CN104301988A - 一种基于传感网的地磁感应车辆时钟同步技术 - Google Patents

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Abstract

一种基于传感网的地磁感应车辆时钟同步技术，包括移动基站、Internet、网关、及ZigBee传感网，步骤为：(1)部署地磁传感器，在每个车道都等距离地部署地磁传感器；(2)拓扑建立阶段；(3)同步的过程，(4)计算出过往车辆的速度与长度；本发明的优点是通过同步技术可以对正在行驶中的车辆测速并能将超速的车辆信息及时地反馈给前台，方便了车辆的智能控制与管理。同时为后续的工作作了充分的准备，比如，如果要实现对违规的车辆拍照，则可以把相关信息发送到相应的节点处理，极大地减轻了人工的干预。

Description

一种基于传感网的地磁感应车辆时钟同步技术
技术领域
本发明涉及智能控制系统，具体的涉及一种基于GPRS移动网与ZigBee无线传感网的智能路灯控制系统，属于移动网、无线网络以及嵌入式领域。 
背景技术
随着无线网在各领域的大量应用，无线网技术已经推广应用到智慧路灯当中。国内外现已经出现了一些基于地磁感应的无线车辆检测器的研究和开发工作，如苏东海等人的研究成果能实现能够判断车辆是否经过、行进方向，并可以进行车速估算，具有一定的实用性，但由于该设计方案均假设车辆经过检测器速度是不变的(即匀速)，而实际交通场景中车辆随时都可能是暂停、加速、减速(即变速)，所以该检测器的精度存在较大误差，另外，当单个的地磁检测器的误差会对车辆的信息检测影响很大，诸上述因素，现有的技术还不能满足未来智慧交通发展的高标准要求。 
由于传感器网络有许多的节点，各个节点的处理能力与能量都非常有限，所以这时要求各传感器尽量使用很少的数据传输的情况下能实现同步。目前，同步技术在很多的领域中提到，但是大多的同步方法需要同步多次才能达到同步，比如说参考广播同步算法，若网络中有n个节点，则需要O(n2)次交换信息。又如，Hyunhak Kim的基于簇的同步算法，首先把系统中根据性能的不同分为高性能、低性能节点，然后对不同类型的节点建立生成树，然后分别再对两种类型的生成树同步，这种方法固然可以提高同步的精度，但是从实用性角度来看是比较难以实现。 
发明内容
为了解决上述问题，本发明改进了TPSN同步算法，此算法容易实现，同 步精度高，对于测量车辆的相关信息，完全符合精度方面的要求，本发明采用的技术方案如下： 
一种基于传感网的地磁感应车辆时钟同步技术，包括移动基站、Internet、网关、及ZigBee传感网，步骤为： 
(1)部署地磁传感器，在每个车道都等距离地部署地磁传感器，布置的时候是按照地磁预置的地址顺序摆放，两个车道的摆放顺序呈相反的顺序，网关布置在车道的一端； 
(2)拓扑建立阶段，首先选出其中一个节点K1作为同步的根结点，并把自己的跳数置0；首先它发送包含自己跳数的同步信号给周围的地磁节点，发现该报文的节点K2作为自己的父节点，将收到的跳数作为自己的跳数+1，在此期间如果某节点收到的跳数比你节点低或跳数相同但信号更强，则改变自己的父节点；然后K1把自己收到的R1发送同步包的时间再发送出去；K1覆盖范围的结点依据这两个数据包修正自己的时间；如果K2基站在K1的覆盖范围之内，则K2依照K1的方法广播自己的跳数，依次类推直到所有的结点都包含到生成树当中； 
(3)同步的过程，首先根结点K1启动参考结点R1，R1发送同步信号，各结点记录收到同步信号的时间T1，K1把自己收到的同步信号时间T2再广播给它的孩子节点，孩子结点通过这两个时间来调整当前的时间T3，调整方法为：T3＝T3-(T2-T1)，直到所有的网络中的节点都完成了同步； 
(4)计算出过往车辆的速度与长度，先将两地磁布置在相距s米的地方，地磁a先记录感应到车辆的时间t1，车辆离开a的感应区域的时间t2，a把t1与t2发送到比A1地址大1的节点b，当b再感应到下一次车辆进入地磁的感应区域时，记录此时的时间t3，则车速为v＝s/(t3-t1)，车辆离开b的时间为t4，此时 不难计算出车的长度为
所述地磁节点，其为FFD，即全功能节点，其负责记录车辆进入测试范围的时间与离开的时间。 
所述改进TPSN同步方式，其为发送者、接收者的同步方式，与TPSN同步方法有所不同的是，改进后的网络中的结点基本上与基站节点能保持最小的距离，这样的好处是每节点的时间延迟会更小。 
本发明的优点：通过同步技术可以对正在行驶中的车辆测速并能将超速的车辆信息及时地反馈给前台，方便了车辆的智能控制与管理。同时为后续的工作作了充分的准备，比如，如果要实现对违规的车辆拍照，则可以把相关信息发送到相应的节点处理，极大地减轻了人工的干预。 
