CN105682216A - 一种适用于复杂环境的无线传感器网络的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于复杂环境的无线传感器网络的时间同步方法，包括以下步骤：S1、上位计算机通过网络将时间同步命令传输给协调器节点，保证协同工作的所有协调器节点的时间同步；S2、所述协调器节点根据上位计算机给出的时间同步信息调整自身的本地时钟，保证自身时钟和协同工作的所有协调器节点一致；S3、协调器节点向路由节点广播时间同步帧，对路由节点进行时间同步；S4、所述路由节点根据协调器节点给定的时间同步帧中的信息进行时间同步；S5、所述路由节点完成时间同步后继续向网络中广播扩散时间同步帧，使得其他未完成时间同步的路由节点都能够得到时间同步。该时间同步方法对复杂环境中的无线传感器网络条件下有较高的鲁棒性和较低的能量消耗。

Description

一种适用于复杂环境的无线传感器网络的时间同步方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络时间同步技术领域，特别是涉及一种适用于复杂环境的无线传感器网络的时间同步方法。

背景技术

随着无线物联网的快速发展，无线传感器网络应用规模不断扩大，从原有的几个节点扩展到现在的几百个节点；无线传感器应用环境日益多样化。鉴于无线传感器网络具有自组织、可以部署在危险区域的特性。在煤矿井下工作面、采空区等一些特定的场合的运用变得越来越多，作用也越来越大了。由于一些复杂环境空间受限，无线传感器节点只能与附近节点通信，并且其部署环境的险恶，一旦部署完毕，不可能重新更换和进行能量补充，这就对无线传感器网络的能耗和通信可靠性要求很高。为节能系统在完成数据采集工作后，要求所有传感器和路由节点进入休眠状态，因此只有传感器在下次采样时刻同步苏醒，才有可能保证自组网和数据采集的成功。这就对无线传感器网络时间同步方法提出了很高的要求。

随着无线传感器网络的扩展，节点的数量的增多，需要管理和保持好数量巨大的节点，需要所有节点保持在时间上的同步，从而保证所有数据上传在时间上的统一性和有效性，并能够对使得整个无线传感器网络减少不必要的侦听和额外的能量消耗，从节能和保持工作时间的角度讲，提高时间同步方法的功能和效率对于无线传感器网络的能量开支也是非常必要的。

发明内容

鉴于以上情况必须提供一种低成本、低能量开销、高精度的复杂环境的无线传感器网络时间同步方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：提供一种适用于复杂环境的无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、上位计算机通过网络将时间同步命令传输给协调器节点，保证协同工作的所有协调器节点的时间同步；

S2、所述协调器节点根据上位计算机给出的时间同步信息调整自身的本地时钟，保证自身时钟和协同工作的所有协调器节点一致；

S3、协调器节点向路由节点广播时间同步帧，对路由节点进行时间同步；

S4、所述路由节点根据协调器节点给定的时间同步帧中的信息进行时间同步；

S5、所述路由节点完成时间同步后继续向网络中广播扩散时间同步帧，使得其他未完成时间同步的路由节点都能够得到时间同步。

进一步的，所述的步骤S1中协调器节点和上位计算机的部署结构为星型网络结构，所述上位计算机通过通信环网和通信网关接入无线传感器网络协调器节点。

进一步的，所述的步骤S2中具体步骤如下：

所述协调器节点收到所述上位计算机发送的时间同步命令之后携带上自身的节点信息立即回复给上位计算机，当协调器节点收到时间同步信息之后，提取出其中的时间信息T_CM，并用T_CM修正自身系统时间，当修正完成之后向上位计算机宣告修正成功，当前上位计算机-协调器时间同步结束。

进一步的，所述的步骤S3中具体步骤如下：

无线传感器网络中的所述协调器节点按照设定的周期广播发送时间同步帧，该帧包含时间戳、跳数记录、同步周期、冗余检验；该周期为同步周期N，为无线传感器网络中设定的专用于时间同步的时间点，即当前同步完成之后，下一次同步的时间点，路由节点在收到该时间同步帧中的下一次同步时间点信息，在下一次同步之前做好时间同步的准备。

