CN103501533B - 基于时限指令的分布式协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时限指令的分布式协同控制方法，其具体包括：按需构建协同控制的时限指令报文；传输时限指令报文到目的节点并逐跳转换报文内时间信息；目的节点按时限指令执行协同控制动作。本发明基于时限指令的分布式协同控制方法通过在整个多跳网络采用分布式的方式进行节点之间的协同控制，实现了相对真实时间内同时运行工作的目的，完成了节点之间的协同控制；在目的节点判断所接收的时限指令报文是否有效，丢弃无效的报文信息，减少了节点的工作运行能耗，因此，本发明的方法具有实现方案简单、通信开销小、动态性好、节点能耗小等优点，能够适应不同网络拓扑架构以及动态性要求高的多跳网络。

Description

基于时限指令的分布式协同控制方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种基于时限指令的分布式协同控制方法的设计。

背景技术

多跳网络有广泛的应用背景，由于单节点的能力通常非常有限，在许多应用场景中都需要多个节点协同工作来完成特定任务，但由于多跳网络存在同步困难和通信延迟较大的缺点，如何保证多个节点同时动作常常存在挑战。例如，在无线传感器网络中，传感器节点通过无线通信的方式实现各个节点的数据采集、数据融合和数据传输，无线传感器网络通过多个传感器节点的协作进行监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息，继而将这些信息传输给用户服务器，同时可以由服务器触发或感知到事件发生的特定节点触发，以控制多个节点的同步动作。虽然目前人们已经提出了许多协同控制方法，但大都对拓扑、动态性有较多限制，且不能适应较大规模的网络。

现有技术中，2010年IEEE国际会议公开了一篇论文“无线传感器网络中工业自动化的分布式协同控制方法”，英文信息为“JimingChen,XianghuiCao,PengCheng,YangXiao,YouxianSun,“DistributedCollaborativeControlforIndustrialAutomationWithWirelessSensorandActuatorNetworks”,IndustrialElectronics,IEEETransactionsonVolume:57,Issue:12,pp.4219–4230,2010.”文中通过在每个节点本地进行信息交换处理，然后将信息发送到最终处理节点来完成无线传感器网络中工业自动化的分布式协同控制。该方法在本地节点处理交换信息，导致本地节点运算开销大、能耗大，因而当无线传感器网络中节点增多、规模变大、处理信息增多时，节点能耗快速增大，且通信开销急剧增大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有协同控制方法中存在的通信开销大、动态适应性差、节点能耗大等缺点，提出了一种基于时限指令的分布式协同控制方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：基于时限指令的分布式协同控制方法，具体包括：

步骤1、按需构建协同控制的时限指令报文：

每个本地节点i都拥有自己独立的本地时钟，当本地节点i受到触发需要协同其他节点进行控制时，且本地节点i与邻居节点j之间存在通信，构建本地节点i与邻居节点j之间的时限指令报文，本地节点i向邻居节点j发送时限指令报文时均采用自己的本地时钟时间进行发送，本地节点i接收来自邻居节点j所发送过来的时限指令报文时，将时限指令报文中所携带的时钟时间转换成自身的本地时钟时间，完成本地节点i与邻居节点j之间时限指令的时间同步；

所述时限指令报文包括：本地节点i的ID编号、邻居节点j的ID编号、本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij、邻居节点j的触发条件信息、本地节点i的触发时间信息TM，其中所述触发时间信息TM是一个时间段，由协同控制开始时间和终止时间构成；

步骤2、传输时限指令报文到目的节点并逐跳转换报文内时间信息：

当本地节点i被触发，且本地节点i与目的节点存在通信时，本地节点i构建与目的节点之间的时限指令报文，本地节点i向目的节点发送时限指令报文时均采用自己的本地时钟时间进行发送，本地节点i接收来自目的节点所发送过来的时限指令报文时，将时限指令报文中所携带的时钟时间转换成自身的本地时钟时间，完成本地节点i与目的节点之间时限指令的时间同步；