附图说明
图1是本发明无线磁车辆检测器应用架构示意图。 
图2是本发明中地磁的布局图。 
图3是本发明中基站与节点分布图。 
图4是本发明中发送者-接收者成对同步图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。 
如图1所示，由ZigBee传感网、网关、移动基站以及Internet组成。虽然不同的智慧交通应用对传感器网络布点数量需求不同，但传感器网络节点的部署基本相同。当有车辆进入地磁感应区时，该时钟同步以后的检测器(无线感应节点)通过无线网载体，将所采集的车辆信息实现相邻节点间的数据交换，通过算法最终得出车辆的速度、长度(即车型)等信息，并通过传感网、移动网与Internet传送至道路交通控制中心。 
如图2所示，其中a，b，c三结点为地磁传感器节点，它们之间的间隔一般为普通车长的一半左右，通过这样的设置，当一辆车进入a的感应范围时，它的前一辆车已经通过下一地磁节点b或已经不是进入b的第一感应时间。 
如图3所示，其中K1，K2，K3节点为基站节点，它们负责管理各自的内部的节点。当基站节点的树形结构已经建立后，这里假设K1，K2它们具有相同的跳数且n4节点在其覆盖范围，开始的时候n4节点的父节点的K1，那么当K2开始建立自己的覆盖范围的节点的组织结构时，n4节点它如果接收到K2的信号比来自K1接点的信号更强的时候，则这时n4节点把K2节点作为其父节点。 
如图4所示，双向报文交换的时间校正技术要复杂很多。节点i在本地时钟Tia时刻向节点j发送同步报文，节点j在本地时钟时刻Tja接收到该报文，之后立即向节点i发送应答报文，节点i在本地时钟时刻Tib接收到该应答报文。则报文的往返时间为D，大小为Tib-Tia，报文的传递时延d在0～D之间。如果知道d的上界dmax和下界dmin，节点j可以确定d在max(D-dmax，dmin)和min(dmax，D-dmin)s之间。由此可以确定节点i、j之间的时间偏差为 
θ＝Tib-Tja-d    (公式1) 
假设上行报文和下行报文的时间延迟相等，即d＝d′＝D/2，则节点i、j的时间偏差为 
θ＝Tib-Tja-D/2    (公式2) 
图4只是理想情况的，实际上由于种种原因，节点j收到同步报文后，不可能立即回复。于是就出现了图2所示情形，节点j收到同步报文后，延迟一段时间再向节点i回复ACK报文。假设d′＝d，由图2可得 
Tja＝Tia+d+θ    (公式3) 
Tib＝Tjb+d-θ    (公式4) 
如图4所示，基站先发一信号到参照点作同步启动信号，参照点记录并广播发自己的时间T1，本子网中的其它节点记录下参照节点发送T1的时间T1own，基站在收到T1后，在随机的时间后广播自己的时间T1base，从而其它的节点依据自己T1own与T1base可得offset＝T1base-T1own，然后各自节点可以依此修改自己的时钟。 
工作原理如下： 
第一部分：拓扑建立阶段，首先选出其中一个节点K1作为同步的根结点，并把自己的跳数置0。首先它发送包含自己跳数的同步信号给周围的地磁节点，发现该报文的节点K2作为自己的父节点，将收到的跳数作为自己的跳数+1，在此期间如果某节点收到的跳数比你节点低或跳数相同但信号更强，则改变自己的父节点。然后K1把自己收到的R1发送同步包的时间再发送出去。K1覆盖范围的结点依据这两个数据包修正自己的时间。如果K2基站在K1的覆盖范围之内，则K2依照K1的方法广播自己的跳数，依次类推直到所有的结点都包含到生成树当中。 
第二部分：上面的过程是两类网络的构建过程的过程，接下来就是同步的过程。首先根结点K1启动参考结点R1，R1发送同步信号，各结点记录收到同步信号的时间T1，K1把自己收到的同步信号时间T2再广播给它的孩子节点，孩子结点通过这两个时间来调整当前的时间T3，调整方法为：T3＝T3-(T2-T1)。假设K2基站是K1的孩子结点，则K2按照K1的方法同步自己的孩子结点，直到所有的网络中的节点都完成了同步。 
第三部分：在本系统中地磁节点可以在时间同步后，计算出过往车辆的速度与长度。具体的方法是先将两地磁布置在相距s米的地方，一般为3-4米，地磁a先记录感应到车辆的时间t1，车辆离开a的感应区域的时间t2，a把t1与t2发送到比A1地址大1的节点b，当b再感应到下一次车辆进入地磁的感应 区域时，记录此时的时间t3，则车速为v＝s/(t3-t1)，车辆离开b的时间为t4，此时不难计算出车的长度为
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。 