进一步的，所述的步骤S4中的具体步骤如下：

所述路由节点在接收到时间同步帧时，会获取帧内的信息和信号强度值RSSI，所述路由节点要根据信号强度值RSSI和经过的路由跳数计算从发送端发送到达接收端处理所需要的延迟时间T_LA，并且将时间同步帧中的时间戳和延迟时间结合，并且和收到时间同步帧的路由节点本地的时间进行比较，若出现偏差则根据偏差的大小采用线性回归的方法进行调整；

调整的方法如下：收到时间同步帧的路由节点收到的时间同步帧时间戳T₁、本地时间T₂，先根据到达延迟时间T_LA，对T₁进行修正得到修正时间T_M；修正时间T_M和本地时间T₂形成一个时间对（T_M,T₂），对（T_M,T₂）时间对进行计算，得到一个每分钟的时间偏差T_D，在每分钟时刻T₂后加上T_D来确保接下来的时间的准确性，并且时间对（T_M,T₂）会根据环境变化而变化，保证在环境发生重大变化的时候能够保证时间的准确性，最后将当前的本地时间T₂调整为T_M；

若到达周期时间内，节点未收到时间同步帧，则节点继续按照上一次时间同步得到的T_D进行每分钟的时间偏差修正。

进一步的，所述的步骤S5中的具体步骤如下：

收到时间同步帧的路由节点在完成时间同步后，关闭自身时间同步帧的接收，当前周期内不再接收来自其他任何节点的时间同步帧，并根据当前本地时间写入时间同步帧，并将根据收到的时间同步帧中的路由跳数k加1得到新的路由跳数，形成该节点自己的时间同步帧，并立刻广播发送，在发送完毕之后，宣告该节点自身时间同步完成，直到约定的下一次同步时间到来时，再开启时间同步程序；

周围广播域中的其他节点在收到该广播信息时，若尚未关闭时间同步，则需根据该时间同步帧中的信息进行时间同步。

本发明的有益效果：

本发明通过实验验证了时间同步方法的有效性和可靠性，能够提高复杂环境的无线传感器网络的时间精确度，完全满足煤矿无线传感器网络的要求。

附图说明

图1复杂环境的无线传感器网络时间同步方法网络结构图；

图2复杂环境的无线传感器网络时间同步帧扩散图；

图3复杂环境的无线传感器网络协调器节点时间同步流程图；

图4复杂环境的无线传感器网络路由节点时间同步流程图。

具体实施方式

针对如图3所示的无线传感器网络所发明的时间同步方法包括以下步骤：

S1、上位计算机或计算机通过网络将时间同步命令传输给协调器节点，保证协同工作的所有协调器节点的时间同步；

S2、所述协调器节点根据上位计算机给出的时间同步信息调整自身的本地时钟，保证自身时钟和协同工作的所有协调器节点一致；

S3、协调器节点向路由节点广播时间同步帧，对路由节点进行时间同步；

S4、所述路由节点根据协调器节点给定的时间同步帧中的信息进行时间同步；

S5、所述路由节点完成时间同步后继续向网络中广播扩散时间同步帧，使得其他未完成时间同步的路由节点都能够得到时间同步。

参阅图1以及图2，具体在煤矿井下的节点部署：以煤矿采空区为例（高约4米，长100米、宽80米），协调器节点S部署在采煤工作面的两侧上风巷和下风巷上，因为煤矿采空区是一个矩形区域，所以路由器节点R按照5米的间隔布置成一个方阵，由于煤矿对信号衰减的影响较大，事先测定了用于煤矿信号衰减和传播时延的大致相关的数据。除了协调器节点S采用固定外接电源供电之外，其他所有的路由节点R均使用电池供电。另外，上位计算机布置在地面监控室中，上位计算机通过通信环网和网关接入协调器，并保持和协调器节点S的通信顺畅。协调器节点S和网关之间也采用有线连接的方式。

