CN110366240B - 无线传感器网络高精度同步触发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络高精度同步触发方法，包括如下步骤：S1.终端设备向各采集节点发送触发预命令，触发预命令发出后，立刻使用计数寄存器开始计数，得到开始计数值；S2.各采集节点接收到触发预命令后，立刻沿原路径发送反馈信息到终端设备，终端设备接收到反馈信息后，计数寄存器结束计数，得到结束计数值；S3.对计数寄存器的两次计数值进行计算处理，得到各采集节点对应的时间补偿值；S4.根据时间补偿值，终端设备依次将采集命令发送至各采集节点。本发明的无线传感器网络高精度同步触发方法，能够更高效、稳定地实现机械振动信号的无线纳秒级高精度同步采集。

Description

无线传感器网络高精度同步触发方法
技术领域
本发明涉及无线传感器领域，具体涉及一种无线传感器网络高精度同步触发方法。
背景技术
随着电子电路、智能传感器与无线通信等技术的发展，无线传感器网络技术在各个领域都得到了广泛的应用。机械设备的常见故障一般可通过获取机械振动信号来分析研究，传输获取到机械设备故障信号主要有有线和无线两种方法。目前一般是采用有线监测的方式，有线检测的方式存在现场布线困难、布线量大、成本高、难以大规模组网、远距离监控困难以及无法在设备运行时嵌入设备内部等困难。采用无线传感器网络技术，可实现布置扩展灵活、便于维护、大规模组网、测试设备可嵌入机器内部等功能。而在进行机械信号分析时，需要对多个信号源的信号进行同时分析，在命令下发时，由于无线传输存在多跳路由且传输路径不相同，导致采集命令无法同时到达采集节点，从而使各个采集节点无法同时开始采集，因此需要对采集命令进行同步处理。
目前常用的同步触发方法一般有参考广播同步算法(RBS)、传感器网络时间同步协议算法(TPSN)、延迟测量时间同步协议(DMTS)、动态传感器网络时间同步协议算法(FTSP)及其相关改进算法等。上述方法存在以下不足：RBS算法需要各个采集节点间相互通信以获取各个采集节点间的时间差，在各个采集节点分隔较远时由于节点信号传输距离限制，该方法具有一定局限性；TPSN算法需要路由节点多级逐级同步，且需要多次获取时间戳，应用操作复杂繁琐；DMTS算法除需要采集节点间相互通信获得时间差之外，在多跳中随着跳数的增加，同步误差也会增加；FTSP算法需要给每个发送与接收字节获取获取时间戳，从而导致在传输数据时大量、频繁获取时间戳，占据大量系统资源。
因此，为解决以上问题，需要一种无线传感器网络高精度同步触发方法，能够更高效、稳定地实现机械振动信号的无线纳秒级高精度同步采集。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供无线传感器网络高精度同步触发方法，能够更高效、稳定地实现机械振动信号的无线纳秒级高精度同步采集。
本发明的无线传感器网络高精度同步触发方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.终端设备向各采集节点发送触发预命令，触发预命令发出后，立即使用计数寄存器开始计数，得到开始计数值；
S2.各采集节点接收到触发预命令后，立刻沿原路径发送反馈信息到终端设备，终端设备接收到反馈信息后，计数寄存器结束计数，得到结束计数值；
S3.对计数寄存器中的开始计数值与结束计数值进行计算处理，得到各采集节点对应的时间补偿值；
S4.终端设备按照时间补偿值从小到大的顺序依次将采集命令发送至各采集节点。
进一步，步骤S1中，计数寄存器使用时钟脉冲进行计数，得到精确度为纳秒级别的计数值。
进一步，步骤S3中，根据如下公式确定终端设备与采集节点在单向通信路径上的数据传输时间twi：
twi＝(tri-tsi-tci)/2；
其中，i为第i个采集节点，i＝1,2,3,...,N；tri为终端设备收到第i个采集节点的反馈信息时的接收时间；tsi为终端设备向第i个采集节点发送信息时的发送时间；tci为执行第i个采集节点对应的指令所消耗的时间。
进一步，步骤S3中包括：
比较各采集节点对应的单向路径数据传输时间，获取最大的传输时间；
将获取的最大传输时间与各采集节点对应的单向路径数据传输时间进行差值运算，得到各采集节点的时间补偿值。
进一步，步骤S4中，将时间补偿值△i按照从小到大的顺序排列，得到时间补偿值序列△seq，终端设备根据时间补偿值序列△seq依次向对应的采集节点发送采集指令，且向第i个采集节点发送指令的时间与第一次向采集节点发送指令的时间间隔为△i；
