CN104869587A - 无线传感器网络时间同步误差测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线传感器网络时间同步误差测法，利用本方法测量无线传感器网络时间同步后的主从节点时间误差，该方法包括以下步骤：步骤一，无线传感器网络主节点、从节点正确烧写程序，各个节点开始工作，收发通信实现时间同步；步骤二，当主节点系统时间到达某一预设时间时，向外发出一个脉冲开始信号；当从节点系统时间到达预设时间时，向外发出一个脉冲终止信号；步骤三，脉冲开始信号、脉冲终止信号分别送入单片机系统的两个外部中断信号；步骤四，两个外部中断信号分别开启定时器和关闭定时器，单片机系统将定时器所记时间送到数码管。本发明能在12MHz晶振频率下实现高测量分辨率和小测量误差。

Description

无线传感器网络时间同步误差测定方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，主要涉及一种无线传感器网络时间同步误差测定方法。
背景技术
无线传感器网络（WSNs）作为数据采集的一种主要方式被广泛应用在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等各个领域，因为其能够满足多种应用而引起了人们的广泛关注。
时间同步是无线传感器网络中的重要关键技术，许多基本的操作，例如数据融合、功率管理、传输调度、位置估计等，都需要网络内无线传感器节点具有精准的时间同步。由于常规的、应用于因特网中的时间同步协议不能直接应用于无线传感器网络，因此人们针对无线传感器网络应用的特定需求，研究人员提出了许多网络时间同步协议，比如TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks，时间同步协议）、RBS（Reference Broadcast Synchronization，参考广播同步）、FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol，泛洪时间同步协议）等。目前，对时间同步协议理论研究多而对时间同步误差测量方法的研究较少，如何通过实验验证时间同步协议性能并与其他同步协议做比较，是一个主要的开放性研究课题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中对时间同步协议理论研究多而后续实验效果评估少的技术问题，提供一种无线传感器网络时间同步误差测定方法，其能在12MHz晶振频率下实现高测量分辨率和小测量误差，该误差测定方法是基于电子计数法的时间间隔测量方法，易于在单片机系统上实现。
实现本发明目的的技术解决方案说明如下：一种无线传感器网络时间同步误差测定方法，其特征在于，该方法将无线传感器网络的绝对系统时间采集转换成用单片机系统测量相对时间间隔，用来反映无线传感器网络的时间同步误差，该方法包括以下步骤：
步骤一，无线传感器网络主节点、从节点正确烧写程序，各个节点开始工作，收发通信实现时间同步；
步骤二，当主节点系统时间到达某一预设时间时，向外发出一个脉冲开始信号；当从节点系统时间到达预设时间时，向外发出一个脉冲终止信号；
步骤三，脉冲开始信号、脉冲终止信号分别送入单片机系统的两个外部中断信号，下降沿有效；
步骤四，两个外部中断信号分别开启定时器和关闭定时器，单片机系统将定时器所记时间送到数码管，实现时间同步误差测定和显示。
优选地，所述单片机系统由51系列单片机、晶振模块、电源模块、锁存器和数码管组成。
优选地，所述51系列单片机产生基准的定时信号，检测并接收外界的时间间隔信号、控制数据传输模块的时序，是整个测量系统的前提和控制中心。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：一，测量误差在±2%左右，晶振电路采用12 MHz的石英晶振，机器周期为12×1/(12×10^6)，即1 μs，可以满足绝大多数应用的测量精度要求。二，该误差测定方法能测量出同步误差范围为2.5 μs ~11.36 s。
附图说明
图1是无线传感器网络时间同步误差测定方法实验平台框图；
图2是电子计数法原理图；
图3是主程序流程图；
图4是中断服务程序流程图。
具体实施方式
本发明是一种无线传感器网络时间同步误差测定方法，在无线传感器时间同步协议研究中，常常采用仿真的方式来评估同步协议的优劣，而对具体的无线传感器网络节点实验的同步效果缺乏了解。
本发明采用51系列单片机硬件平台，晶振频率为12MHz，一个机器周期是1μs，因此可以满足测量精度要求。本发明将无线传感器网络时间同步误差测定问题转换成时间间隔测量问题，即无线传感器网络的绝对系统时间采集转换成用单片机系统测量相对时间间隔，从而用来反映无线传感器网络的时间同步误差。该无线传感器网络由一个主节点和多个感知从节点构成，该同步误差测定方法包括以下步骤：
步骤一，无线传感器网络主节点、从节点正确烧写程序，各个节点开始工作，收发通信实现时间同步；
