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Abstract

一种无线传感网络中时间同步方法及系统，时间发送者将时间信息通过可见光通信告知时间接收者时间同步点的位置，时间接收者使用接收到的时间同步点进行时间同步；所述的时间同步点为在发送信号中为特定时间段内的上跳沿或下跳沿，所述的特定时间段为同步区，所述的同步区内只有一个上跳沿或下跳沿，用来指示时间同步点。本发明所提出的基于可见光通信的时间同步方法，使得所有的传感器节点都向可见光光源直接进行时间同步，因此减少了原有的同步方法的树状结构的层级，提高了同步精度。没有了树状的时钟拓扑，因此每次时间同步时没有了最大幅度的限制，从而有效降低了时间同步过程所需要的时间。

Description

一种无线传感网络中时间同步方法及系统
技术领域
本发明属于可见光通信和无线传感网技术领域，涉及一种使用可见光在无线传感网中进行时间同步的方法。
背景技术
可见光通信(VLC)是利用肉眼看不到的高速明暗闪烁的光信号来传输信息的无线光通信的技术。该技术提供对几百THz的授权频谱的接入、对电磁干扰的抗扰性、以及与射频(RF)系统的互不干涉。VLC技术还通过仅允许特定用户接收传输信号来提供附加安全性，并提供对来自可见光基础设施现有服务(例如，照明、显示、指示、装饰等)进行增强和补充的通信。
近年来，无线传感器网络技术已逐渐向工业领域迈步，成为工业控制领域的革命性技术，是继现场总线之后工业控制领域的又一热点技术，是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围最有潜力的技术，也是未来几年工业自动化发展的新方向。该技术充分融合传感器、计算机网络等现代化技术，以低成本、低投资及高度适用性等优势，实现对工业生产流程的“泛在感知”，以更便捷、更高效的方式获取传统工业生产线上难以获取的重要过程参数，优化生产管理，提高生产效率。
工业无线传感器网络适合在恶劣的工业环境中使用，其独特的低功耗、抗干扰、实时通信等能力，是对传统无线传感器网络在应用于工业领域后的技术创新和功能扩展，为无线数据的传输提供了可靠保障，奠定了工业级无线通信的基础。在ISA100.11a标准中，无线传感网节点之间的时间同步是同过包交换的方式来进行的。在节点加入网络阶段，会由系统管理器(ISA100中负责整个网络配置与管理的设备)指定时钟分发拓扑，这个拓扑是树状结构，具有父子关系的节点必须是相邻的节点；位于拓扑中的子节点的时间都是由父节点同步得到的。时间同步只能在直接相邻的节点间进行。
相邻节点间时间同步的步骤如下：时间接收者向时间源节点发送数据包时会在本地记录发送的时间点Y；时间源节点接收到数据包，并记录接收数据包的时间点X；当时间源节点向时间接收者发送确认报文(确认接收到来自时间接收者的数据包)时，会在确认报文中添加接收数据包的时间点X；时间接收者接收到来自时间源节点的确认报文后，取出X与本地时间Y比较。X与Y的差值就是需要修正的时间差。
由于时钟分发拓扑的树状结构的限制，有树中的根节点时间源同步到叶子结点需要经过多层，会引起同步误差增大，同步精度降低。层数越多，误差越大；由于ISA100.11a标准的限制，各个节点间的时间差不能过大，否则会导致时间差过大的节点无法正常在网络内工作。因此，相邻节点间每次时间同步的步伐不能太大，否则可能会引起其他节点的掉网。例如：在时间拓扑中，A为B的父节点，B为C的父节点，假设节点间最大允许的时间偏差为1ms，A与B的时间偏差为+0.5ms，B与C的时间偏差为+0.6ms，此时如果B节点为了与A同步一次性调整了0.5ms，则会造成B与C的时间偏差变为+1.1ms，大于1ms，C掉网。ISA100.11a中，节点间每次时间调整的最大值为30.5us，因此整个同步过程所需的时间很漫长。
CN104411010A公开了一种使用LED可见光来完成无线传感网络时间同步方法。其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，克服了无线信道资源有限的问题；但是在大规模的网络拓扑结构中，要对所有的节点进行时间同步仍然需要逐级同步，因此依然存在着同步所需时间长、同步精度低的缺陷。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种克服现有技术中存在的同步精度低，同步所需时间长的缺陷，提供一种使用可见光进行时间同步的方法。
本发明的技术方案为：一种无线传感网络中时间同步方法，时间发送者将时间信息通过可见光通信告知时间接收者时间同步点的位置，时间接收者使用接收到的时间同步点进行时间同步；所述的时间同步点为在发送信号中为特定时间段内的上跳沿或下跳沿，所述的特定时间段为同步区，所述的同步区内只有一个上跳沿或下跳沿，用来指示时间同步点。
优选地，一种无线传感网络中时间同步方法，在所述同步区之前添加一段前导码。
优选地，一种无线传感网络中时间同步方法，所述时间接收者先低速率的采集部分前导码，并通过已经得到的部分前导码的信息得到同步区的粗略的开始时间；到同步区到达后，所述时间接收节点唤醒，并以高速率不停检测信号中的上跳沿或下跳沿，以进行时间同步，得到精确的同步时间。
优选地，一种无线传感网络中时间同步方法，所述的低速率为小于等于时间接收者最大采样频率的10％，所述高频率为大于等于时间接收者最大采样频率的90％。