其中，i为第i个采集节点，i＝1,2,3,...,N；△i为第i个采集节点对应的时间补偿值，△seq为时间补偿值序列。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种无线传感器网络高精度同步触发方法，通过计数寄存器计数，计算时间补偿值，根据时间补偿值设置终端设备向各采集节点发送指令的时间间隔，从而实现机械振动信号的无线纳秒级高精度同步采集。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的机械振动无线传感器网络各节点结构图；
图3为本发明的机械振动无线传感器簇状形网络示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的无线传感器网络高精度同步触发方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.终端设备向各采集节点发送触发预命令，触发预命令发出后，立即使用计数寄存器开始计数，得到开始计数值；
S2.各采集节点接收到触发预命令后，立刻沿原路径发送反馈信息到终端设备，终端设备接收到反馈信息后，计数寄存器结束计数，得到结束计数值；
S3.对计数寄存器中的开始计数值与结束计数值进行计算处理，得到各采集节点对应的时间补偿值；
S4.终端设备按照时间补偿值从小到大的顺序依次将采集命令发送至各采集节点。
一个机械振动无线传感器网络采集系统中，包含各种节点，各种节点分为采集节点、路由节点与终端网关节点。采集节点与路由节点可有一个或多个，网关节点有且仅有一个。采集节点主要由中央处理器、传输处理器、ADC采集器、外部传感器、电源管理以及外部SD卡存储器等主要部件组成；路由节点与网关节点均主要由传输处理器、电源管理以及程序下载器组成；终端设备主要负责高精度同步处理，网关节点负责主网络的组建，路由节点主要负责数据的转发，采集节点主要负责数据采集。
机械振动无线传感器网络实例通常采用簇状形式，当需要远程获取多点采集振动数据时，需要组建簇状或Mesh网络才能实现多点采集数据的远程传输，此时终端设备发出采集命令后，由于中间路由节点的数量不一致，导致各个采集节点收到的命令时间不一致，进一步导致各个振动采集传感器触发采集形成时间差，从而使采集无法同步触发。通过应用时间补偿的方式消除因传输路径差异产生的时间差，可以有效解决该问题。
本实施例中，步骤S1中，发送触发预命令前，为采集节点设置标识序号，序号为N1,N2,N3...Nn...，便于对各采集节点进行区分处理，为终端设备(例如：电脑)配置纳秒级的计数寄存器，使用时钟脉冲进行计数，时钟频率为M，其中，纳秒级别的计数，时钟频率M一般为109数量级且为常数。当终端设备向采集节点发送命令时或终端设备接收到采集节点的反馈信息时，都将产生计数值，各采集节点对应的计数值都保存到计数寄存器中。
本实施例中，步骤S3中，终端设备向采集节点发送触发预命令后，计数寄存器的时钟脉冲立即开始计数，从采集节点对应的计数值中，取出开始计数值cbi，根据时钟频率M，计算得到开始计数的时间tsi＝cbi/M；采集节点收到预命令后，会对该命令(或指令)进行解析，也就会产生程序执行指令所消耗的时间tci，其中，在同一系统下，程序执行所有指令所消耗的时间都是相同的，即是tc1＝tc2＝tc3...＝tcn...；命令解析完成后，采集节点立刻向终端设备发送反馈信息，终端设备接收到反馈信息后，计数寄存器的时钟脉冲立刻结束计数，同理，从采集节点对应的计数值中取出结束计数值cei，计算得到结束计数的时间tri＝cei/M；终端设备与采集节点来回通信所消耗的时间t＝tri-tsi-tci，则单向通信路径上，数据传输时间twi＝t/2＝(tri-tsi-tci)/2。以此类推，得到终端设备与各个采集节点进行单向通信的数据传输时间twi：
twi＝(tri-tsi-tci)/2；
其中，i为第i个采集节点，i＝1,2,3,...,N，即i为一个正整数；tri为终端设备收到第i个采集节点的反馈信息时的接收时间；tsi为终端设备向第i个采集节点发送信息时的发送时间；tci为执行第i个采集节点对应的指令所消耗的时间。
本实施例中，步骤S3中，对得到的终端设备与各个采集节点进行单向通信的数据传输时间twi进行降序排序，得到一个降序排序序列，取出该序列中的第一个传输时间，将该传输时间作为终端设备与各个采集节点进行单向通信的数据传输时间twi中的最大传输时间，并标记为Max(twi)；
