CN107888314A - 一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，属于工业网络技术领域。针对采用工业物联网技术的工厂网络中现场无线网络和回程网使用不同时间同步协议的场景，本发明在不引入额外协议开销的前提下，基于由上而下逐级同步的思想，采用边界网关转发时间信息的机制，使底层物联网节点与回程网中的时间源设备保持时钟同步。边界网关包括主控模块和工业无线模块，主控模块直接与上层时钟源进行同步，下层工业无线节点、路由设备与工业无线模块进行同步，而主控模块与工业无线模块间通过SLIP接口同步时间。本发明根据现场无线网络和回程网的特点和应用需求，协调二者之间的时间同步，有效实现了工业物联网中跨网络时间同步。

Description

一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法

技术领域

本发明属于工业网络技术领域，涉及一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法。

背景技术

工业物联网将无线传感网技术运用到工业现场，摆脱了有线网络的束缚，通过工厂设备之间的互联互通，能够改变传统工业领域被动的信息收集方式，实现自动、准确、及时地收集生产过程参数，满足工业应用现场对于数据的实时性、安全性和可靠性等需求，提供高可靠、低成本的工业制造环境。其在生产工艺优化、生产设备监控、安全生产管理、生产供应链管理等方面有较为广阔的应用前景。

时间同步技术作为无线传感器网络中一项不可或缺的关键技术，能够为全网设备提供共同的时间参考，是网络行进数据融合、能源管理、目标跟踪等服务的重要支撑。而在工业物联网中，设备间具有较强的时序约束关系，且网络确定性调度的实施离不开精确的时间同步技术，因此，时间同步技术对工业物联网尤为重要。

工业物联网主要由工业回程网络和现场无线网络构成。目前，回程网络和现场无线网络各自使用不同的时间同步协议，虽然它们能在各自的网络范围内获得较高的时间同步精度，但是对于跨网络范围的设备间的时间同步支持较弱。所以，在工业物联网将不同通信方式、通信介质，不同时间同步方法的网络融合在一起的情况下，如何实现回程网络设备到现场无线网络设备端到端的跨域时间同步，以及异构网络终端设备之间的同步，对于工业物联网的正常稳定运行具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，该方法结合工业回程网和现场无线网络的自身特点，利用边界网关作为网络间信息传输的中介，实现工业回程网设备与现场无线网络设备间的跨网络时间同步，并获得百微秒级的时间同步精度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，所述工业物联网包括回程网和现场无线网络，其中：

回程网为IEEE 802.3或IEEE 802.11网络，包括两种设备：时钟源，作为全网统一的时间基准；交换机，负责数据的转发；

现场无线网络为WIA-PA、ISA100.11a或WirelessHART网络，包括两种设备：边界网关，位于网络的交界处，由主控模块和工业无线模块构成，负责两网络间的数据交互、现场无线网络管理和时间信息的转发；无线现场设备，负责工业现场数据采集和控制信息传输；

该方法包括以下步骤：

S1：边界网关的主控模块与位于回程网中的时钟源进行时间同步；

S2：边界网关的工业无线模块与主控模块进行时间同步；

S3：边界网关的工业无线模块向现场无线网络广播时间同步信标帧，无线现场设备与工业无线模块进行时间同步。

进一步，在步骤S1与S3中，所述时间同步的协议不相同，即工业回程网与无线现场网络采用各自通信方法下的的时间同步协议，不引入额外的协议开销。

进一步，所述边界网关在硬件上由主控模块和工业无线模块构成，主控模块负责与回程网时钟源进行时间同步，工业无线模块负责将时间信息分发至无线现场设备。

进一步，在步骤S2中，所述边界网关的工业无线模块与主控模块进行时间同步的物理接口为串口，其逻辑接口为SLIP。

进一步，所述边界网关的主控模块与工业无线模块之间的时间同步支持单向和双向两种同步方法：

1)单向同步方法：主控模块在t₁时刻向工业无线模块发送带有t₁时间戳的时间同步报文，工业无线模块在t₂时刻接收该报文；根据t₁、t₂、串口波特率和报文长度得出两模块之间的时间误差；

