节点时间戳和所述第一传感器节点时间戳的差值；
校准单元，用于以所述差值对第二传感器节点时钟进行校准。
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