CN106341879A - 一种基于gps时间基准多点同步通信方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
一种基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，该设备能够实现应用802.15.4通信时，多路分时数据同步通信，同时应用于数据采集与处理。GPS可以提供精确的时间基准信息，通过接收GPS(全球卫星定位系统)发送的同步脉冲信号和时间信息，为设备数据采集部分和通讯部分提供精确的时间信息和时间同步信号。本发明优点：通过GPS授时模块的同步信号输入到各通讯设备的MCU中断引脚，可对MCU定时器定时初时时刻进行同步，基于GPS同步的各通讯设备的定时器定时误差将具一致性；数据发送的同步和周期性发生时刻，是受GPS同步的，可以提高同步通讯的精确度；采用基于GPS时间基准的多路分时通讯方法，多设备之间数据传输互不干扰。
Description
技术领域
本发明属于运动监测产品的通讯应用领域，具体是涉及一种基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备。
背景技术
在体育运动训练监测过程中，由于存在多个设备的数据源同步且相关数据传输到同一个设备进行分析，或是单个设备的多种数据需要同步分发给多个设备的应用。数据的分发与传输，存在一定的时间同步要求，这就需要数据的采集与传输及通讯基于同一个时间基准。GPS不仅具有定位功能，还能提供准确统一的时间。基于GPS时间基准的同步通讯方法及其设备，能够解决分时多路通讯的精确同步通讯、数据采样同步等功能，可以用于运动监测等相关产品的通讯与数据传输。
802.15.4通信协议是针对低速无线个人区域网络(low-rate wireless personal area network,LR-WPAN)制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为不同设备之间的低速互连提供统一标准。802.15.4通信协议共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧。信标帧可以用来识别个域网，同步个域网中的设备，描述超帧结构等。低速无线个域网允许可选择性的使用超帧(superframe)结构。超帧的格式由协调器决定。在使用超帧结构的模式下，协调器会根据设置周期性的发送信标帧(beacon)，通过引入GPS时间基准，来获取精确时间基准信号,同步协调器周期性发送信标帧，这样就能保证在多个具有GPS时间基准的设备通讯过程中的同步问题。
发明内容
本发明目的是提供一种基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，该设备能够实现应用802.15.4通信时，多路分时数据同步通信，同时应用于数据采集与处理。GPS可以提供精确的时间基准信息，通过接收GPS(全球卫星定位系统)发送的同步脉冲信号和时间信息，为设备数据采集部分和通讯部分提供精确的时间信息和时间同步信号。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于GPS时间基准多点同步通信设备，包括无线移动基站和通讯分机，其中通讯分机包括MCU处理单元、GPS授时模块、GPS天线、802.15.4通讯模块、802.15.4通讯模块天线、数据接口模块、电源管理模块,其中GPS授时模块、无线通信模块、数据接口模块与MCU处理单元相连接，GPS天线与GPS授时模块相连接，802.15.4通讯模块天线与802.15.4通讯模块相连接，电源管理模块分别MCU处理单元、GPS授时模块、802.15.4通讯模块、数据接口模块相连接，并提供电源。
所述无线移动基站，用于与多个通讯分机建立通信连接。
所述GPS授时模块、GPS天线，用于获取高精度GPS时间基准信号；
所述数据接口模块，用于接收外部数据源，并进行数据接口转换和解析处理；
所述MCU处理单元，用于将接收数据信息加上时间戳，同时MCU处理单元以接收高精度GPS时间为基准，控制接收数据发送时机；
所述802.15.4通讯模块，用于实时发送MCU处理单元传输的数据。
所述GPS模块，采用高精度GPS授时模块，时间精度误差小于1微秒；所述GPS天线采用360度螺旋天线。
所述数据接口模块，支持接收多路数据源信号。