2)双向同步方法：工业无线模块在t₁时刻向主控模块发送带有t₁时间戳的时间同步请求报文，主控模块在t₂时刻接收该报文，并在t₃时刻返回带有t₃时间戳的时间同步响应报文，工业无线模块在t₄时刻接收响应报文；根据t₁、t₂、t₃和t₄四个时间戳得出两模块之间的时间误差。

进一步，所述方法支持时间同步流与数据流在SLIP接口上的混合传输。

进一步，在所述步骤S2中，为了减少抢占式进程调度策略所造成的同步报文构造完成到报文实际发送出去的间隔时间的抖动，主控模块发出的时间同步报文的时间戳字段在系统的TTY驱动层填充；具体包括以下步骤：

S201：生成时间同步报文，时间戳字段留空；

S202：将时间同步报文发送至内核空间；

S203：在内核的TTY驱动程序中判断是否收到时间同步报文，若是，转至S204，若否，转至S207；

S204：获取当前时间戳并判断时间戳中是否含有SLIP协议特殊字符，若有对特殊字符进行转义处理；

S205：将时间戳填入时间同步报文相应字段；

S206：报文通过物理接口发出。

本发明的有益效果在于：

1)本发明针对工业物联网的跨网络时间同步需求，在回程网与现场无线网络使用各自的时间同步协议，不引入额外协议开销的前提下，实现了跨网络的时间同步。通过边界网关这一现场无线网络与回程网络之间消息沟通的桥梁，与回程网络时间源进行同步的同时向现场无线网络提供时间同步服务，解决了异构网络之间的时间同步问题。

2)本发明能够有效解决在基于Linux等操作系统的网关中由抢占式进程调度策略所带来的同步误差问题，提高了跨网络时间同步的精度。边界网关的主控模块在构造时间同步报文时不立刻获取时间戳，而是在TTY驱动层中填充时间戳，以减少同步报文构造完成到报文实际发送出去的间隔时间的抖动。

3)本发明不增加额外的专门硬件电路，支持时间同步流和数据流的混合传输，方便进行网络统一管理和协议传输，适用于同步精度百微秒级的使用场景。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为跨网络时间同步方法网络架构图；

图2为跨网络时间同步方法示意图；

图3为主控与工业无线模块间单向、双向时间同步方法示意图；

图4为单向、双向时间同步报文示意图；

图5为主控模块构造时间同步报文流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为跨网络时间同步网络架构图，工业物联网主要由回程网和现场无线网络构成，回程网和现场无线网络通常具有各自的时间同步协议和方法，它们的同步过程相对独立，对于底层节点跨网络与后台网络时钟源同步的支持较弱。边界网关处于回程网与现场无线网络的交接处，是沟通两个网络的桥梁，跨网络的时间同步必须从边界网关入手。

图2为跨网络时间同步方法示意图，在该方法中，通信实体包括回程网时钟源设备、边界网关和工业现场设备；该方法具体包括以下步骤：

S1：边界网关的主控模块与位于回程网中的时钟源进行时间同步；

S2：边界网关的工业无线模块与主控模块进行时间同步；

S3：边界网关的工业无线模块向底层现场网络广播时间同步信标帧，现场设备与工业无线模块进行时间同步。

图3为主控与工业无线模块间单向、双向时间同步方法示意图。

101、单向同步方法：主控模块在t₁时刻向工业无线模块发送带有t₁时间戳的时间同步报文，工业无线模块在t₂时刻接收该报文；根据t₁、t₂、串口波特率和报文长度可得出两模块之间的时间误差。

102、双向同步方法：工业无线模块在t₁时刻向主控模块发送带有t₁时间戳的时间同步请求报文，主控模块在t₂时刻接收该报文，并在t₃时刻返回带有t₃时间戳的时间同步响应报文，工业无线模块在t₄时刻接收响应报文；根据t₁、t₂、t₃和t₄四个时间戳可得出两模块之间的时间误差。

图4为单向、双向时间同步报文示意图，首尾的0xC0字符是串口SLIP协议规定的报文起止符，0x3F和0x01表示该报文是时间同步报文，负载即为报文发送时刻的时间戳。