在部署完毕之后就可以开始进行时间同步的步骤：

1、上位计算机和协调器之间的时间同步：每个工作区域内可能有多个协调器节点，需保证一个区域内协同工作的多个协调器节点工作在一个时间点上，通过上位计算机对网内所有传感器网络的协调器节点进行时间同步，上位计算机将同步命令发送给网络内的协调器节点，并记录发送的时间T_S，收到同步命令的协调器节点直接将该同步命令返回给上位计算机，上位计算机记录下返回的时间T_R，上位计算机通过计算T_R和T_S的时间差2T_L-，上位计算机将当前的时间T_C和时间T_L相加得到修正后的协调器节点时间T_CM，并将该修正时间T_CM发送给相应的协调器节点，针对每个协调器节点都有相应的T_CM，以保证网络中的所有协调器高度同步；

协调器节点收到上位计算机发送同步命令之后携带上自身的节点信息不加处理立即回复给上位计算机，由于协调器节点的处理能力很高，处理的时间相对于传输的延时基本可以忽略不计，在回复同步命令之后，协调器节点等待上位机发送时间信息，当收到时间信息之后，提取出其中的时间信息T_CM，并用T_CM修正自身系统时间。当修正完成之后向上位计算机宣告修正成功，当前上位计算机-协调器时间同步结束；

2、协调器节点向无线传感器网络进行时间同步：协调器节点在完成自身时间的同步之后，通过无线发送器向无线传感器网络中广播发送带有自身信息的时间同步帧，该帧包含时间信息、跳数记录、冗余检验、下一次同步时间点等；该周期为同步周期60分钟，为网络中约定好的专用于时间同步的时间点，即当前同步完成之后下一次同步的时间点，其他节点在收到该时间同步帧中的下一次同步时间点信息，将在下一次同步之前做好时间同步的准备；

3、如图4所示，路由节点进行时间同步：周围广播域内的节点在接收到时间同步帧时，会获取帧内的信息和信号强度值RSSI，接收节点要根据信号强度和经过的路由跳数估计从发送端发送到达接收端处理所需要的延迟时间T_LA，并且将时间同步帧中的发送时间和延迟时间结合，并且和节点本地的时间进行比较，若出现偏差则根据偏差的大小采用线性回归的方法进行调整；

调整的方法如下：节点收到的时间同步帧时间戳T₁、本地时间T₂，先根据到达延迟时间T_LA，对T₁进行修正得到修正时间T_M；修正时间T_M和本地时间T₂形成一个时间对（T_M,T₂），对（T_M,T₂）时间对进行计算，得到一个每分钟的时间偏差T_D，在每分钟时刻T₂后加上T_D来确保接下来的时间的准确性，并且时间对（T_M,T₂）会根据环境变化而变化，保证在环境发生重大变化的时候能够保证时间的准确性，最后将当前的本地时间T₂调整为T_M；

若到达周期时间内，节点未收到时间同步帧，则节点继续按照上一次时间同步得到的T_D进行每分钟的时间偏差修正。

4、路由节点转发时间同步：节点在自身时间调整完整之后，关闭自身时间同步帧的接收，当前周期内不再接收来自其他任何节点的时间同步帧，并根据当前本地时间写入时间同步帧，并将根据收到的时间同步帧中的路由跳数k加1得到新的路由跳数，形成该节点自己的时间同步帧，并立刻广播发送，在发送完毕之后，宣告该节点自身时间同步完成，直到约定的下一次同步时间到来时再开启时间同步程序；

周围通信区域中的其他路由节点在收到该广播信息时，若尚未关闭时间同步，则需根据该时间同步帧中的信息进行时间同步，同步方法如路由节点处理时间同步帧中所述获取时间同步帧内的信息和信号强度值RSSI，接收节点要根据信号强度和经过的路由跳数估计从发送端发送到达接收端处理所需要的延迟时间T_LA，并且将时间同步帧中的发送时间和延迟时间结合，并且和节点本地的时间进行比较，若出现偏差则根据偏差的大小进行调整；