Claims (3)

1.一种基于传感网的地磁感应车辆时钟同步技术，包括移动基站、Internet、网关、及ZigBee传感网，其特征在于步骤为：
(1)部署地磁传感器，在每个车道都等距离地部署地磁传感器，布置的时候是按照地磁预置的地址顺序摆放，两个车道的摆放顺序呈相反的顺序，网关布置在车道的一端；
(2)拓扑建立阶段，首先选出其中一个节点K1作为同步的根结点，并把自己的跳数置0；首先它发送包含自己跳数的同步信号给周围的地磁节点，发现该报文的节点K2作为自己的父节点，将收到的跳数作为自己的跳数+1，在此期间如果某节点收到的跳数比你节点低或跳数相同但信号更强，则改变自己的父节点；然后K1把自己收到的R1发送同步包的时间再发送出去；K1覆盖范围的结点依据这两个数据包修正自己的时间；如果K2基站在K1的覆盖范围之内，则K2依照K1的方法广播自己的跳数，依次类推直到所有的结点都包含到生成树当中；
(3)同步的过程，首先根结点K1启动参考结点R1，R1发送同步信号，各结点记录收到同步信号的时间T1，K1把自己收到的同步信号时间T2再广播给它的孩子节点，孩子结点通过这两个时间来调整当前的时间T3，调整方法为：T3＝T3-(T2-T1)，直到所有的网络中的节点都完成了同步；
(4)计算出过往车辆的速度与长度，先将两地磁布置在相距s米的地方，地磁a先记录感应到车辆的时间t1，车辆离开a的感应区域的时间t2，a把t1与t2发送到比A1地址大1的节点b，当b再感应到下一次车辆进入地磁的感应区域时，记录此时的时间t3，则车速为v＝s/(t3-t1)，车辆离开b的时间为t4，此时不难计算出车的长度为
2.根据权利要求1所述的一种基于传感网的地磁感应车辆时钟同步技术，其特征在于：所述地磁节点，其为FFD，即全功能节点，其负责记录车辆进入测试范围的时间与离开的时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于传感网的地磁感应车辆时钟同步技术，其特征在于：所述改进TPSN同步方式，其为发送者、接收者的同步方式，与TPSN同步方法有所不同的是，改进后的网络中的结点基本上与基站节点能保持最小的距离，这样的好处是每节点的时间延迟会更小。
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