所述电源管理模块，包含电池、电源管理；电池用于提供设备电能，电源管理模块用于检测电源充电、放电和电池电量，当电池电量低于下限值时发送告警信号，电池电量低于极限值时切断电源输出。
所述802.15.4通信模块，与无线移动基站之间采用802.15.4协议进行数据通信；
所述无线移动基站，内置802.15.4通讯模块有多个通道，每个通道用于单个通讯分机的数据通信。
一种基于GPS时间基准多点同步通信方法，包括以下步骤：
①、通讯分机GPS授时模块接收GPS卫星时间基准信号，并通过I2C总线传输至MCU处理单元；通讯分机数据接口模块接收各设备采集原始数据并传输至MCU处理单元；
②、通讯分机MCU处理单元对数据接口模块传输的数据进行缓存，并以接收GPS时间为基准，定时控制数据的发送，发送后数据传输至通讯分机的802.15.4通讯模块；
③、通讯分机802.15.4通讯模块将接收数据实时发送至无线移动基站；
④、无线移动基站将接收多路通讯分机发送数据，实时转发给相关设备进行数据分析。
步骤1中，所述数据接口模块，接收的数据信息为数字信号，该信号经过接口协议转换后送入MCU处理单元。
步骤2中，所述GPS授时模块，获取高精度GPS基准时间信号，连接到MCU的中断引脚,用于在中断中进行定时和同步。
步骤2中，所述MCU处理单元，当进行通讯时，首先通过连接于MCU的中断引脚的上升沿脉冲信号，引起中断；在中断服务程序中进行同步和定时。
步骤2中，所述MCU处理单元数据发送时，同步于GPS基准时钟，开始发送数据；所述MCU处理单元每次数据发送间隔时间长度能够通过软件进行设置，也就是对定时器初值进行设置。
步骤2中，所述通讯分机MCU处理单元数据发送时机，按照无线移动基站管理的通讯分机名称及每个通讯分机编号顺序周期性循环发送数据。
步骤3中，所述通讯分机802.15.4通信模块，与无线移动基站数据通信采用802.15.4协议进行通信，该协议共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧；所述信标帧可以用来识别个域网，同步个域网中的设备；所述确认帧，用于数据发送完毕确认；当多路通讯分机设备要传输数据时，监测并同步信标帧，获取通讯链路状态；当获得信道资源后，开始建立链接传输数据，收到数据后，发送应答信号，通讯完成。
步骤4中，所述无线移动基站，用于管理多个无线通讯分机进行数据通信，同时转发通讯分机发送的数据。
采用上述技术方案的本发明，它具有以下优点：
(1)本发明通过GPS授时模块的1s同步信号输入到各通讯设备的MCU中断引脚，可对MCU定时器定时初时时刻进行同步，基于GPS同步的各通讯设备的定时器定时误差将具一致性；
(2)本发明中数据发送的同步和周期性发生时刻，是受GPS同步的，可以提高同步通讯的精确度；
(3)本发明中采用基于GPS时间基准的多路分时通讯方法，多设备之间数据传输互不干扰。
附图说明
图1为本发明的整体结构图。
图2为本发明的整体数据传输图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。但是本发明并不仅仅限于这些实施例。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”“包含”等类似词语应当解释为包含的含义，而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，一种基于GPS时间基准多点同步通信设备，包括无线移动基站和通讯分机，其中通讯分机包括MCU处理单元、GPS授时模块、GPS天线、802.15.4通讯模块、802.15.4通讯模块天线、数据接口模块、电源管理模块,其中GPS授时模块、无线通信模块、数据接口模块与MCU处理单元相连接，GPS天线与GPS授时模块相连接，802.15.4通讯模块天线与802.15.4通讯模块相连接，电源管理模块分别MCU处理单元、GPS授时模块、802.15.4通讯模块、数据接口模块相连接，并提供电源。
所述无线移动基站，用于与多个通讯分机建立通信连接。
所述GPS授时模块、GPS天线，用于获取高精度GPS时间基准信号；
所述数据接口模块，用于接收外部数据源，并进行数据接口转换和解析处理；
所述MCU处理单元，用于将接收数据信息加上时间戳，同时MCU处理单元以接收高精度GPS时间为基准，控制接收数据发送时机；
所述802.15.4通讯模块，用于实时发送MCU处理单元传输的数据。
