CN104411010A - 一种低开销的无线传感网络时间同步方法 - Google Patents

一种低开销的无线传感网络时间同步方法 Download PDF

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Abstract

无线传感网络中，时间同步是非常重要的基础支撑技术，没有时间同步，全网将无法实现通讯、节能等基本功能，网络也将失去存在意义。但是，在实际应用中，无线传感网络要完成时间同步也要通过无线通讯功能实现，这将占用原本就非常受限的空中资源，经常导致时间同步数据无法及时发出，或者大量的重发和发送失败，严重影响时间同步的精度和网络通讯效果。针对这一问题，本发明提出了采用可见光传输的低开销的无线传感网络时间同步方法，可见光传输不占用任何的无线信道资源，因此克服了无线信道资源有限的问题；同时可见光器件成本低廉，尤其适用于无线传感网络视距传输的特性，将在很多场景尤其是定位基站等应用场景中获得非常高的时间同步精度。

Description

一种低开销的无线传感网络时间同步方法
技术领域
本发明属于涉及一种时间同步方法，尤其涉及一种无线传感网络时间同步方法。
 
背景技术
加州大学网络和嵌入式系统实验室提出的传感器网络时间同步TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks)算法采用“发送者–接收者”(Sender–Receiver Synchronization，SRS)之间进行节点成对同步的工作方式，并扩展到整个网络域。TPSN算法没有对时间的频差进行估计，这使得它需要频繁同步，开销较大。研究者们所提出的两个轻量级算法Tiny-sync和Mini-sync中，对TPSN进行了改进，通过交换少量的消息就能够提供误差上界的确定频偏与相偏估计，同时只占用非常有限的网络通信带宽、存储容量和计算处理能力等资源，这正是WSN最需要的特性。在此基础上，以一定程度上降低时间同步精度为代价，减少时间同步过程的能量开销的LTS(Lightweight Time Synchronization)算法得到了研究。
智慧城市的建设以及物联网产业的迅猛发展，使得大规模无线传感网络的应用越来越普遍，这些都对无线传感网络提出了更高的要求。无线传感网络中，时间同步是非常重要的基础支撑技术，没有时间同步，全网将无法实现通讯、节能等基本功能，网络也将失去存在意义。但是，在实际应用中，无线传感网络要完成时间同步也要通过无线通讯功能实现，这将占用原本就非常受限的空中资源，经常导致时间同步数据无法及时发出，或者大量的重发和发送失败，严重影响时间同步的精度和网络通讯效果。很多应用场景，比如人员实时定位，同样需要占用大量的空中资源来满足定位服务的要求，这就产生了矛盾。由于无线传感网络的空中资源受限，因此，必须要找到一种开销低的时间同步方法。
 