所述时限指令报文包括：本地节点i的ID编号、目的节点的ID编号、本地节点i与目的节点的时钟差异D_ij、目的节点的触发条件信息、本地节点i的触发时间信息TM，其中所述触发时间信息TM是一个时间段，由协同控制开始时间和终止时间构成；

步骤3、目的节点按时限指令执行协同控制动作：

通过上述步骤2完成所有与本地节点i存在通信的目的节点的时间同步，获得目的节点的本地时钟时间T_j，并在目的节点提取来自本地节点i的时限指令报文中的目的节点的触发条件信息、本地节点i的触发时间信息TM，所述目的节点的触发时间信息TM_j即为本地节点i的触发时间信息TM；

结合在目的节点接收到的时限指令报文中所提取的目的节点的触发条件信息，在触发时间信息TM_j时刻内完成所有有效的目的节点的分布式协同控制工作。

进一步的，在所述步骤3中，如果目的节点的本地时钟时间T_j早于在目的节点接收到的时限指令报文中所提取的目的节点的触发时间信息TM_j中的开始时间，则表示目的节点有效，在触发时间信息TM_j中的开始时间进行协同控制；如果目的节点的本地时钟时间T_j晚于开始时间而早于终止时间，则表示目的节点有效，并在接收到时限指令报文的时刻进行协同控制；如果目的节点的本地时间T_j晚于触发时间信息TM_j中的终止时间，则表示在目的节点所收到的时限指令报文的触发时间已经不具备有效性，目的节点将此无效的时限指令报文丢弃。

进一步的，所述步骤1中本地节点i与邻居节点j之间的时间同步过程为：邻居节点j接收本地节点i的时限指令报文，提取时限指令报文中本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij，邻居节点j的时钟时间T_j等于本地节点i的时钟时间T_i加上本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij，实现本地节点i与邻居节点j之间时限指令的时间同步。

进一步的，所述每个本地节点i用一个时间同步列表结构来维护本地节点i与邻居节点j之间的时钟差异D_ij。

进一步的，所述时钟差异D_ij是根据过去的至少两次的测试值对未来值进行预测得到，本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j，所述T_i和T_j存在如下同步关系：

其中t_j为邻居节点j对应的任意时刻，a_i和a_j为两节点时钟频率漂移参数。

更进一步的，当本地节点i与邻居节点j的时钟频率一致时，两节点的时钟频率漂移参数也相等，则本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间T_i和T_j的同步关系为：T_i＝T_j-D_ij。

进一步的，所述时限指令报文不依赖于节点之间交互报文信息的传输路由，独立于节点之间的交互报文信息。

本发明的有益效果：本发明基于时限指令的分布式协同控制方法通过在整个多跳网络采用分布式的方式进行节点之间的协同控制，只有当本地节点受到触发且本地节点与邻居节点之间存在通信的时候才会构建时限指令报文，时限指令报文的传输路径不依赖于传统的通信路由机制，可以由源节点直接发送到目的节点；在通过时限指令报文完成网络中节点之间的协同控制，每个本地节点将所接收的时限指令报文中携带的时间信息转换成自己的本地时钟时间，完成节点之间的时间同步，同时通过时限指令报文中携带的触发条件和触发节点信息，实现了相对真实时间内同时运行工作的目的，完成了节点之间的协同控制；此外在目的节点判断所接收的时限指令报文是否有效，丢弃无效的报文信息，减少了节点的工作运行能耗，因此，本发明的方法具有实现方案简单、通信开销小、动态性好、节点能耗小等优点，能够适应不同网络拓扑架构以及动态性要求高的多跳网络，特别是在不同步或同步代价比较大的网络里,能以较小的开销实现分布式协同控制。