所述GPS模块，采用高精度GPS授时模块，时间精度误差小于1微秒；所述GPS天线采用360度螺旋天线。
所述数据接口模块，支持接收多路数据源信号。
所述电源管理模块，包含电池、电源管理；电池用于提供设备电能，电源管理模块用于检测电源充电、放电和电池电量，当电池电量低于下限值时发送告警信号，电池电量低于极限值时切断电源输出。
所述802.15.4通信模块，与无线移动基站之间采用802.15.4协议进行数据通信；
所述无线移动基站，内置802.15.4通讯模块有多个通道，每个通道用于单个通讯分机的数据通信。
如图2所示，由GPS授时模块获取高精度GPS基准时间信号，首先连接至MCU的中断引脚，在中断中进行同步和定时，经同步、定时后，提供时标信号供数据通讯使用；同时数据接口模块接收各设备采集原始数据并传输至MCU处理器，MCU处理器对数据接口模块传输的数据进行缓存，并以接收GPS时间为基准定时控制数据的发送，经MCU处理器处理后数据，经802.15.4通讯模块发送至无线移动基站。
一种基于GPS时间基准多点同步通信方法，包括以下步骤：
①、GPS授时模块接收GPS卫星时间基准信号，并通过I2C总线传输至MCU处理单元，数据接口模块接收各设备采集原始数据并传输至MCU处理单元；
②、通讯分机MCU处理单元对数据接口模块传输的数据进行缓存，并以接收GPS时间为基准，定时控制数据的发送，发送后数据传输至通讯分机的802.15.4通讯模块；
③、通讯分机802.15.4通讯模块将接收数据实时发送至无线移动基站；
④、无线移动基站将接收多路通讯分机发送数据，实时转发给相关设备进行数据分析。
步骤1中，所述数据接口模块，接收的数据信息为数字信号，该信号经过接口协议转换后送入MCU处理单元。
步骤2中，所述GPS授时模块，获取高精度GPS基准时间信号，首先连接到MCU中断引脚，在中断中进行时钟同步和定时，用于各通讯模块MCU的同步和定时，使其通讯时在同一同步信号下进行数据同步，定时发送。
步骤2中，所述MCU处理单元，当进行通讯时，首先GPS授时模块的时间基准信号通过连接MCU的中断引脚，当时间基准信号的上升沿到来时，触发中断，在中断服务程序中，进行时钟同步和定时器的定时操作。
步骤2中，所述MCU处理单元数据发送时，同步于GPS基准时钟，开始发送数据；所述MCU处理单元每次数据发送间隔时间长度能够通过软件进行设置，也就是对定时器初值进行设置。
步骤2中，所述通讯分机MCU处理单元数据发送时机，按照无线移动基站管理的通讯分机名称及每个通讯分机编号顺序周期性循环发送数据。
步骤3中，所述通讯分机802.15.4通信模块，与无线移动基站数据通信采用802.15.4协议进行通信，该协议共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧；所述信标帧可以用来识别个域网，同步个域网中的设备；所述确认帧，用于数据发送完毕确认；当多路通讯分机设备要传输数据时，监测并同步信标帧，获取通讯链路状态；当获得信道资源后，开始建立链接传输数据，收到数据后，发送应答信号，通讯完成。
步骤4中，所述无线移动基站，用于管理多个无线通讯分机进行数据通信，同时转发通讯分机发送的数据。
本发明能够实时通讯设备的MCU主频的同步，基于主频同步的各通讯设备的定时器，定时误差将具一致性。
本发明中数据发送的同步和周期性发生时刻，是受GPS同步的，可以提高同步通讯的精确度。
本发明中采用基于GPS时间基准的多路分时通讯方法，多设备之间数据传输互不干扰。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，其特征在于，它包括以下步骤：
①、通讯分机GPS授时模块接收GPS卫星时间基准信号，并通过I2C总线传输至MCU处理单元；通讯分机数据接口模块接收各设备采集原始数据并传输至MCU处理单元；
②、通讯分机MCU处理单元对数据接口模块传输的数据进行缓存，并以接收GPS时间为基准，定时控制数据的发送，发送后数据传输至通讯分机的802.15.4通讯模块；
③、通讯分机802.15.4通讯模块将接收数据实时发送至无线移动基站；
④、无线移动基站将接收多路通讯分机发送数据，实时转发给相关设备进行数据分析。
2.根据权利要求1所述基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，其特征在于：所述数据接口模块，接收的数据信息为数字信号，该信号经过接口协议转换后送入MCU处理单元。