发明内容
针对现有时间同步方法需要占用较大空中资源的情况，本发明提供了一种低开销的无线传感网络时间同步方法，采用可见光传输不占用任何的无线信道资源，因此克服了无线信道资源有限的问题；同时可见光器件成本低廉，尤其适用于无线传感网络视距传输的特性，将在很多场景尤其是定位基站等应用场景中获得非常高的时间同步精度。
本发明通过如下技术方案实现：
一种低开销的无线传感网络时间同步方法，应用于无线传感网络时间同步系统，其特征在于：所述无线传感网络时间同步系统包括LED可见光发射源、LED可见光接收器；所述LED可见光发射源安装在无线传感网络中心节点以及无线传感网络的无线传感节点上，所述发射源输出功率和色温、颜色可调；所述无线传感网络中心节点作为时间基准节点，其上所安装的LED可见光发射源为多角度LED发射源（可选强光LED发射源）；每一个所述的无线传感节点安装一个多角度或者固定角度的LED发射源，用来转发时间同步信号；所述LED可见光接收器安装在无线传感网络的无线传感节点上，专门接收无线传感网络中心节点或者其他无线传感节点的LED可见光发射源发射的时间同步信号；所述方法包括以下步骤：
步骤1：整个无线传感网络时间同步系统初始化设置一个相对同步的时间周期T；
步骤2：时间基准节点通过调整发射角度和发射功率，选择需要同步的无线传感节点，通常选择距离自身最近的节点进行首次同步；
步骤3：无线传感节点通过LED可见光接收器获取到时间同步信号后进行时间同步操作，具体为：对取到时间同步信号进行光电转换，将转换后的电脉冲信号作为接收器CPU的中断输入，引起中断，所述CPU执行时间同步操作。所述时间同步信号是同步脉冲信号或者时间同步数据信号。
进一步地，当所述时间同步信号是同步脉冲信号时，所述步骤3中的时间同步操作具体为：无线传感节点通过LED可见光接收器获取到时间同步脉冲信号后，首先进行记录；然后，判断是否是本节点接收到的第一个同步脉冲信号：如果是第一个同步脉冲信号，则保存这一时刻的本地时钟T 0，并等待下一个同步脉冲信号；如果接收到的不是第一个同步脉冲信号，则标记当前本地时钟T n，其中n为接收到同步脉冲信号序号，从n=1开始，并与上一个接收到的同步脉冲信号所标记的本地时钟T n-1之间进行修正，将当前的本地时钟修正为上一次的本地时钟T n与时间同步周期T之和，即：T’n=Tn-1+T，T’ n为修正后的T n。在完成该同步操作后，还包括步骤4：判断节点自身是否还需要转发时间同步脉冲，如果需要，则在下一个发送时刻T n+1+β发送同步脉冲给其他的节点，β是预先设置的代表无线传感网络同步的时间偏移，β的取值小于所述时间周期T。
进一步地，当所述时间同步信号是时间同步数据信号时，所述步骤3中的时间同步操作具体为：无线传感节点通过LED可见光接收器获取到同步时间数据信号后，首先进行解调获取原始的同步时间数据，然后将该时间存取到本地时钟，这样该节点的本地时钟与时间基准节点就实现了完全同步。在完成该同步操作后，还包括步骤4：判断节点自身是否还需要转发同步时间数据信号，如果需要，则在自身节点处理器空闲的时刻发送本地同步后的时钟信息作为同步时间数据给相应的无线节点，逐步实现全网的同步。
本发明的有益效果是：本发明提出的采用可见光传输的低开销的无线传感网络时间同步方法解决了无线传感网络时间同步的问题，可见光传输不占用任何的无线信道资源，因此克服了无线信道资源有限的问题；同时可见光器件成本低廉，尤其适用于无线传感网络视距传输的特性，在很多场景尤其是定位基站等应用场景中获得非常高的时间同步精度。
 
