CN104469927A - 一种无线传感器星型网络的同步采集方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器星型网络的同步采集方法和系统，为网络中多个嵌入式中心网关设置同一个时钟源，由此实现了不同网关之间的相对时间授时，再通过无线传输相对时间授时，实现网络中的采集节点与其所属嵌入式中心网关之间的相对时间同步，使整个星型网络下的所有嵌入式中心网关和采集节点实现了同步，进而实现了同步采集。

Description

一种无线传感器星型网络的同步采集方法和系统

技术领域

本发明涉及无线测控领域，尤其涉及一种无线传感器星型网络的同步采集方法和系统。

背景技术

现在通信中，无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点逐渐成为信息感知研究的热点。传感器网络可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，目前已应用于军事、环境监测、工业控制等领域。

时间同步是无线传感器网络应用的重要组成部分，简单的理解就是把各地时间对齐，使各地在同一时刻具有相同的时间计量值。在无线传感网应用中，传感器节点通常需要协调操作共同完成一项复杂的传感任务。例如在目标追踪应用中，传感器节点将传感到的运动目标的位置、时间等信息发送给传感器网络中的首领节点，首领节点在对不同传感器发来的数据进行处理后便可获得目标的移动方向、速度等信息。

对于监测而言，为了对同一对象的多参数采集需要使用大量的无线传感器对目标进行数据采集，因此，需要将大量的无线传感器整合成网络结构。现有技术中常用的无线传感器星型网络结构如图1所示，包括PC终端，与PC终端有线连接的多个独立的嵌入式中心网关，多个独立的嵌入式中心网关的工作频率并不相同，且每个嵌入式中心网关与多个采集节点无线连接。其中，PC终端用于向嵌入式中心网关下属的采集节点发送采集指令；采集节点用于根据接收到的指令进行数据采集，并将采集到的数据通过嵌入式中心网关发送至PC终端。由于上述的无线传感器星型网络的便利性，可以实现对被监测对象的多参数监测。对于实时性高的被监测对象，采集节点在同一时刻进行采集而获得的数据才是有意义的，因此，需要非常准确的时间同步。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无线传感器星型网络的同步采集方法和系统，以实现不同工作频率下多网关及多无线传感器的同步采集。

本发明采用的技术手段如下：一种无线传感器星型网络的同步采集方法，所述无线传感器星型网络包括：PC终端、时钟源、与分别与PC终端和时钟源有线连接的多个独立的嵌入式中心网关以及与所述嵌入式中心网关无线连接的多个采集节点；其中，每个所述采集节点包括射频模块及采集模块；所述方法包括：

每个嵌入式中心网关的同步步骤：

所述时钟源向所述嵌入式中心网关输出的标准时间脉冲；

嵌入式中心网关调整网关晶振的频率，使其与时钟源的标准时间脉冲频率相同；

所述嵌入式中心网关的第一计时器根据所述网关晶振输出的标准时间脉冲获得嵌入式中心网关的相对时间授时；

每个采集节点的同步步骤：

所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送第一时间同步指令，所述第一时间同步指令包括第一时间同步指令的发送时间戳；

所述采集节点的射频模块接收所述第一时间同步指令，并获取第一时间同步指令的接收时间戳；

所述采集节点根据所述第一时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳调整采集节点的第二计时器，完成采集节点的相对时间授时；

同步采集步骤：

所述PC终端通过所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送包括采集时间点的采集指令；

所述射频模块接收所述采集指令后，唤醒处于休眠状态的采集模块，并根据所述第二计时器的计时，于所述采集时间点向所述采集模块发送采样脉冲；

所述采集模块根据采样脉冲进行采集。

进一步，所述网关同步步骤中，在得到嵌入式中心网关的相对时间授时之前，还包括所述PC终端向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时的步骤。

进一步，所述PC终端向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时为所述PC终端利用网络时间协议向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时。

进一步，所述每个采集节点的同步步骤还包括：

步骤1：在预定时间后，所述采集节点向所述嵌入式中心网关请求第二时间同步指令，所述嵌入式中心网关发送包括第二时间同步指令，所述第二时间同步指令包括第二时间同步指令的发送时间戳；