附图说明

图1为本发明实施例的基于时限指令的分布式协同控制方法的流程框图；

图2为本发明实施例的基于时限指令的分布式协同控制方法的分布式网络的协同控制示意图；

图3为本发明实施例的基于时限指令的分布式协同控制方法的带校正的网络协同控制示意图；

图4为本发明实施例的基于时限指令的分布式协同控制方法中多媒体传感器网络中控制多个视频采集模块实现协同控制的过程。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明设定的环境是在一个具有不同网络拓扑和动态的多跳网络当中，例如无线传感器网络、多媒体传感器网络或者多跳无线局域网络，将网络中任意两个节点中的一个作为本地节点i，另一个作为邻居节点j，需要说明的是：本地节点i和邻居节点j只是传输路径上人为进行定义的，本发明中的目的节点作为传输路径的终点，可以由本地节点i通过多个邻居节点j的时间同步达到与本地节点i同步的目的，下面通过具体的实施过程对本发明中本地节点i和邻居节点j的基于时限指令的分布式协同控制方法进行详细描述。

如图1所示为本发明实施例的基于时限指令的分布式协同控制方法的流程框图，其具体包括，

步骤1、按需构建协同控制的时限指令报文：

每个本地节点i都拥有自己独立的本地时钟，当本地节点i受到触发需要协同其他节点进行控制时，且本地节点i与邻居节点j之间存在通信，构建本地节点i与邻居节点j之间的时限指令报文，本地节点i向邻居节点j发送时限指令报文时均采用自己的本地时钟时间进行发送，本地节点i接收来自邻居节点j所发送过来的时限指令报文时，将时限指令报文中所携带的时钟时间转换成自身的本地时钟时间，完成本地节点i与邻居节点j之间时限指令的时间同步；

所述时限指令报文包括：本地节点i的ID编号、邻居节点j的ID编号、本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij、邻居节点j的触发条件信息、本地节点i的触发时间信息TM，其中所述触发时间信息TM是一个时间段，由协同控制开始时间和终止时间构成；

其中，所述“按需”创建时限指令报文是指时限指令报文的构建过程，通过按需构建时限指令报文来减少多跳网络的通信开销，具体是指在本地节点i受到触发，且本地节点i与邻居节点j之间存在通信的条件下才会构建与邻居节点j的时限指令报文，所述时限指令报文是辅助本地节点i与邻居节点j进行协同控制的报文信息。

步骤2、传输时限指令报文到目的节点并逐跳转换报文内时间信息：

当本地节点i被触发，且本地节点i与目的节点存在通信时，本地节点i构建与目的节点之间的时限指令报文，本地节点i向目的节点发送时限指令报文时均采用自己的本地时钟时间进行发送，本地节点i接收来自目的节点所发送过来的时限指令报文时，将时限指令报文中所携带的时钟时间转换成自身的本地时钟时间，完成本地节点i与目的节点之间时限指令的时间同步；

所述时限指令报文包括：本地节点i的ID编号、目标节点的ID编号、本地节点i与目的节点的时钟差异D_ij、目的节点的触发条件信息、本地节点i的触发时间信息TM，其中所述触发时间信息TM是一个时间段，由协同控制开始时间和终止时间构成；

在无线传感器网络中每个本地节点i都拥有自己独立的本地时钟来维护自己的本地时钟的步进节奏，所述本地节点的本地时钟时间为T_i，邻居节点的本地时钟时间为T_j，在本地节点i向邻居节点j发送时限指令报文时均采用自己的本地时钟时间进行发送，而本地节点i在接收来自邻居节点j所发送过来的报文时，会将时限指令报文中所携带的时钟时间转换成自身的本地时钟时间，这样在发送时限指令报文时均采用的是发送节点的时钟时间，而在接收报文时均转换成接收节点的始终时间，从而保证了节点之间时钟时间的准确性。