附图说明
图1是本发明的无线传感网络时间同步系统示意图；
图2是本发明的具体实施例1修正同步时间的示意图。
 
具体实施方式
为了更好的说明本发明的技术方案，首先对一些本发明中出现的名词进行解释。
1、时间基准节点，指整个无线传感网络中，所有无线传感节点时间同步的目标，即自身时间需要与时间基准节点一致。
2、LED可见光发射源，LED可见光发射源将无线传感节点微处理器给出的时间同步信号转换为光信号，向指定的方向发射，通常发射以白光为主的可见光，根据需要，也可发射不同颜色和色温的可见光，比如红光或者蓝光、冷白光等；LED发射源的发射功率根据发射的距离远近，可做适当调整，功率越大，传输距离越远。
3、LED可见光接收器，LED可见光接收器用来接收LED可见光发射源发射的可见光脉冲，并把这个脉冲转变为电脉冲信号，实现光电转换，将转换后的电脉冲信号送到信号解调电路，解调为同步脉冲信号或者同步时间数据。
4、透镜，在本发明中指分别用于LED可见光发射源的透镜，主要起到聚光的作用，可以是组合透镜，也可以是单独的透镜；以及用于LED接收器的透镜，主要是起到聚光的作用，可以是组合透镜，也可以是单独的透镜。
5、同步脉冲信号，同步脉冲信号，是指没有包含时间信息量的一种脉冲信号，该信号可以是单脉冲，也可以是多个不同类型的脉冲组合，但是不包含具体的时间信息。
6、同步时间数据，由多个同步脉冲信号组成，通过编码或者非编码方式，将需要同步的时间数据由一串光脉冲发送出去。
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的方法适用于位置固定的无线传感网络节点应用场景，比如实时定位系统。如附图1所示，本发明的无线传感网络时间同步系统包括LED可见光发射源、LED可见光接收器，所述LED可见光发射源安装在无线传感网络中心节点以及无线传感网络的无线传感节点上；所述无线传感网络中心节点作为时间基准节点，其上所安装的LED可见光发射源为多角度LED发射源，所述发射源输出功率和色温、颜色可调，适用于不同的距离和环境；除向单一指定的节点发射时间同步信号外，还可以通过增加透镜个数并调整透镜角度，同时向多个角度发射可见光信号，实现向多个节点发射同步信号功能；每一个所述的无线传感节点安装一个多角度或者固定角度的LED发射源，所述发射源输出功率和色温、颜色可调，用来转发时间同步信号；所述LED可见光接收器安装在无线传感网络的无线传感节点上，专门接收无线传感网络中心节点或者其他无线传感节点的LED可见光发射源发射的时间同步信号。可见光LED发射光源发射的同步时间脉冲以单脉冲或者多脉冲方式发送，直接驱动可见光LED接收器产生电平输出信号作为接收器CPU的中断输入，引起中断产生，提高CPU的响应速度。
具体实施例1
LED可见光发射源与LED可见光接收器之间传输的是同步脉冲。该方式的优点是抗干扰能力强，相对来说通讯距离远，缺点是不包括同步数据，只能实现相对时间同步。具体实现步骤如下：
步骤1：整个无线传感网络时间同步系统初始化设置一个相对同步的时间周期T，任意节点每次接收到的同步脉冲在理想状态下都应该与上一次接收到的同步脉冲时间间隔是同步时间周期T。
步骤2：时间基准节点通过调整发射角度和发射功率，选择需要同步的无线传感节点，通常选择距离自身最近的节点进行首次同步。
步骤3：无线传感节点通过LED可见光接收器获取到时间同步脉冲信号后，首先进行记录；然后，判断是否是本节点接收到的第一个同步脉冲信号：如果是第一个同步脉冲信号，则保存这一时刻的本地时钟T0，并等待下一个同步脉冲信号；如果接收到的不是第一个同步脉冲信号，则标记当前本地时钟Tn（n为接收到同步脉冲信号序号，从n=1开始），并与上一个接收到的同步脉冲信号所标记的本地时钟Tn-1之间进行修正，如附图2所示，将当前的本地时钟修正为上一次的本地时钟Tn与时间同步周期T之和，即：T’n=Tn-1+T，T’n为修正后的Tn。
完成步骤3后，要看节点自身是否还需要转发时间同步脉冲，如果需要，则在下一个发送时刻Tn+1+β发送同步脉冲给其他的节点，β是代表无线传感网络同步的时间偏移，是预先设置在网络里面，β的选取要小于时间同步周期T（β的价值在于给cpu充分的时间完成数据处理，避免误差引入）。
具体实施例2
LED可见光发射源与LED可见光接收器之间传输的是同步时间数据。该方式的优点是能够发送绝对的时间同步数据给每一个网络节点，缺点是由于数据量增大，增加了同步失败的概率。
步骤1：整个无线传感网络时间同步系统初始化设置一个相对同步的时间周期T，与具体实施例1不同，整个网络同步的周期以T为参考，尽量在周期T时刻进行同步，但是并不影响无线网络时间同步精度。
步骤2：时间基准节点通过调整发射角度和发射功率，选择需要同步的无线传感节点，通常选择距离自身最近的节点进行首次同步。