步骤2：所述采集节点的射频模块接收所述第二时间同步指令，并获取第二时间同步指令的接收时间戳，若第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳不一致，则调节所述射频模块晶振频率，并返回步骤1，直至第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳一致。

本发明还提供了一种无线传感器星型网络的同步采集系统，包括PC终端、时钟源、与分别与PC终端和时钟源有线连接的多个独立的嵌入式中心网关以及与所述嵌入式中心网关无线连接的多个采集节点；其中，每个所述采集节点包括射频模块及采集模块；

所述时钟源用于向所述嵌入式中心网关输出标准时间脉冲；

所述PC终端用于通过所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送包括采集时间点的采集指令；

所述嵌入式中心网关包括网关晶振、第一计时器和网关控制单元；所述网关晶振用于根据时钟源输出的所述标准时间脉冲调节本身的频率，使网关晶振的频率与所述时钟源的标准脉冲频率相同；所述第一计时器用于根据所述网关晶振输出的标准时间脉冲得到嵌入式中心网关的相对时间授时；所述网关控制单元用于向所述采集节点发送包括发送时间戳的第一时间同步指令；

所述采集节点的射频模块包括射频模块晶振、第二计时器和节点控制单元；所述节点控制单元用于接收第一时间同步指令，通过第二计时器的计时获取第一时间同步指令的接收时间戳，并根据所述第一时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳调整采集节点的第二计时器，完成采集节点的相对时间授时，以及用于在接收到所述采集指令后，唤醒处于休眠状态的采集模块，并根据所述第二计时器的计时，于所述采集时间点控制所述射频模块晶振向所述采集模块发送采样脉冲；

所述采集模块用于在被所述节点控制单元唤醒后，根据采样脉冲进行采集。

进一步，所述PC终端包括绝对时间单元，所述绝对时间单元用于在所述第一计时器得到嵌入式中心网关的相对时间授时之前，向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时。

进一步，所述绝对时间单元通过网络时间协议向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时。

进一步，所述节点控制单元进一步用于在预定时间后，向所述嵌入式中心网关请求第二时间同步指令，接收所述第二时间同步指令，并获取第二时间同步指令的接收时间戳，当第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳不一致时，调节所述射频模块晶振频率，并在预定时间后再次向所述嵌入式中心网关请求第二时间同步指令，比较第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳，并调节所述射频模块晶振频率，直至第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳一致；

所述网关控制单元还用于根据接收到的第二时间同步指令的请求，向采集节点的射频模块发送第二时间同步指令，所述第二时间同步指令包括第二时间同步指令的发送时间戳。

本发明所提供的无线传感器星型网络的同步采集方法和系统，为网络中多个嵌入式中心网关设置同一个时钟源，由此实现了不同网关之间的相对时间授时，再通过无线传输相对时间授时，实现网络中的采集节点与其所属嵌入式中心网关之间的相对时间同步，使整个星型网络下的所有嵌入式中心网关和采集节点实现了同步，进而实现了同步采集。

附图说明

图1为现有技术中无线传感器星型网络结构示意图；

图2为本发明无线传感器星型网络的同步采集方法流程示意图；

图3为本发明无线传感器星型网络的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种无线传感器星型网络的同步采集方法，其基于如图3所示的网络结构：

具体的，无线传感器星型网络包括：PC终端、时钟源、与分别与PC终端和时钟源有线连接的多个独立的嵌入式中心网关以及与所述嵌入式中心网关无线连接的多个采集节点；其中，每个所述采集节点包括射频模块及采集模块。

所述同步采集方法流程如图2所示，包括：

每个嵌入式中心网关的同步步骤A：

所述时钟源向所述嵌入式中心网关输出的标准时间脉冲；

嵌入式中心网关调整网关晶振的频率，使其与时钟源的标准时间脉冲频率相同；

所述嵌入式中心网关的第一计时器根据所述网关晶振输出的标准时间脉冲得到嵌入式中心网关的相对时间授时；

每个采集节点的同步步骤B：

所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送第一时间同步指令，所述第一时间同步指令包括第一时间同步指令的发送时间戳；

所述采集节点的射频模块接收所述第一时间同步指令，并获取第一时间同步指令的接收时间戳；

所述采集节点根据所述第一时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳调整采集节点的第二计时器，完成采集节点的相对时间授时；