优选地，一种无线传感网络中时间同步方法，所述的前导码为短前导码，所述时间接收节点通过所述短前导码明确同步区到达的时间。
优选地，一种无线传感网络中时间同步方法，所述的前导码在传输过程中出现误码时，所述时间接收者能够检测出误码。
优选地，一种无线传感网络中时间同步方法，所述前导码为德·布鲁因序列。
优选地，一种无线传感网络中时间同步方法，在所述同步区到来前，所述接收者处于休眠状态。
优选地，一种无线传感网络中时间同步方法，所述可见光为LED光源。
本发明还提供一种无线传感网络中时间同步系统，包括时间发送端、时间接收端，所述时间发送端包括单片机、可见光源，所述单片机根据编码后的时间信息控制可见光源灯的亮灭；所述时间接收端包括光敏传感器，所述光敏传感器时刻检测可见光源发送的信息；所述单片机周期性地从时间源获取时间信息，并通过可见光源发送可见光通信告知时间接收端时间同步点的位置，所述时间接收端使用接收到的时间同步点进行时间同步。
本发明所提出的基于可见光通信的时间同步方法，使得所有的传感器节点都向可见光光源直接进行时间同步，因此减少了原有的同步方法的树状结构的层级，提高了同步精度。没有了树状的时钟拓扑，因此每次时间同步时没有了最大幅度的限制，从而有效降低了时间同步过程所需要的时间。
本发明由于采用了加入短前导码，在同步区到来前，接收端会处于休眠状态以降低能耗。
附图说明
图1为本发明一种无线传感网络中时间同步方法的步骤示意图；
图2为本发明一种无线传感网络中时间同步系统结构图；
图3为本发明一种无线传感网络中时间同步方法使用德布鲁因序列用作时间同步的示意图；图4为本发明一种无线传感网络中时间同步方法使用德布鲁因序列用作时间同步时误码检测的示意图；
图5为本发明一种无线传感网络中时间同步方法的另一方法步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图来详细描述本发明一种无线传感网络中时间同步方法及系统。
一种无线传感网络中时间同步方法如图1所示：时间发送者将时间信息通过可见光通信告知时间接收者时间同步点的位置，时间接收者使用接收到的时间同步点进行时间同步；所述的时间同步点为在发送信号中为特定时间段内的上跳沿或下跳沿，所述的特定时间段为同步区，所述的同步区内只有一个上跳沿或下跳沿，用来指示时间同步点。
系统结构如图2所示，包括时间发送端、时间接收端，所述时间发送端包括单片机、可见光源，所述单片机根据编码后的时间信息控制可见光源灯的亮灭；所述时间接收端包括光敏传感器，所述光敏传感器时刻检测可见光源发送的信息；所述单片机周期性地从时间源获取时间信息，并通过可见光源发送可见光通信告知时间接收端时间同步点的位置，所述时间接收端使用接收到的时间同步点进行时间同步。本实施例以使用LED灯作为系统的时间发送端，在节点上添加光敏传感器作为接收端。由图可知整个时间同步的拓扑为一个单层的结构，所有的节点都直接向LED灯进行时间同步。单片机根据编码后的时间信息控制LED灯的亮灭。其中LED灯亮代表数值1，LED灯灭代表数值0。
使用单片机周期性地从时间源获取时间信息，并由此时间信息通过可见光通信告知时间接收者时间同步点的位置，时间接收者使用接收到的时间同步点进行时间同步。为了本方法时间同步的物理作用范围，可以使用导线将多个LED灯连接起来，用一个单片机同时控制多个LED灯工作。由于电的传播速度为光速，因此可以认为各个LED灯之间发送的时间信号没有差别。
由于传感网中的节点一般都是电池供电，而电池供电有一个很大的缺点是能量有限，因此，为了在时间同步的过程中尽可能的减少能量消耗，我们在所述同步区之前添加一段前导码。
此时同步方法为：时间接收者先低速率的采集部分前导码，并通过已经得到的部分前导码的信息得到同步区的粗略的开始时间；到同步区到达后，所述时间接收节点唤醒，并以高速率不停检测信号中的上跳沿或下跳沿，以进行时间同步，得到精确的同步时间。
图3所示，所述前导码为德·布鲁因序列，德布鲁因序列(De Bruijn sequence)，用B(k,n)表示，是k元素构成的循环序列。所有长度为n的k元素构成序列都在它的子序列(以环状形式)中，出现并且仅出现一次。例如，序列00010111属于B(2,3)。注意到，00010111的所有长度为3的子序列为000,001,010,101,011,111,110,100，正好构成了{0,1}3的所有组合。
由于德布鲁因序列中每一个子序列都有固定的位置，因此当时间接收者接收到其中任意一个子序列时，都可以对照德布鲁因序列的子序列位置表得到当前子序列所处的位置，进而从中得出德布鲁因序列的结束位置，也就是同步区的开始位置。
由于前导码在传输过程中可能会出现误码的情况，一旦误码的情况出现，就会导致时间接收者接收到错误的信息，在错误的时间点唤醒，无法正确同步时间。为了解决这一状况，我们使用以下方法：
以图4为例，一个B(2,3)的前导码，只需要接收三位二进制比特信息即可获取到正确的当前时间，从而得出同步区的位置。为了达到纠错的目的，我们在三位的基础上增加两位比特信息，用作纠错。没有误码的情况下，五位前导码顺序获得的子序列在子序列位置表中的位置应该是连续的，当误码产生时，会出现不连续的情况。由此可以检测出误码发生。当检测出误码时，参见图5，系统重新开始时间同步。