5、时间调整方法：根据收到时间同步帧中的T₁和时间延迟T_LA计算修正后的同步时间T_M，即预估的正确时间。（毫秒）（公式中的数值都为工程经验值）,再通过T_M和本地时间比较得到每分钟的本地的时间差，。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，上面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于上面描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。并且，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种适用于复杂环境的无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、上位计算机通过网络将时间同步命令传输给协调器节点，保证协同工作的所有协调器节点的时间同步；

S2、所述协调器节点根据上位计算机给出的时间同步信息调整自身的本地时钟，保证自身时钟和协同工作的所有协调器节点一致；

S3、协调器节点向路由节点广播时间同步帧，对路由节点进行时间同步；

S4、所述路由节点根据协调器节点给定的时间同步帧中的信息进行时间同步；

S5、所述路由节点完成时间同步后继续向网络中广播扩散时间同步帧，使得其他未完成时间同步的路由节点都能够得到时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种适用于复杂环境的无线传感器网络的时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S1中协调器节点和上位计算机的部署结构为星型网络结构，所述上位计算机通过通信环网和通信网关接入无线传感器网络协调器节点。

3.根据权利要求1或2中所述的复杂环境的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S2中具体步骤如下：

所述协调器节点收到所述上位计算机发送的时间同步命令之后携带上自身的节点信息立即回复给上位计算机，当协调器节点收到时间同步信息之后，提取出其中的时间信息T_CM，并用T_CM修正自身系统时间，当修正完成之后向上位计算机宣告修正成功，当前上位计算机-协调器时间同步结束。

4.根据权利要求1或2中所述的复杂环境的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S3中具体步骤如下：

无线传感器网络中的所述协调器节点按照设定的周期广播发送时间同步帧，该帧包含时间戳、跳数记录、同步周期、冗余检验；该周期为同步周期N，为无线传感器网络中设定的专用于时间同步的时间点，即当前同步完成之后，下一次同步的时间点，路由节点在收到该时间同步帧中的下一次同步时间点信息，在下一次同步之前做好时间同步的准备。

5.根据权利要求1或2中所述的复杂环境的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S4中的具体步骤如下：

所述路由节点在接收到时间同步帧时，会获取帧内的信息和信号强度值RSSI，所述路由节点要根据信号强度值RSSI和经过的路由跳数计算从发送端发送到达接收端处理所需要的延迟时间T_LA，并且将时间同步帧中的时间戳和延迟时间结合，并且和收到时间同步帧的路由节点本地的时间进行比较，若出现偏差则根据偏差的大小采用线性回归的方法进行调整；

调整的方法如下：收到时间同步帧的路由节点收到的时间同步帧时间戳T₁、本地时间T₂，先根据到达延迟时间T_LA，对T₁进行修正得到修正时间T_M；修正时间T_M和本地时间T₂形成一个时间对（T_M,T₂），对（T_M,T₂）时间对进行计算，得到一个每分钟的时间偏差T_D，在每分钟时刻T₂后加上T_D来确保接下来的时间的准确性，并且时间对（T_M,T₂）会根据环境变化而变化，保证在环境发生重大变化的时候能够保证时间的准确性，最后将当前的本地时间T₂调整为T_M；

若到达周期时间内，节点未收到时间同步帧，则节点继续按照上一次时间同步得到的T_D进行每分钟的时间偏差修正。

6.根据权利要求1或2中所述的复杂环境的无线传感器网络时间同步方法，其特征在于，所述的步骤S5中的具体步骤如下：

收到时间同步帧的路由节点在完成时间同步后，关闭自身时间同步帧的接收，当前周期内不再接收来自其他任何节点的时间同步帧，并根据当前本地时间写入时间同步帧，并将根据收到的时间同步帧中的路由跳数k加1得到新的路由跳数，形成该节点自己的时间同步帧，并立刻广播发送，在发送完毕之后，宣告该节点自身时间同步完成，直到约定的下一次同步时间到来时，再开启时间同步程序；

周围广播域中的其他节点在收到该广播信息时，若尚未关闭时间同步，则需根据该时间同步帧中的信息进行时间同步。