同步采集步骤C：

所述PC终端通过所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送包括采集时间点的采集指令；

所述射频模块接收所述采集指令后，唤醒处于休眠状态的采集模块，并根据所述第二计时器的计时，于所述采集时间点向所述采集模块发送采样脉冲；

所述采集模块根据采样脉冲进行采集。

以下结合实施例,对本发明无线传感器星型网络的同步采集方法进行详细说明：

每个嵌入式中心网关的同步步骤包括：

步骤11，时钟源向嵌入式中心网关输出的标准时间脉冲；

步骤12，嵌入式中心网关调整网关晶振的频率，使其与时钟源的标准时间脉冲频率相同；

步骤13，PC终端通过利用网络时间协议向嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时；

步骤14，嵌入式中心网关的第一计时器捕获网关晶振输出的标准时间脉冲，从而得到嵌入式中心网关的相对时间授时；

通过上述的每个嵌入式中心网关的同步步骤可以看出，对于网络内所有的嵌入式中心网关，由于将网关晶振的频率调节成与时钟源的标准时间脉冲频率一致，因此，对于每个嵌入式中心网关的第一计时器而言，其相对时间是相同的；进一步，在本实施例中，步骤13为可选步骤，由于现行的网络时间协议为毫秒级同步，同步精度相对于时钟脉冲的毫秒级同步较低，因此，使用户可以根据所需要的同步精度程度进行选择，选择的方式可以通过采集指令中的采集时间点的表现方式体现，若仅需要毫秒级同步，采集时间点可以以PC终端中的计时为标准，以绝对时间的形式表达；若需要微秒级同步，采集时间点可以以标准时间脉冲为标准，以相对时间的形式表达。

每个采集节点的同步步骤：

步骤21，嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送第一时间同步指令，所述第一时间同步指令包括第一时间同步指令的发送时间戳；

步骤22，采集节点的射频模块接收所述第一时间同步指令，并获取第一时间同步指令的接收时间戳；

步骤23，采集节点根据所述第一时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳调整采集节点的第二计时器，完成采集节点的相对时间授时。

通过上述每个采集节点的同步步骤，由于嵌入式中心网关与采集节点之间的通信是无线传输，因此，可以认为在时间同步时，第一时间同步指令的发送时间戳应该和接收时间戳是相同的，当二者出现偏差，则可以根据发送时间戳和接收时间戳之间的差值△t和每个采集节点的第二计时器维护的采集节点本地时间从接收时间戳到调整时间点的时间增量t1确定当前采集节点的当前时间。

然而，上述的采集节点的同步步骤，只可以实现短时间段内精度较低的时间同步，理由在于每个采集节点的第二计时器的计时是由射频模块晶振输出的时间脉冲维持的，由于现行技术中的网关晶振和射频模块晶振即便存在频率偏差，但是也不会出现较大的频率偏差，因此，在短时间段内，对于时间精度要求不高的时间同步，上述的同步步骤是可以满足要求的。

但是，从长时间段的时间同步或精度较高的时间同步的要求考虑，由于网关晶振和射频模块晶振之间的频率偏差还是存在的，因此，在经过较长的时间段后，由于偏差的积累，嵌入式中心网关的第一计时器与采集节点的第二计时器之间会出现较严重的计时偏差，针对此问题，在本实施例中，进一步提出以下优选方案，以实现长时间段的时间同步或精度较高的时间同步，具体的：

步骤24，在预定时间后，所述采集节点向所述嵌入式中心网关请求第二时间同步指令，所述嵌入式中心网关发送包括第二时间同步指令，所述第二时间同步指令包括第二时间同步指令的发送时间戳；

步骤25：所述采集节点的射频模块接收所述第二时间同步指令，并获取第二时间同步指令的接收时间戳，若第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳不一致，则调节所述射频模块晶振频率，并返回步骤24，直至第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳一致。

由于上述的优选步骤中是通过调节射频模块晶振频率使第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳一致，因此，可以保障嵌入式中心网关与采集节点之间的相对时间在长时间段的时间同步或精度较高的时间同步。