所述时限指令报文通过完成本地节点i与目的节点之间的时间同步，进而完成本地节点i与目的节点j之间的协同控制。由于多跳网络中的每个节点都可以互相作为本地节点i和邻居节点j，因此不断重复上述步骤1和步骤2，每个节点收到时限指令报文时都可以将报文中包含的邻居节点j的时钟时间转换为本地时钟时间，从而能够实现整个无线传感器网络中所有存在通信的节点之间的时间同步。

其中，本地节点i与邻居节点j之间的时间同步过程为：邻居节点j接收本地节点i的时限指令报文，提取时限指令报文中本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij，邻居节点j的时钟时间T_j等于本地节点i的时钟时间T_i加上本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij，实现本地节点i与邻居节点j之间的时间同步。

步骤3、目的节点按时限指令执行协同控制动作：

通过上述步骤2完成所有与本地节点i存在通信的目的节点的时间同步，获得目的节点的本地时钟时间T_j，并在目的节点提取来自本地节点i的时限指令报文中的目的节点的触发条件信息、本地节点i的触发时间信息TM，所述目的节点的触发时间信息TM_j即为本地节点i的触发时间信息TM；

结合在目的节点接收到的时限指令报文中所提取的目的节点的触发条件信息，在触发时间信息TM_j时刻内完成所有有效的目的节点的分布式协同控制工作。如果目的节点的本地时钟时间T_j早于在目的节点接收到的时限指令报文中所提取的目的节点的触发时间信息TM_j中的开始时间，则表示目的节点有效，在触发时间信息TM_j中的开始时间进行协同控制；如果目的节点的本地时钟时间T_j晚于开始时间而早于终止时间，则表示目的节点有效，并在接收到时限指令报文的时刻进行协同控制；如果目的节点的本地时间T_j晚于触发时间信息TM_j中的终止时间，则表示在目的节点所收到的时限指令报文的触发时间已经不具备有效性，目的节点将此无效的时限指令报文丢弃。

在本发明申请方案中，所述每个本地节点i用一个时间同步列表结构来维护本地节点i与邻居节点j之间的时钟差异D_ij，所述时钟差异D_ij是是根据过去的至少两次的测试值对未来值进行预测得到，本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j，所述T_i和T_j存在如下同步关系：

其中t_j为邻居节点j对应的任意时刻，a_i和a_j为两节点时钟频率漂移参数，当本地节点i与邻居节点j的时钟频率一致时，两节点的时钟频率漂移参数也相等，则本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间T_i和T_j的同步关系简化为：T_i＝T_j-D_ij。

为了本领域技术人员能够理解并且实施本发明技术方案，下面通过三个具体的实施例对本发明基于时限指令的分布式协同控制方法做进一步的阐述。

实施例1：如图2所示为分布式网络的协同控制示意图，图中虚线表示时限指令报文同步路径，实线表示通信路径，在图2所示的分布式网络中，节点A处发生了一个时间敏感的触发事件，节点A需要联合节点B、节点C、节点D、节点E在现实时间中某一时刻T同时完成对该事件的处理工作，节点A需要经过节点B才能完成与节点E之间的通信，同时节点A需要经过节点B、节点C才能完成与节点D之间的通信；节点A受到触发，由于节点A仅与节点B存在通信，因此基于节点A的本地时钟时间构建1个时限指令报文，时限指令报文信息为：节点A的ID编号、节点B的ID编号、节点A与节点B之间的时钟差异D_AB、节点B的触发条件信息、节点A预计触发时间信息Tm等内容。节点B收到来自于节点A的时限指令报文后，将节点B自身的本地时钟时间调整成与节点A同步的时间，继而由于节点B与节点E和节点C两个节点存在通信，因此基于节点B的本地时钟时间构建2个时限指令报文，此时节点B已经与节点A完成时间同步；发送给节点C的时限指令报文信息为：节点B的ID编号、节点C的ID编号、节点B与节点C之间的时钟差异D_BC、节点C的触发条件信息、节点B(即节点A)预计触发时间信息Tm等内容；发送给节点E的时限指令报文信息为：节点B的ID编号、节点E的ID编号、节点B与节点E之间的时钟差异D_BE、节点E的触发条件信息、节点B(即节点A)预计触发时间信息Tm等内容。

