CN107517435B - 一种基于无线传感器网络的声波同步采集系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的声波同步采集系统和方法。该系统包括无线收发模块、若干个传感器采集节点、一个传感器汇聚节点、微处理器MCU、上位机。上位机和汇聚节点以及汇聚节点和采集节点之间通过无线收发模块进行通信。通过汇聚节点向采集节点发送两次广播，在两次广播时间间隔内，汇聚节点受到击打，采集节点收到击打产生的声波，汇聚节点和采集节点记录相应的时刻。采集节点和汇聚节点将所记录的时刻无线传输至上位机，由上位机执行对时算法，消除由于采集节点时钟和汇聚节点时钟不一致带来的计时误差。本发明与传统的采用有线触发信号对时方式比，大大地减少了连线。能够方便地部署传感器，并准确地测量木材质量。

Description

一种基于无线传感器网络的声波同步采集系统和方法
技术领域
本发明属于时间同步技术领域，尤其涉及一种采用无线广播的方式对各分布传感器节点实现精确对时的方法,具体涉及一种基于无线传感器网络的声波同步采集系统和方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network)，是由大量传感器节点通过自组织方式组成的多跳无线通信网络。将WSN技术应用于原木质量检测系统，可降低声波采集传感器的安装难度，提高数据采集的便利性。原木质量检测系统对传感器采集数据有严格的同步要求。各采集节点应以相同的时钟记录声波波形，事实上由于各采集节点的时钟晶振是独立的，存在频偏，导致汇聚节点与采集节点的计时存在时差。所以各采集节点记录数据的时间将不同步，影响后期波形处理，如将多个采集节点采集波形进行叠加，以消除噪声、提取有效信息时，若波形采集不同步，将导致不同采集节点采集波形的波峰和波谷相加，进而丢失有效波形信息。因此，需要将各采集节点时钟与汇聚节点时钟对时，即各采集节点的记录时刻均以汇聚节点时钟为基准。消除由于时钟不一致带来的测量误差。
现有的各传感器时间同步方法多采用时钟分配器先将参考时钟分成多路，再以有线的方式接入各传感器。这种方式使得当传感器数量增加时，系统连线的复杂度也随之增加，部署不方便。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种采用无线广播的方式实现分布传感器节点精确对时的系统和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。采用无线广播实现传感器节点精确对时，该系统包括无线收发模块、若干个传感器采集节点、一个传感器汇聚节点、上位机。上位机和汇聚节点之间、汇聚节点和采集节点之间通过无线收发模块进行通信；传感器汇聚节点完成采集外界击打信号并记录该时刻，同时向传感器采集节点广播对时指令和数据传输指令；传感器采集节点完成采集经介质传播延迟后的击打信号并记录该时刻，并接收汇聚节点的指令；微处理器MCU则控制传感器采集节点、传感器汇聚节点和无线收发模块，实现无线通信、数据采集和协议的处理；上位机接收采集节点和汇集节点收到击打信号的时刻，并执行各节点记录采集击打信号时间的对准算法。
对时后，各采集节点记录时刻应以汇聚节点时钟为基准。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包含如下步骤：
步骤(1)由汇聚节点以本地时钟频率进行计数并广播第一帧(计数广播帧)，通知所有采集节点以各自时钟频率进行计数。
步骤(2)在计数广播帧发出后指定时间内，汇聚节点应受到击打，汇聚节点记录受到击打时的计数值S，各采集节点记录感应到声波时刻的计数值Mi。当汇聚节点计数达到指定次数N后，广播第二帧(停止计数广播帧)，通知各采集节点停止计数，保存计数值Ni。若在计数广播帧发出后指定时间内，汇聚节点没有受到击打，则汇聚节点重新广播第一帧(计数广播帧)，即转至步骤(1)。
步骤(3)汇聚节点收集计数值S、Mi、N、Ni，并无线传至上位机。
步骤(4)由上位机执行算法，完成节点的时间校对算法。考虑由上位机完成节点时间校对是因为时间校对运算精度高，涉及到浮点数计算。
为保证校时误差精度；各节点(汇聚节点和采集节点)的计数应完全由计数器硬件完成，尽量避免软件介入计数过程，带来误差。此外，为保证汇聚节点至采集节点广播的对时指令(计数广播帧和停止计数广播帧)，能被各采集节点同时收到，无线模块发送或接收对时指令应在物理层完成通信。
本发明有益效果如下：为解决现有产品的不足，本发明提出一种采用无线广播式的对时方法保证各传感器的时间对准。本发明已在原木质量检测系统中成功应用，实践表明该对时方法与传统的采用有线触发信号对时方式比，大大地减少了连线。能够方便地部署传感器，并准确地测量木材质量。
附图说明
图1无线传感器网络声波同步采集系统构成；
图2无线传感器网络声波同步采集系统工作流程图；
图3汇聚节点与采集节点各计时时刻和记录值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，无线对时系统包括天线、无线收发模块、传感器采集节点、传感器汇聚节点、上位机。上位机和汇聚节点之间、汇聚节点和采集节点之间通过无线收发模块进行通信；传感器汇聚节点完成采集外界击打信号并记录该时刻，同时向传感器采集节点广播对时指令和数据传输指令；传感器采集节点完成采集经介质传播延迟后的击打信号并记录该时刻，并接收汇聚节点的指令；微处理器MCU则控制传感器采集节点、传感器汇聚节点和无线收发模块，实现无线通信、数据采集和协议的处理；上位机接收采集节点和汇集节点收到击打信号的时刻，并执行各节点记录采集击打信号时间的对准算法。
如图2所示，一种采用无线广播的方式对各分布传感器节点实现精确对时的方法。对时后，各采集节点记录时刻应以汇聚节点时钟为基准。包含如下步骤：
步骤(1)由汇聚节点以本地时钟进行计数并广播第一帧(计数广播帧)，通知所有采集节点以各自时钟进行计数。
步骤(2)在计数广播帧发出后指定时间内，汇聚节点应受到击打，汇聚节点记录受到击打时的计数值S，各采集节点记录感应到声波时刻的计数值Mi。当汇聚节点计数达到指定次数N后，广播第二帧(停止计数广播帧)，通知各采集节点停止计数，保存计数值Ni。若在计数广播帧发出后指定时间内，汇聚节点没有受到击打，则汇聚节点重新广播第一帧(计数广播帧)，即转至步骤(1)。
步骤(3)汇聚节点收集计数值S、Mi、N、Ni，并无线传至上位机。
步骤(4)由上位机执行算法，完成节点的时间校对和测量计算。步骤(1)至(3)在微处理器MCU中完成；
为保证校时精度。各节点(汇聚节点和采集节点)的计数应完全由计数器硬件完成，尽量避免软件介入计数过程，带来误差。此外，为保证汇聚节点至采集节点广播的对时指令(计数广播帧和停止计数广播帧)，能被各采集节点同时收到，无线模块应在物理层完成通信。
图3为各主要时刻及汇聚节点和采集节点的记录值。t1为汇聚节点第一次广播的时刻，汇聚节点和采集节点的计数值分别为B1_SINK，B1_Si；t2为汇聚节点受击打的时刻，汇聚节点的计数值为S；ti为声波从受击打的汇聚节点传递到采集节点的时刻，采集节点的计数值为Mi；t3为汇聚节点第二次广播的时刻，汇聚节点和采集节点的计数值分别为B2_SINK，B2_Si。由于汇聚节点和采集节点的晶振是独立的，存在频偏，导致汇聚节点与采集节点的计时存在时差。ti'为采集节点校时后，即以汇聚节点时钟为参考时钟，收到声波的时刻。对步骤(4)由上位机执行对时算法时，tr、ts和td均以汇聚节点时钟为基准时钟。tr为从汇聚节点第一次广播到采集节点收到声波所经历的时间。ts为从汇聚节点第一次广播到汇聚节点收到声波所经历的时间。td为从汇聚节点收到声波到采集节点收到声波所经历的时间。具体计算过程如下：
步骤(1)，tr的计算。
Figure BDA0001379488090000041
步骤(2)，ts的计算。ts＝S-B1_SINK。
步骤(3)，td的计算。td＝tr-ts。
需要注意的是tr、ts和td是在上位机计算，且均以汇聚节点时钟为基准进行计算。
本发明不失一般性地描述了任意一个采集节点与汇聚节点的对时步骤和算法。虽然通过具体实施方式描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (1)