基于上述的每个嵌入式中心网关的同步步骤和每个采集节点的同步步骤可以看出，由于网络中所有的嵌入式中心网关均是以时钟源的标准时间脉冲进行的相对时间授时，每个嵌入式中心网关和与其连接的采集节点的相对时间同步，因此，可以实现整个网络中的嵌入式中心网关和采集节点的时间同步。

当网关同步步骤和节点同步步骤完成后，PC终端通过所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送包括采集时间点的采集指令；

所述射频模块接收所述采集指令后，唤醒处于休眠状态的采集模块，并根据所述第二计时器的计时，于所述采集时间点向所述采集模块发送采样脉冲；

所述射频模块根据采样脉冲进行采集。

由于所有采集节点之间均已同步，因此，对于同一个采集指令，所有的采集模块进行采集的时间点均相同，从而实现了数据的同步采集。

基于上述方法，本申请还提供了一种无线传感器星型网络的同步采集系统，包括PC终端、时钟源、与分别与PC终端和时钟源有线连接的多个独立的嵌入式中心网关以及与所述嵌入式中心网关无线连接的多个采集节点；其中，每个所述采集节点包括射频模块及采集模块；

所述时钟源用于向所述嵌入式中心网关输出标准时间脉冲；

所述PC终端用于通过所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送包括采集时间点的采集指令；

所述嵌入式中心网关包括网关晶振、第一计时器和网关控制单元；所述网关晶振用于根据时钟源输出的所述标准时间脉冲调节本身的频率，使网关晶振的频率与所述时钟源的标准脉冲频率相同；所述第一计时器用于根据所述网关晶振输出的标准时间脉冲得到嵌入式中心网关的相对时间授时；所述网关控制单元用于向所述采集节点发送包括发送时间戳的第一时间同步指令；

所述采集节点的射频模块包括射频模块晶振、第二计时器和节点控制单元；所述节点控制单元用于接收第一时间同步指令，通过第二计时器的计时获取第一时间同步指令的接收时间戳，并根据所述第一时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳调整采集节点的第二计时器，完成采集节点的相对时间授时，以及用于在接收到所述采集指令后，唤醒处于休眠状态的采集模块，并根据所述第二计时器的计时，于所述采集时间点控制所述射频模块晶振向所述采集模块发送采样脉冲；

所述采集模块用于在被所述节点控制单元唤醒后，根据采样脉冲进行采集。

进一步，所述PC终端包括绝对时间单元，所述绝对时间单元用于在所述第一计时器得到嵌入式中心网关的相对时间授时之前，向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时。

进一步，所述绝对时间单元通过网络时间协议向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时。

进一步，所述节点控制单元进一步用于在预定时间后，向所述嵌入式中心网关请求第二时间同步指令，接收所述第二时间同步指令，并获取第二时间同步指令的接收时间戳，当第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳不一致时，调节所述射频模块晶振频率，并在预定时间后再次向所述嵌入式中心网关请求第二时间同步指令，比较第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳，并调节所述射频模块晶振频率，直至第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳一致；

所述网关控制单元还用于根据接收到的第二时间同步指令的请求，向采集节点的射频模块发送第二时间同步指令，所述第二时间同步指令包括第二时间同步指令的发送时间戳。

需要说明的是，在本申请所提供的系统中，PC终端、时钟源、嵌入式中心网关、采集节点所实现的功能，以及各自所包含的模块、单元所执行的操作，本领域技术人员可通过计算机软件实现，在此不再赘述。

采用本发明所提供的无线传感器星型网络的同步采集方法和系统，为网络中多个嵌入式中心网关设置同一个时钟源，由此实现了不同网关之间的相对时间授时，再通过无线传输相对时间授时，实现网络中的采集节点与其所属嵌入式中心网关之间的相对时间同步，使整个星型网络下的所有嵌入式中心网关和采集节点实现了同步，进而实现了同步采集。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种无线传感器星型网络的同步采集方法，其特征在于，所述无线传感器星型网络包括：PC终端、时钟源、与分别与PC终端和时钟源有线连接的多个独立的嵌入式中心网关以及与所述嵌入式中心网关无线连接的多个采集节点；其中，每个所述采集节点包括射频模块及采集模块；所述方法包括：