节点C和节点E收到来自节点B的时限指令报文后，将节点自身的本地时钟时间调整成与节点B同步的时间，通过如上过程继续完成节点C与节点D之间的时间同步，此时整个网络中存在通信的节点A、节点B、节点C、节点D、节点E之间已完成时间同步，每个节点根据时限指令报文中携带的节点触发条件和节点预计触发时间信息Tm，在此实例中，假设所有节点的本地时间均早于(小于)节点预计触发时间信息Tm，即此时所有时限指令报文均具有有效性，那么在相对于现实时间同一时刻T，即相对为节点A的Tm时刻，同时运行节点A～E，完成节点之间的协同控制。

实施例2：如图3所示为带校正的网络协同控制示意图，其实例情景如实例1所描述，在本实例中，按照实例1的方法通过时限指令报文完成节点A、节点B、节点C、节点D、节点E之间的时间同步，每个节点均提取时限指令报文中所携带的节点触发条件和节点预计触发时间信息Tm，在此实例中，节点A、节点B、节点C、节点D四个节点的本地时间均早于(小于)节点预计触发时间信息Tm，即此四条时限指令报文具有有效性；而由于网络拥塞等原因，导致在节点E所获得时限指令报文中，节点E的本地时间均晚于(大于)节点预计触发时间信息Tm，即节点E所获得的时限指令报文具备无效性，则丢弃此时限指令报文。此时，在在相对于现实时间同一时刻T(相对为节点A的Tm时刻)同时运行节点A～D，完成节点之间的协同控制，而节点E由于时限指令报文的无效性，不参与节点之间的协同控制。

实施例3：如图4所示为本发明申请方案在具体的多媒体传感器网络中控制多个视频采集模块实现协同控制的过程：在多媒体传感器网络中，普通节点通过红外或者压力反应到监测目标存在时，基于节点的本地时钟时间，创建一个时限指令报文，并将这个报文发送给与其通信的其他节点，通过多跳的方式完成时限指令报文的传输，最终完成对视频采集模块的协同控制。当普通传感器节点A感应到监测目标存在时，基于节点A的本地时钟时间构造一个时限指令报文，由于节点A仅与节点B存在通信，故时限指令报文信息为：节点A的ID编号、节点B的ID编号、节点A与节点B之间的时钟差异D_AB、节点B的触发条件信息、节点A预计触发时间信息Tm等内容。节点B收到来自于节点A的时限指令报文后，将节点B自身的本地时钟时间调整成与节点A同步的时间。依次方式完成普通传感器节点C与节点B之间的时限指令报文的交互，进而完成普通节点与双模传输节点之间的时限指令报文交互。每个节点收到时限指令报文时，都将相应的启动时刻与终止时刻转换为相对本地时钟的表示。收到命令的双模传输节点判断自己所连接的视频采集模块是否能够在终止时刻前完成命令。如果能满足时限要求，就唤醒或激活视频采集模块，并在启动时刻到来时，启动视频采集，并传输到任一控制中心节点。如果不能满足时限要求或重复收到相同的指令，就忽略该指令。从而，每个节点都能根据自己的本地时钟时间处理收到的时限指令，从而实现完全分布式协同监控。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于时限指令的分布式协同控制方法，其特征在于，具体包括：

步骤1、按需构建协同控制的时限指令报文：

每个本地节点i都拥有自己独立的本地时钟，当本地节点i受到触发需要协同其他节点进行控制时，且本地节点i与邻居节点j之间存在通信，构建本地节点i与邻居节点j之间的时限指令报文，本地节点i向邻居节点j发送时限指令报文时均采用自己的本地时钟时间进行发送，本地节点i接收来自邻居节点j所发送过来的时限指令报文时，将时限指令报文中所携带的时钟时间转换成自身的本地时钟时间，完成本地节点i与邻居节点j之间时限指令的时间同步；