步骤二，当主节点系统时间到达一个预设时间settime时，向外发出一个脉冲开始信号start；当从节点系统时间到达预设时间settime时，向外发出一个脉冲终止信号stop；
步骤三，脉冲开始信号start送入单片机的第一外部中断信号                                                ，脉冲终止信号stop送入单片机的第二外部中断信号；
步骤四，两个外部中断信号分别开启定时器和关闭定时器，即第一个到达的外部中断信号开启定时器，第二个到达的外部中断信号关闭定时器，单片机系统将定时器跑的时间送到数码管，实现时间同步误差测定和显示。
其中，单片机系统由51系列单片机（型号为STC89C52RC）、晶振模块、电源模块、锁存器和数码管组成。51系列单片机产生基准的定时信号，检测并接收外界的时间间隔信号、控制数据传输模块的时序，是整个测量系统的前提和控制中心。晶振电路采用12MHz的石英晶振，那么机器周期为12×1/（12×10^6），即1 μs，，可以满足测量精度要求。锁存器在CPU与显示电路之间起数据锁存、电路隔离和缓冲作用，以使外部电路工作速度与快速工作的CPU相匹配。工作中，锁存器的输出端的状态不会随输入端的状态变化而变化，只有在有锁存信号时输入的状态被保存到输出，直到下一个锁存信号。数码管是一种显示装置，采用7段数码管显示，共阴极接法，动态显示。数码管的刷新频率必须大于25 Hz，即相邻两次点亮的时间间隔要小于40 ms。本发明采用的实现在于用STM8L101F3P6无线开发板和配套SI4463-433M带弹簧天线模块作为无线传感器感知节点，可以支持CC1101、NRF24L01、SI4463。
本发明是一种无线传感器网络时间同步误差测定方法，其工作时序如图2；主程序执行流程如图3所示，主程序对显示单元和定时器/计数器初始化，设置定时器/计数器T0为定时器并工作于方式1，T0的初始值为0，设置变量count记录定时器溢出次数，然后设置CPU开中断EA=1，开外部中断EX0=1，设置外部中断为边缘触发方式，以上初始化工作就绪后进入等待状态，当有外部中断脉冲时，则转入中断服务程序。
中断服务程序流程图如图4所示，当外部脉冲的第一个负跳变沿到来时，置TR0位为1，开启定时器，同时若定时器溢出时变量count实现加1操作。这时检测第二个外部脉冲的负跳变沿是否已到，如果没到则中断返回，处于等待状态，如果第二个外部脉冲的负跳变沿是已到，则关闭中断并清TR0，定时器停止计数，并进行如下数据处理：把T0定时器中的二进制数TH0、TL0以及定时器溢出次数count经过74LS373锁存器缓冲去驱动6个数码管显示。
无线传感器网络时间同步误差timeerror为式（1）：
       （1）
本发明的效果可以通过下面的实验实例进一步证明：本实验通过一台标准的信号发生器产生的标准定时信号作为外部中断脉冲信号，对无线传感器网络时间同步误差测定方法进行验证，其输入信号的时间间隔与本方法显示的时间间隔数值记录于表1。实验证明，该误差测定方法能测量出同步误差范围为2.5 μs ~11.36 s，测量误差在±2%左右。
                     表1
本发明主要解决如何评估无线传感器网络时间同步协议效果这个问题。评估同步协议效果就是要测量出时间同步误差，这就需要设计一种时间同步测试技术，用来采集节点时间，同时尽可能地减小因为测量带来的误差。本发明是主节点、从节点在运行完时间同步协议后，主节点、从节点的系统时间达到相同时刻时发出一个脉冲，在单片机系统上用电子计数法测量并显示这两个事件的时间差，把采集节点的绝对时间转换成测量从节点和主节点的相对时间，用这个相对时间差反应时间同步协议的效果。本发明结构简单，成本低廉，使用方便可靠，可用于网络时间同步协议效果评估的后续实验。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络时间同步误差测定方法，其特征在于，该方法将无线传感器网络的绝对系统时间采集转换成用单片机系统测量相对时间间隔，用来反映无线传感器网络的时间同步误差，该方法包括以下步骤：
步骤一，无线传感器网络主节点、从节点正确烧写程序，各个节点开始工作，收发通信实现时间同步；
步骤二，当主节点系统时间到达某一预设时间时，向外发出一个脉冲开始信号；当从节点系统时间到达预设时间时，向外发出一个脉冲终止信号；
步骤三，脉冲开始信号、脉冲终止信号分别送入单片机系统的两个外部中断，下降沿有效； 
步骤四，两个外部中断信号分别开启定时器和关闭定时器，单片机系统将定时器所记时间送到数码管，实现时间同步误差测定和显示。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络时间同步误差测定方法，其特征在于，所述单片机系统由51系列单片机、晶振模块、电源模块、锁存器和数码管组成。
3.根据权利要求2所述的无线传感器网络时间同步误差测定方法，其特征在于，所述51系列单片机产生基准的定时信号，检测并接收外界的时间间隔信号、控制数据传输模块的时序，是整个测量系统的前提和控制中心。
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