Claims (10)

1.一种无线传感网络中时间同步方法，时间发送者将时间信息通过可见光通信告知时间接收者时间同步点的位置，时间接收者使用接收到的时间同步点进行时间同步；所述的时间同步点为在发送信号中为特定时间段内的上跳沿或下跳沿，所述的特定时间段为同步区，所述的同步区内只有一个上跳沿或下跳沿，用来指示时间同步点。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络中时间同步方法，其特征在于：在所述同步区之前添加一段前导码。
3.根据权利要求2所述的无线传感网络中时间同步方法，其特征在于：所述时间接收者先低速率的采集部分前导码，并通过已经得到的部分前导码的信息得到同步区的粗略的开始时间；到同步区到达后，所述时间接收节点唤醒，并以高速率不停检测信号中的上跳沿或下跳沿，以进行时间同步，得到精确的同步时间。
4.根据权利要求3所述的无线传感网络中时间同步方法，其特征在于：所述的低速率为小于等于时间接收者最大采样频率的10％，所述高频率为大于等于时间接收者最大采样频率的90％。
5.根据权利要求2所述的无线传感网络中时间同步方法，其特征在于：所述的前导码为短前导码，所述时间接收节点通过所述短前导码明确同步区到达的时间。
6.根据权利要求2所述的无线传感网络中时间同步方法，其特征在于：所述的前导码在传输过程中出现误码时，所述时间接收者能够检测出误码。
7.根据权利要求2-6任一所述的无线传感网络中时间同步方法，其特征在于：所述前导码为德·布鲁因序列。
8.根据权利要求3所述的无线传感网络中时间同步方法，其特征在于：在所述同步区到来前，所述接收者处于休眠状态。
9.根据权利要求1-8任一所述的无线传感网络中时间同步方法，其特征在于：所述可见光为LED光源。
10.一种无线传感网络中时间同步系统，包括时间发送端、时间接收端，其特征在于：所述时间发送端包括单片机、可见光源，所述单片机根据编码后的时间信息控制可见光源灯的亮灭；所述时间接收端包括光敏传感器，所述光敏传感器时刻检测可见光源发送的信息；所述单片机周期性地从时间源获取时间信息，并通过可见光源发送可见光通信告知时间接收端时间同步点的位置，所述时间接收端使用接收到的时间同步点进行时间同步。
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