CN108614410B - 物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法。本发明对每个监测与采样点授不同的剩余计数时，以保证每个监测与采样点的计数器同时倒计数到0，保证授时成功的前提下也保证各个监测与采样点同时进行数据采样。而本发明不需要额外增加其他硬件，所以本发明的硬件成本几乎不发生变化。

Description

物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法

技术领域

本发明涉及物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法。

背景技术

物联网监测技术近年来得到快速发展，比如目前应用较为广泛的各类在线监测系统。随着技术发展和进步，监测人员很想获得，在同一个时刻每个监测点的数据。这样，就需要同步测量每个监测点数据。如果能够有效地同步测量各个监测点数据，监测人员就可以将所获得的数据做各种对比处理和分析。如果将同步采样获得的数据用在电力系统中，就可以分析在接地故障发生时刻，每个监测点电场和电流变化情况；如果用在雾霾监测系统中，就可测量雾霾扩散速度和浓度对比以及梯度变化；如果用在桥梁监测系统中，就可以观测桥梁同一时刻应力变化，建立应力模型；如果用在河流流速或污染监测系统中，就可以精确算出整条河流流速变化和污染变化；如果用在泥石流和边坡变化监测系统中，就可以动态算出泥石流和边坡变化情况。因而同步测量的数据就比异步测量出的数据更具有分析价值。

目前对于物理上孤立的多个监测点同步采样时，通常用GPS同步授时技术实现。GPS同步授时技术的不足在于：一是需要在每个监测点都装有GPS模块，硬件成本有一定增加；二是需要监测点打开GPS模块，进行授时，系统功耗会有增加，这在野外低功耗采集场合减少了系统工作寿命；三是，安装了GPS模块的采集系统中，也会发生授时失败的案例。所以，对应于GPS同步授时方法，本发明的目的旨在提供一种对在线监测系统中监测点同步测量授时的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对所有采集终端进行同步采样的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法。

为实现上述目的，本发明的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法采用以下技术方案：

物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法，包括以下步骤，步骤1，服务器和数据汇集与转发设备ADTU_φ(＝1，2，…，n)建立链接并通信初始化；步骤2，服务器依次对ADTU_φ进行剩余定时时间与剩余计数值的授时，服务器向ADTU_φ授时成功后，服务器向ADTU_φ授的剩余定时时间t_φ＝(AF-(N_φ-N₁))/F，服务器向ADTU_φ授的剩余计数N_φ＝(AF-(N_φ-N₁))*F_A/F；步骤3，ADTU_φ依次对DS_φi进行剩余计数值的授时，ADTU_φ向DS_φi授的剩余计数值N_DSφi＝N_φ‘；式中ADTU_φ为第φ个与服务器建立通信链接的数据汇集与转发设备，A为定时秒数，F为服务器内部计时器频率,N₁为服务器与ADTU₁链接时服务器内部计时器的计数值，N_φ为服务器与ADTU_φ链接时服务器内部计时器的计数值，F_A为ADTU_φ内部计时器频率，DS_φi为第i个与ADTU_φ建立链接通信的监测与采集点，N_φ‘为DS_φi与ADTU_φ建立通信链接时ADTU_φ内部计数器的剩余计数值。

在步骤1中，服务器与数据汇集与转发设备之间通过GPRS或4G网络建立通信链接。

在步骤3中，采用无线通信方式建立ADTU_φ与DS_φi之间的通信链接。

监测与采集点设置有433MHZ无线通信模块。

在步骤2中采用以下方法保证授时成功：判定f＝|T_A-T_S|/(T_A+T_S)/2是否大于5％，若f≤5％，表示授时成功，ADTU_φ给服务器回传授时成功标志；若f＞5％，表示授时失败，等待下一次授时；式中T_A＝(ACφ(2)-ACφ(1))/F_A，T_S＝(SCφ(2)-SCφ(1))/F_S，ACφ(2)为ADTU_φ接收到T_S时其内部计数器ACφ的计数值，ACφ(1)为ADTU_φ初次接收到服务器传递的剩余计数值N_φ时其内部计数器ACφ的计数值,SCφ(2)为服务器再次接收到ADTU_φ回传的剩余计数值N_φ时服务器内部计数器SCφ的计数值，SCφ(1)为服务器初次向ADTU₁发起剩余计数值N₁时服务器内部计数器SCφ的计数值。

在步骤3中，采用DS_φi主动发起与ADTU_φ通信工作方式。

所有ADTU_φ与DS_φi内部计时器的计数频率均相同。

本发明的有益效果如下：本发明对每个监测与采样点授不同的剩余计数时，以保证每个监测与采样点的计数器同时倒计数到0，保证授时成功的前提下也保证各个监测与采样点同时进行数据采样。而本发明不需要额外增加其他硬件，所以本发明的硬件成本几乎不发生变化。