每个嵌入式中心网关的同步步骤：

所述时钟源向所述嵌入式中心网关输出的标准时间脉冲；

嵌入式中心网关调整网关晶振的频率，使其与时钟源的标准时间脉冲频率相同；

所述嵌入式中心网关的第一计时器根据所述网关晶振输出的标准时间脉冲获得嵌入式中心网关的相对时间授时；

每个采集节点的同步步骤：

所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送第一时间同步指令，所述第一时间同步指令包括第一时间同步指令的发送时间戳；

所述采集节点的射频模块接收所述第一时间同步指令，并获取第一时间同步指令的接收时间戳；

所述采集节点根据所述第一时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳调整采集节点的第二计时器，完成采集节点的相对时间授时；

同步采集步骤：

所述PC终端通过所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送包括采集时间点的采集指令；

所述射频模块接收所述采集指令后，唤醒处于休眠状态的采集模块，并根据所述第二计时器的计时，于所述采集时间点向所述采集模块发送采样脉冲；

所述采集模块根据采样脉冲进行采集。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述网关同步步骤中，在得到嵌入式中心网关的相对时间授时之前，还包括所述PC终端向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时的步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述PC终端向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时为所述PC终端利用网络时间协议向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每个采集节点的同步步骤还包括：

步骤1：在预定时间后，所述采集节点向所述嵌入式中心网关请求第二时间同步指令，所述嵌入式中心网关发送包括第二时间同步指令，所述第二时间同步指令包括第二时间同步指令的发送时间戳；

步骤2：所述采集节点的射频模块接收所述第二时间同步指令，并获取第二时间同步指令的接收时间戳，若第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳不一致，则调节所述射频模块晶振频率，并返回步骤1，直至第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳一致。

5.一种无线传感器星型网络的同步采集系统，其特征在于，包括PC终端、时钟源、与分别与PC终端和时钟源有线连接的多个独立的嵌入式中心网关以及与所述嵌入式中心网关无线连接的多个采集节点；其中，每个所述采集节点包括射频模块及采集模块；

所述时钟源用于向所述嵌入式中心网关输出标准时间脉冲；

所述PC终端用于通过所述嵌入式中心网关向所述采集节点的射频模块发送包括采集时间点的采集指令；

所述嵌入式中心网关包括网关晶振、第一计时器和网关控制单元；所述网关晶振用于根据时钟源输出的所述标准时间脉冲调节本身的频率，使网关晶振的频率与所述时钟源的标准脉冲频率相同；所述第一计时器用于根据所述网关晶振输出的标准时间脉冲得到嵌入式中心网关的相对时间授时；所述网关控制单元用于向所述采集节点发送包括发送时间戳的第一时间同步指令；

所述采集节点的射频模块包括射频模块晶振、第二计时器和节点控制单元；所述节点控制单元用于接收第一时间同步指令，通过第二计时器的计时获取第一时间同步指令的接收时间戳，并根据所述第一时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳调整采集节点的第二计时器，完成采集节点的相对时间授时，以及用于在接收到所述采集指令后，唤醒处于休眠状态的采集模块，并根据所述第二计时器的计时，于所述采集时间点控制所述射频模块晶振向所述采集模块发送采样脉冲；

所述采集模块用于在被所述节点控制单元唤醒后，根据采样脉冲进行采集。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述PC终端包括绝对时间单元，所述绝对时间单元用于在所述第一计时器得到嵌入式中心网关的相对时间授时之前，向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述绝对时间单元通过网络时间协议向所述嵌入式中心网关的第一计时器进行绝对时间授时。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述节点控制单元进一步用于在预定时间后，向所述嵌入式中心网关请求第二时间同步指令，接收所述第二时间同步指令，并获取第二时间同步指令的接收时间戳，当第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳不一致时，调节所述射频模块晶振频率，并在预定时间后再次向所述嵌入式中心网关请求第二时间同步指令，比较第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳，并调节所述射频模块晶振频率，直至第二时间同步指令的发送时间戳和接收时间戳一致；

所述网关控制单元还用于根据接收到的第二时间同步指令的请求，向采集节点的射频模块发送第二时间同步指令，所述第二时间同步指令包括第二时间同步指令的发送时间戳。