1.一种基于无线传感器网络的声波同步采集系统的方法，该方法所基于的系统包括无线收发模块、若干个传感器采集节点、一个传感器汇聚节点、微处理器MCU、上位机；
上位机和汇聚节点之间、汇聚节点和采集节点之间通过无线收发模块进行通信；
传感器汇聚节点完成采集外界击打信号并记录该时刻，同时向传感器采集节点广播对时指令和数据传输指令；
传感器采集节点完成采集经介质传播延迟后的击打信号并记录该时刻，并接收汇聚节点的指令；
微处理器MCU则控制传感器采集节点、传感器汇聚节点和无线收发模块，实现无线通信、数据采集和协议的处理；
上位机完成传感器采集击打信号的处理并执行各传感器节点记录采集击打信号时间的对准算法；
其特征在于：该方法具体包含如下步骤：
步骤(1)由汇聚节点以本地时钟频率进行计数并广播计数广播帧，通知所有采集节点以各自时钟频率进行计数；；汇聚节点和采集节点的计数值分别为B1_SINK，B1_Si；；
步骤(2)在计数广播帧发出后指定时间内，汇聚节点应受到击打，汇聚节点记录受到击打时的计数值S，各采集节点记录感应到声波时刻的计数值Mi；当汇聚节点计数达到指定次数N后，广播停止计数广播帧，通知各采集节点停止计数，各采集节点保存计数值Ni，汇聚节点和采集节点的计数值分别为B2_SINK，B2_Si；若在计数广播帧发出后指定时间内，汇聚节点没有受到击打，则汇聚节点重新广播计数广播帧，即转至步骤(1)；
步骤(3)汇聚节点收集计数值S、Mi、N、Ni，并无线传至上位机；
步骤(4)由上位机执行对时算法，完成采集节点时钟与汇聚节点时钟的对时；
对步骤(4)由上位机执行对时算法时，tr、ts和td均以汇聚节点时钟为基准时钟；tr为从汇聚节点第一次广播到采集节点收到声波所经历的时间；ts为从汇聚节点第一次广播到汇聚节点收到声波所经历的时间；td为从汇聚节点收到声波到采集节点收到声波所经历的时间；具体计算过程如下：
步骤(1)，tr的计算；
Figure FDA0002405030490000021
步骤(2)，ts的计算；ts＝S-B1_SINK；
步骤(3)，td的计算；td＝tr-ts。
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