更进一步地，由于采用了监测与采样点主动通信数据汇集与转发设备的方式，本发明能耗极低，适合在野外低功耗状态下使用，所增加的高精度硬件定时器功耗在1微瓦左右。

附图说明

图1为本发明的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法的一个实施例的原理图。

具体实施方式

本发明的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法的实施例：

本发明用于实现多个监测点的同步采样，前期准备时要在不同的物理地域分别设置数据汇集与转发设备ADTU_φ(＝1，2，…，n)，每个物理地域内设置多个监测与采集点DS_φi(DS_φi表示第φ号物理地域中的第i号监测与采集点)，同一物理地域内的所有监测与采集点DS_φi均与该物理地域内的数据汇集与转发设备ADTU_φ进行数据通信。所有的数据汇集与转发设备ADTU均与同一个服务器数据通信，受同一个服务器控制。

数据汇集与转发设备ADTU_φ与监测与采集点DS_φi的数据通信包括两个方面的内容：一是数据汇集与转发设备ADTU_φ向监测与采集点DS_φi赋倒计数值N_φ；二是当监测与采集点DS_φi被赋的倒计数值N_φ倒数为0时，启动数据采样，并将采集数据送至数据汇集与转发设备ADTU_φ。

服务器与数据汇集与转发设备ADTU_φ的数据通信也包括两方面的内容：一是服务器向数据汇集与转发设备ADTU_φ授时，二是数据汇集与转发设备ADTU_φ向服务器回传接收到的采样数据。

物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法包括以下步骤：

步骤1：服务器和数据汇集与转发设备ADTU_φ(＝1，2，…，n)建立链接并通信初始化；

在该步骤中，服务器与ADTU_φ(＝1，2，…，n)之间通过GPRS或4G网络建立通信链接。

步骤2：服务器依次对ADTU_φ进行剩余定时时间与剩余计数值的授时；

设第φ个与服务器建立通信链接的数据汇集与转发设备为ADTU_φ，若需要定时A秒(即限定A秒后所有采样点同时进行数据采样)，则服务器向ADTU₁授的剩余计数值N₁＝AF；服务器向ADTU₂授的剩余计数值N₂＝(AF-(N₂-N₁))*F_A/F。以此类推，服务器向ADTU_φ授的剩余计数值N_φ＝(AF-(N_φ-N₁))*F_A/F，服务器向ADTU_φ授的剩余定时时间t_φ＝(AF-(N_φ-N₁))/F。

以上各式中，F为服务器内部计时器频率,N₁为服务器与ADTU₁链接时服务器内部计时器T1的计数值，N₂为服务器与ADTU₂链接时服务器内部计时器T1的计数值，N_φ为服务器与ADTU_φ链接时服务器内部计时器T1的计数值，F_A为ADTU_φ内部计时器频率。

为降低服务器和ADTU_φ建立通信链接时延时对同步测量误差的影响，需要在剩余计数值授时的时候考虑服务器和ADTU_φ建立通信链接的延时时长，服务器与ADTU_φ建立通信链接可拆分为以下几步：

步骤a.服务器向ADTU_φ发起剩余计数N₁校时；

在步骤a中，服务器主动依次向ADTU_φ发起剩余计数N₁校时，服务器同时启动计数器SC1和SC2进行计时，此时SC1的计数值为SC1(1)、SC2的计数值为SC2(1)。

步骤b.ADTU_φ收到剩余计数N_φ校时后，向服务器回复剩余计数值N_φ；

在该步骤中，ADTU₁收到剩余计数N₁校时后，同时启动自己计数器AC1计数，此时AC1的计数值为AC1(1)，并回复服务器剩余计数N1值；以此类推，ADTU_φ收到剩余计数N_φ校时后，同时启动自己计数器ACφ计数，此时ACφ的计数值为ACφ(1)。

步骤c.服务器再次收到N_φ后，计算T_S并向ADTU_φ回复剩余计数N_φ值和T_S，式中T_S表征服务器第一次发送剩余计时数据到第一次接收剩余计时数据所需要的时间；

举例说明，该步骤中，服务器收到N₁后，停止对SC1的计数，此时SC1的计数值为SC1(2)，T_S＝(SC1(2)-SC1(1))/F_S；ADTU₁接收到T_S后，停止对AC1计时，此时AC1计数为AC1(2)。由于服务器向ADTU₁传递N₁与ADTU₁向服务器回传N₁用时大致相同，所以服务器向ADTU₁传递剩余计数N₁的时间延迟内ADTU₁内部计时器计数值大致等于T_SF_A/2。