步骤3：无线传感节点通过LED可见光接收器获取到同步时间数据信号后，首先进行解调获取原始的同步时间数据，然后将该时间存取到本地时钟，这样该节点的本地时钟与时间基准节点就实现完全同步了。
完成步骤3后，要看节点自身是否还需要转发同步时间数据，如果需要，则在自身节点处理器空闲的时刻发送本地同步后的时钟信息作为同步时间数据给相应的无线节点，逐步实现全网的同步。
本发明提出了采用可见光传输的方式来解决无线传感网络时间同步的问题，可见光传输不占用任何的无线信道资源，因此克服了无线信道资源有限的问题；同时可见光器件成本低廉，尤其适用于无线传感网络视距传输的特性，将在很多场景，尤其是定位基站等应用场景中获得非常高的时间同步精度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低开销的无线传感网络时间同步方法，应用于无线传感网络时间同步系统，其特征在于：所述无线传感网络时间同步系统包括LED可见光发射源、LED可见光接收器；所述LED可见光发射源安装在无线传感网络中心节点以及无线传感网络的无线传感节点上；所述无线传感网络中心节点作为时间基准节点，其上所安装的LED可见光发射源为多角度LED发射源；每一个所述的无线传感节点安装一个多角度或者固定角度的LED发射源，用来转发时间同步信号；所述LED可见光接收器安装在无线传感网络的无线传感节点上，专门接收无线传感网络中心节点或者其他无线传感节点的LED可见光发射源发射的时间同步信号；所述方法包括以下步骤：
步骤1：整个无线传感网络时间同步系统初始化设置一个相对同步的时间周期T；
步骤2：时间基准节点通过调整发射角度和发射功率，选择需要同步的无线传感节点；
步骤3：无线传感节点通过LED可见光接收器获取到时间同步信号后进行无线传感节点的时间同步操作。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络时间同步方法，其特征在于：所述无线传感网络中心节点优先选择距离自身最近的节点进行首次同步。
3.根据权利要求1所述的无线传感网络时间同步方法，其特征在于：所述时间同步信号是同步脉冲信号或者时间同步数据信号，根据不同的应用环境，所述无线传感网络时间同步系统来选择不同时间同步信号的模式。
4.根据权利要求1所述的无线传感网络时间同步方法，其特征在于：当所述时间同步信号是同步脉冲信号时，所述步骤3中的时间同步操作具体为：无线传感节点通过LED可见光接收器获取到时间同步脉冲信号后，首先进行记录；然后，判断是否是本节点接收到的第一个同步脉冲信号：如果是第一个同步脉冲信号，则保存这一时刻的本地时钟T0，并等待下一个同步脉冲信号；如果接收到的不是第一个同步脉冲信号，则标记当前本地时钟Tn，其中n为接收到同步脉冲信号序号，从n=1开始，并与上一个接收到的同步脉冲信号所标记的本地时钟Tn-1之间进行修正，将当前的本地时钟修正为上一次的本地时钟Tn与时间同步周期T之和，即：T’n=Tn-1+T，T’n为修正后的Tn。
5.根据权利要求4所述的无线传感网络时间同步方法，其特征在于：所述无线传感网络时间同步方法还包括步骤4：判断节点自身是否还需要转发时间同步脉冲，如果需要，则在下一个发送时刻Tn+1+β发送同步脉冲给其他的节点，β是预先设置的代表无线传感网络同步的时间偏移，β的取值小于所述时间周期T。
6.根据权利要求1所述的无线传感网络时间同步方法，其特征在于：当所述时间同步信号是时间同步数据信号时，所述步骤3中的时间同步操作具体为：无线传感节点通过LED可见光接收器获取到同步时间数据信号后，首先解调获取原始的同步时间数据，然后将该时间存取到本地时钟，这样该节点的本地时钟与时间基准节点就实现了完全同步。
7.根据权利要求6所述的无线传感网络时间同步方法，其特征在于：所述无线传感网络时间同步方法还包括步骤4：判断节点自身是否还需要转发同步时间数据信号，如果需要，则在自身节点处理器空闲的时刻发送本地同步后的时钟信息作为同步时间数据给相应的无线节点，逐步实现全网的同步。
8.根据权利要求1所述的无线传感网络时间同步方法，其特征在于：所述发射源输出功率和色温、颜色可调以适用于不同的距离和环境。
9.根据权利要求1所述的无线传感网络时间同步方法，其特征在于：所述无线传感网络时间同步系统还包括透镜，所述透镜主要起到聚光的作用，所述透镜是组合透镜或者是单独的透镜，通过增加透镜个数并调整透镜角度，同时向多个角度发射可见光信号，向多个节点发射同步信号。
10.根据权利要求1所述的无线传感网络时间同步方法，其特征在于：所述无线传感网络时间同步方法主要应用于位置固定的无线传感网络节点应用场景。
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