所述时限指令报文包括：本地节点i的ID编号、邻居节点j的ID编号、本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij、邻居节点j的触发条件信息、本地节点i的触发时间信息TM，其中所述触发时间信息TM是一个时间段，由协同控制开始时间和终止时间构成；

步骤2、传输时限指令报文到目的节点并逐跳转换报文内时间信息：

当本地节点i被触发，且本地节点i与目的节点存在通信时，本地节点i构建与目的节点之间的时限指令报文，本地节点i向目的节点发送时限指令报文时均采用自己的本地时钟时间进行发送，本地节点i接收来自目的节点所发送过来的时限指令报文时，将时限指令报文中所携带的时钟时间转换成自身的本地时钟时间，完成本地节点i与目的节点之间时限指令的时间同步；

所述时限指令报文包括：本地节点i的ID编号、目的节点的ID编号、本地节点i与目的节点的时钟差异D_ij、目的节点的触发条件信息、本地节点i的触发时间信息TM，其中所述触发时间信息TM是一个时间段，由协同控制开始时间和终止时间构成；

步骤3、目的节点按时限指令执行协同控制动作：

通过上述步骤2完成所有与本地节点i存在通信的目的节点的时间同步，获得目的节点的本地时钟时间T_j，并在目的节点提取来自本地节点i的时限指令报文中的目的节点的触发条件信息、本地节点i的触发时间信息TM，所述目的节点的触发时间信息TM_j即为本地节点i的触发时间信息TM；

结合在目的节点接收到的时限指令报文中所提取的目的节点的触发条件信息，在触发时间信息TM_j时刻内完成所有有效的目的节点的分布式协同控制工作；如果目的节点的本地时钟时间T_j早于在目的节点接收到的时限指令报文中所提取的目的节点的触发时间信息TM_j中的开始时间，则表示目的节点有效，在触发时间信息TM_j中的开始时间进行协同控制；如果目的节点的本地时钟时间T_j晚于开始时间而早于终止时间，则表示目的节点有效，并在接收到时限指令报文的时刻进行协同控制；如果目的节点的本地时间T_j晚于触发时间信息TM_j中的终止时间，则表示在目的节点所收到的时限指令报文的触发时间已经不具备有效性，目的节点将此无效的时限指令报文丢弃。

2.如权利要求1所述的基于时限指令的分布式协同控制方法，其特征在于，所述步骤1中本地节点i与邻居节点j之间的时间同步过程为：邻居节点j接收本地节点i的时限指令报文，提取时限指令报文中本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij，邻居节点j的时钟时间T_j等于本地节点i的时钟时间T_i加上本地节点i与邻居节点j的时钟差异D_ij，实现本地节点i与邻居节点j之间的时间同步。

3.如权利要求1所述的基于时限指令的分布式协同控制方法，其特征在于，所述每个本地节点i用一个时间同步列表结构来维护本地节点i与邻居节点j之间的时钟差异D_ij。

4.如权利要求3所述的基于时限指令的分布式协同控制方法，其特征在于，所述时钟差异D_ij是根据过去的至少两次的测试值对未来值进行预测得到，本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间为T_i和T_j，所述T_i和T_j存在如下同步关系：

其中t_j为邻居节点j对应的任意时刻，a_i和a_j为两节点时钟频率漂移参数。

5.如权利要求4所述的基于时限指令的分布式协同控制方法，其特征在于，当本地节点i与邻居节点j的时钟频率一致时，两节点的时钟频率漂移参数也相等，则本地节点i和邻居节点j对应的本地时钟时间T_i和T_j的同步关系为：T_i＝T_j-D_ij。

6.如权利要求1至5任一项权利要求所述的基于时限指令的分布式协同控制方法，其特征在于，所述时限指令报文不依赖于节点之间交互报文信息的传输路由，独立于节点之间的交互报文信息。