图5为主控模块构造时间同步报文流程图，在边界网关的主控模块与工业无线模块的时间同步过程中，为了尽可能减少抢占式进程调度策略所造成的同步报文构造完成到报文实际发送出去的间隔时间的抖动，提高同步精度，主控模块发出的时间同步报文的时间戳字段在系统的TTY驱动层填充；该方法具体包括以下步骤：

步骤1：生成时间同步报文，时间戳字段留空；

步骤2：将时间同步报文发送至内核空间；

步骤3：在内核的TTY驱动程序中判断是否收到时间同步报文，若是，转至步骤4，若否，转至步骤7；

步骤4：获取当前时间戳并判断时间戳中是否含有SLIP协议特殊字符，若有对特殊字符进行转义处理；

步骤5：将时间戳填入时间同步报文相应字段；

步骤6：报文通过物理接口发出。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，其特征在于：所述工业物联网包括回程网和现场无线网络，其中：

回程网为IEEE802.3或IEEE802.11网络，包括两种设备：时钟源，作为全网统一的时间基准；交换机，负责数据的转发；

现场无线网络为WIA-PA、ISA100.11a或WirelessHART网络，包括两种设备：边界网关，位于网络的交界处，由主控模块和工业无线模块构成，负责两网络间的数据交互、现场无线网络管理和时间信息的转发；无线现场设备，负责工业现场数据采集和控制信息传输；

该方法包括以下步骤：

S1：边界网关的主控模块与位于回程网中的时钟源进行时间同步；

S2：边界网关的工业无线模块与主控模块进行时间同步；

S3：边界网关的工业无线模块向现场无线网络广播时间同步信标帧，无线现场设备与工业无线模块进行时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，其特征在于：在步骤S1与S3中，所述时间同步的协议不相同，即工业回程网与无线现场网络采用各自通信方法下的的时间同步协议，不引入额外的协议开销。

3.根据权利要求1所述的一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，其特征在于：所述边界网关在硬件上由主控模块和工业无线模块构成，主控模块负责与回程网时钟源进行时间同步，工业无线模块负责将时间信息分发至无线现场设备。

4.根据权利要求1所述的一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，其特征在于：在步骤S2中，所述边界网关的工业无线模块与主控模块进行时间同步的物理接口为串口，其逻辑接口为SLIP。

5.根据权利要求3所述的一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，其特征在于：所述边界网关的主控模块与工业无线模块之间的时间同步支持单向和双向两种同步方法：

1)单向同步方法：主控模块在t₁时刻向工业无线模块发送带有t₁时间戳的时间同步报文，工业无线模块在t₂时刻接收该报文；根据t₁、t₂、串口波特率和报文长度得出两模块之间的时间误差；

2)双向同步方法：工业无线模块在t₁时刻向主控模块发送带有t₁时间戳的时间同步请求报文，主控模块在t₂时刻接收该报文，并在t₃时刻返回带有t₃时间戳的时间同步响应报文，工业无线模块在t₄时刻接收响应报文；根据t₁、t₂、t₃和t₄四个时间戳得出两模块之间的时间误差。

6.根据权利要求4所述的一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，其特征在于：所述方法支持时间同步流与数据流在SLIP接口上的混合传输。

7.根据权利要求4所述的一种面向工业物联网的跨网络时间同步方法，其特征在于：在所述步骤S2中，为了减少抢占式进程调度策略所造成的同步报文构造完成到报文实际发送出去的间隔时间的抖动，主控模块发出的时间同步报文的时间戳字段在系统的TTY驱动层填充；具体包括以下步骤：

S201：生成时间同步报文，时间戳字段留空；

S202：将时间同步报文发送至内核空间；

S203：在内核的TTY驱动程序中判断是否收到时间同步报文，若是，转至S204，若否，转至S207；

S204：获取当前时间戳并判断时间戳中是否含有SLIP协议特殊字符，若有对特殊字符进行转义处理；

S205：将时间戳填入时间同步报文相应字段；

S206：报文通过物理接口发出。