步骤d.ADTU_φ计算授时误差f，若f≤5％，表示授时成功，ADTU_φ给服务器回传授时成功标志TRUE；若f＞5％，表示授时失败，等待下一次授时；

该步骤中，当所有ADTU_φ内部计时器的计数频率均相同时，f＝|T_A-T_S|/(T_A+T_S)/2,T_A＝(ACφ(2)-ACφ(1))/F＝(AC1(2)-AC1(1))/F_A，ADTU_φ计算授时误差f的时间延迟内，ADTU_φ内部计数器所需要计数值为N_C,式中T_A表征的是ADTU_φ接收N_φ产生的时间延迟。在服务器与ADTU_φ授时失败的情况下，ADTU_φ与监测与采集点仍然继续同步授时。

在该步骤中，服务器收到ADTU₁授时成功标志TRUE后，同时停止对SC2的计数，此时SC2的计数值为SC2(2)，服务器与ADTU₂授时的起始计数为N₂＝N₁-(SC2(2)-SC2(1))。成功后，ADTU₁的剩余同步计数值N_N＝F_AN₁/F-N_C-(AC1(2)-AC1(1))-T_SF_A/2。在监测与采集点的计数频率与ADTU_φ的计数频率一致的情况下，就是ADTU_φ与监测与采集点下一步剩余计数的授时。

以此类推，服务器与ADTU_φ授时的起始计数为N_φ＝N₁-(SCφ(2)-SCφ(1))。成功后，ADTU_φ的剩余同步计数值N_N＝F_AN₁/F-N_C-(ACφ(2)-ACφ(1))-T_SF_A/2。

步骤3：ADTU_φ依次对DS_φi进行剩余计数值的授时。

设第i个与ADTU_φ建立链接通信的监测与采集点为DS_φi,记录DS_φi与ADTU_φ建立通信链接时ADTU_φ内部计数器的剩余计数值为N_φ‘，建立通信链接后ADTU_φ向DS_φi授的剩余计数值N_DSφi＝N_φ‘。DS_φi收到后，利用自己的高精度硬件计数器进行倒计数，当计数为0时，启动DS_φi的数据采样。

为了保证授时可靠性，DS_φi主动通信ADTU_φ的计数间隔N_d必须小于ADTU_φ的剩余计数值，而ADTU_φ的剩余计数来自服务器SERVER的剩余计数值N_s减去等待DS_φi通信的剩余计数值N_w，即存在：N_d＜N_φ-N_w。

在该步骤中，为了保持监测与采集点DS_φi低功耗工作模式，采用DS_φi主动发起与ADTU_φ通信工作方式。考虑通信信道碰撞问题，当若干个DS_φi与同一个ADTU_φ通信时，需要事先规定好每个DS_φi之间的通信时间片间隔。理论上，每个DS_φi之间的通信时间片间隔大于DS_φi与ADTU_φ一次通信时间长度。

进一步地，在该步骤中，采用无线通信方式建立ADTU_φ与DS_φi之间的通信链接，具体是在监测与采集点设置有433MHZ无线通信模块。DS_φi主动发起与ADTU_φ通信工作实现方法如下：正常情况下，DS_φi处于休眠低功耗状态。每间隔5分钟左右，DS_φi激活433无线通信模块，主动与ADTU_φ433无线模块建立通信链路，为后续两者授时交换数据做好准备工作。

在实际系统中，服务器SERVER的剩余计数值N_φ不能确定，DS_φi主动通信ADTU_φ的计数间隔N_d是固定值。考虑整个系统的适用性，N_s最小可以取到2N_d即可。考虑系统通信延时和其他环节，在高精度计数条件下，从服务器到数据采集终端计数误差一般在50～200个计数误差以内，系统同步测量时间误差精度可控制在几百微秒级到几十毫秒级，满足比较高要求情况下的同步测量精度要求。同步采样测量同步误差精度与授时误差f的误差比有关，也与服务器计数器频率和ADTU计数频率有关。为了提高精度，两者计数频率适宜设定在MHZ以上，计数器适宜使用32位以上计数器。

为了防止硬件计数器长时间不校准而产生的积累误差，系统定时6个小时，完成一次全系统同步工作。实际N_s可以取值2N_d+50即可。按现有一般计算机提供的计数精度而言，同步时间误差在几十毫秒级，满足一般同步测量误差要求。

需要强调的是，为方便计数，本发明中所有ADTU与DS内部计时器频率相同。在其他实施例中，服务器SERVER和ADTU_φ以及DS_φi之间，各自计数的频率也可不一致，只是此时需要根据频率关系，对剩余计数进行计算调整才能保证同步触发采样的正确性。

步骤4：DS_φi的采样数据经ADTU_φ传递给服务器，服务器完成采样数据收集。

本发明中，服务器上高精度软件计数器SC1采用读取计算机内部计时器的时钟频率和需要严格计时事件的前后计数值差值来计算。计算机内部计时器频率为F时，计时器周期为1/F,若定时A秒，则需要计数值为AF。如果服务器先与ADTU₁链接通信，则把计数值AF送给ADTU₁，并读取此时计算机内部计时器当前计数值记为N₁。