3.根据权利要求1所述基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，其特征在于：步骤2中，所述GPS授时模块，获取高精度GPS基准时间信号，连接到MCU的中断引脚,用于在中断中进行定时和同步。
4.根据权利要求1所述基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，其特征在于：步骤2中，所述MCU处理单元，当进行通讯时，首先通过连接于MCU的中断引脚的上升沿脉冲信号，引起中断；在中断服务程序中进行同步和定时。
5.根据权利要求1所述基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，其特征在于：步骤2中，所述MCU处理单元数据发送时，同步于GPS基准时钟，开始发送数据；所述MCU处理单元每次数据发送间隔时间长度能够通过软件进行设置，也就是对定时器初值进行设置。
6.根据权利要求1所述基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，其特征在于：步骤2中，所述通讯分机MCU处理单元数据发送时机，按照无线移动基站管理的通讯分机名称及每个通讯分机编号顺序周期性循环发送数据。
7.根据权利要求1所述基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，其特征在于：步骤3中，所述通讯分机802.15.4通信模块，与无线移动基站数据通信采用802.15.4协议进行通信，该协议共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧；所述信标帧可以用来识别个域网，同步个域网中的设备；所述确认帧，用于数据发送完毕确认；当多路通讯分机设备要传输数据时，监测并同步信标帧，获取通讯链路状态；当获得信道资源后，开始建立链接传输数据，收到数据后，发送应答信号，通讯完成。
8.根据权利要求1所述基于GPS时间基准多点同步通信方法及其设备，其特征在于：步骤4中，所述无线移动基站，用于管理多个无线通讯分机进行数据通信，同时转发通讯分机发送的数据。
9.一种基于GPS时间基准多点同步通信设备，包括无线移动基站和通讯分机，其中通讯分机包括MCU处 理单元、GPS授时模块、GPS天线、802.15.4通讯模块、802.15.4通讯模块天线、数据接口模块、电源管理模块,其中GPS授时模块、无线通信模块、数据接口模块与MCU处理单元相连接，GPS天线与GPS授时模块相连接，802.15.4通讯模块天线与802.15.4通讯模块相连接，电源管理模块分别MCU处理单元、GPS授时模块、802.15.4通讯模块、数据接口模块相连接，并提供电源。
所述无线移动基站，用于与多个通讯分机建立通信连接。
所述GPS授时模块、GPS天线，用于获取高精度GPS时间基准信号；
所述数据接口模块，用于接收外部数据源，并进行数据接口转换和解析处理；
所述MCU处理单元，用于将接收数据信息加上时间戳，同时MCU处理单元以接收高精度GPS时间为基准，控制接收数据发送时机；
所述802.15.4通讯模块，用于实时发送MCU处理单元传输的数据。
10.根据权利要求9所述基于GPS时间基准多点同步通信设备，其特征在于：所述GPS模块，采用高精度GPS授时模块，时间精度误差小于1微秒；所述GPS天线采用360度螺旋天线。
11.根据权利要求9所述基于GPS时间基准多点同步通信设备，其特征在于：所述数据接口模块，支持接收多路数据源信号。
12.根据权利要求9所述基于GPS时间基准多点同步通信设备，其特征在于：所述电源管理模块，包含电池、电源管理；电池用于提供设备电能，电源管理模块用于检测电源充电、放电和电池电量，当电池电量低于下限值时发送告警信号，电池电量低于极限值时切断电源输出。
13.根据权利要求9所述基于GPS时间基准多点同步通信设备，其特征在于：所述802.15.4通信模块，与无线移动基站之间采用802.15.4协议进行数据通信。
14.根据权利要求9所述基于GPS时间基准多点同步通信设备，其特征在于：所述无线移动基站，内置802.15.4通讯模块有多个通道，每个通道用于单个通讯分机的数据通信。
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