当服务器与ADTU₂链接时，则读取目前服务器内部计时器计数值，记为N₂。

如果ADTU₂计时器时钟频率与服务器一致，则对ADTU₂剩余计数授时值为AF-(N₂-N₁)。一般情况下，ADTU的高精度硬件计时器频率都低于服务器内部计时器频率。设ADTU硬件计时器频率与DS采用的硬件频率一致，都为F_A,则周期为1/F_A。则对ADTU₂的剩余计数值应该调整为(AF-(N₂-N₁))*F_A/F，剩余定时时间为(AF-(N₂-N₁))/F。

ADTU和DS的硬件计数器输入时钟可以用ARM的外部晶振经过分频得到。假设经过分频后，输入时钟频率为2MHZ，则计数周期为0.5微秒。ADTU₂的剩余计数值就可以根据计数器实际配置，写入计数器中，进行计数。类同，DS计数器也可以获得经过调整后的计数值，这样进过倒计数为0后，所有采集点达到同步采集效果。

由以上分析可知，本发明进行异步授时剩余计数的关键在于：对每个监测与采样点授不同的剩余计数时，以保证每个监测与采样点的计数器同时倒计数到0，保证授时成功的前提下也保证各个监测与采样点同时进行数据采样。

由于采用了监测与采样点主动通信数据汇集与转发设备的方式，本发明能耗极低，适合在野外低功耗状态下使用，所增加的高精度硬件定时器功耗在1微瓦左右。同时，本发明的硬件成本几乎不发生变化。

Claims (7)

1.物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1，服务器和数据汇集与转发设备ADTU_φ，其中φ＝1,2,...,n，建立链接并通信初始化；步骤2，服务器依次对ADTU_φ进行剩余定时时间与剩余计数值的授时，服务器向ADTU_φ授时成功后，服务器向ADTU_φ授的剩余定时时间t_φ＝(AF-(N_φ-N₁))/F，服务器向ADTU_φ授的剩余计数等于(AF-(N_φ-N₁))*F_A/F；步骤3，ADTU_φ依次对DS_φi进行剩余计数值的授时，ADTU_φ向DS_φi授的剩余计数值N_DSφi＝N‘_φ；式中ADTU_φ为第φ个与服务器建立通信链接的数据汇集与转发设备，A为定时秒数，F为服务器内部计时器频率,N₁为服务器与ADTU₁链接时服务器内部计时器的计数值，N_φ为服务器与ADTU_φ链接时服务器内部计时器的计数值，F_A为ADTU_φ内部计时器频率，DS_φi为第i个与ADTU_φ建立链接通信的监测与采集点，N‘_φ为DS_φi与ADTU_φ建立通信链接时ADTU_φ内部计数器的剩余计数值。

2.根据权利要求1所述的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法，其特征在于：在步骤1中，服务器与数据汇集与转发设备之间通过GPRS或4G网络建立通信链接。

3.根据权利要求1所述的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法，其特征在于：在步骤3中，采用无线通信方式建立ADTU_φ与DS_φi之间的通信链接。

4.根据权利要求3所述的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法，其特征在于：监测与采集点设置有433MHZ无线通信模块。

5.根据权利要求1所述的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法，其特征在于：在步骤2中采用以下方法保证授时成功：判定f＝|T_A-T_S|/(T_A+T_S)/2是否大于5％，若f≤5％，表示授时成功，ADTU_φ给服务器回传授时成功标志；若f＞5％，表示授时失败，等待下一次授时；式中T_A＝(ACφ(2)-ACφ(1))/F_A，T_s＝(SCφ(2)-SCφ(1))/F，ACφ(2)为ADTU_φ再次接收到服务器传递的剩余计数值时其内部计数器ACφ的计数值，ACφ(1)为ADTU_φ初次接收到服务器传递的剩余计数值时其内部计数器ACφ的计数值,SCφ(2)为服务器再次接收到ADTU_φ回传的剩余计数值时服务器内部计数器SCφ的计数值，SCφ(1)为服务器初次向ADTU₁发起剩余计数值N₁时服务器内部计数器SCφ的计数值，T_A表征ADTU_φ接收N_φ产生的时间延迟，T_S表征服务器第一次发送剩余计时数据到第一次接收剩余计时数据所需要的时间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法，其特征在于：在步骤3中，采用DS_φi主动发起与ADTU_φ通信工作方式。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的物联网监测异步授时剩余计数同步启动测量方法，其特征在于：所有ADTU_φ与DS_φi内部计时器的计数频率均相同。

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