将获取的最大传输时间Max(twi)与各采集节点对应的单向路径数据传输时间twi进行差值运算，得到差值，将得到的差值命名为时间补偿值，则序号为N1的采集节点对应的时间补偿值△1:△1＝Max(twi)-tw1＝twk-tw1＝(trk-tsk-tck)/2-(tr1-ts1-tc1)/2，其中，设序号为Nk的采集节点对应的单向路径数据传输时间最大，即取Max(twi)＝twk。由于同一系统下，程序执行指令的时间是相同的，也即是tck＝tc1，则△1可进一步表示为△1＝(trk-tsk-tck)/2-(tr1-ts1-tc1)/2＝(trk+ts1-tsk-tr1)/2，即只需要计算得到采集节点对应的计数开始时间与计数结束时间，就能解出该采集节点对应的时间补偿值；那么序号为N2的采集节点的时间补偿值△2:△2＝Max(twi)-tw2＝(trk+ts2-tsk-tr2)/2，以此类推，得到所有采集节点对应的时间补偿值△i:△i＝Max(twi)-twi＝(trk+tsi-tsk-tri)/2，其中，取Max(twi)＝twk，twk为序号为Nk的采集节点对应的单向路径数据传输时间。
本实施例中，步骤S4中，对计算得到的各个采集节点对应的时间补偿值△i进行升序排序，得到时间补偿值△i的升序排序序列△seq，终端设备根据时间补偿值升序序列△seq依次向对应的采集节点发送采集指令。对应的时间补偿值小的采集节点，由终端设备先发送采集指令到该采集节点，对应的时间补偿值大的采集节点，由终端设备后发送采集指令到该采集节点。终端设备向序号为Ni的采集节点发送指令的时间与第一次向采集节点发送指令的时间间隔为△i，也即是终端设备向所有采集节点发送指令时，首先会向时间补偿值最小的采集节点发送第一个采集指令，接着按照时间补偿值从小到大的顺序找到下一个采集节点，设该采集节点的序号为Ni，则距离发送第一个采集指令的时间间隔△i后，终端设备立刻向该采集节点发送采集指令。以此类推，终端设备完成向所有采集节点发送采集指令，从而保证了下发的采集指令同时到达各个采集节点。
将采集节点关联的各种参数值汇集成表格，便于参照对比，如表1所示：
表1
采集节点序号 N<sub>1</sub> N<sub>2</sub> N<sub>3</sub> N<sub>4</sub> N<sub>5</sub> ···
开始计数初值c<sub>bi</sub> c<sub>b1</sub> c<sub>b2</sub> c<sub>b3</sub> c<sub>b4</sub> c<sub>b5</sub> ···
停止计数尾值c<sub>ei</sub> c<sub>e1</sub> c<sub>e2</sub> c<sub>e3</sub> c<sub>e4</sub> c<sub>e5</sub> …
发送时间标识t<sub>si</sub> t<sub>s1</sub>＝c<sub>b1</sub>/M t<sub>s2</sub>＝c<sub>b2</sub>/M t<sub>s3</sub>＝c<sub>b3</sub>/M t<sub>s4</sub>＝c<sub>b4</sub>/M t<sub>s5</sub>＝c<sub>b5</sub>/M ···
接收时间标识t<sub>ri</sub> t<sub>r1</sub>＝c<sub>e1</sub>/M T<sub>r1</sub>＝c<sub>e2</sub>/M T<sub>r3</sub>＝c<sub>e3</sub>M T<sub>r4</sub>＝c<sub>e4</sub>/M T<sub>r5</sub>＝c<sub>e5</sub>/M …
指令时间t<sub>ci</sub> t<sub>c1</sub> t<sub>c2</sub> t<sub>c3</sub> t<sub>c4</sub> t<sub>c5</sub> ···
路径传输时间t<sub>wi</sub> T<sub>w1</sub>＝(t<sub>r1</sub>-t<sub>s1</sub>-t<sub>c1</sub>)/2 T<sub>w2</sub>＝(t<sub>r2</sub>-t<sub>s2</sub>-t<sub>c2</sub>)/2 T<sub>w3</sub>＝(t<sub>r3</sub>-t<sub>s3</sub>-t<sub>c3</sub>)/2 T<sub>w4</sub>＝(t<sub>r4</sub>-t<sub>s4</sub>-t<sub>c4</sub>)/2 T<sub>w5</sub>＝(t<sub>r5</sub>-t<sub>s5</sub>-t<sub>c5</sub>)/2 …
补偿时间Δ<sub>i</sub> Δ<sub>1</sub>＝Max(t<sub>wi</sub>)-t<sub>w1</sub> Δ<sub>2</sub>＝Max(t<sub>wi</sub>)-t<sub>w2</sub> Δ<sub>3</sub>＝Max(t<sub>wi</sub>)-t<sub>w3</sub> Δ<sub>4</sub>＝Max(t<sub>wi</sub>)-t<sub>w4</sub> Δ<sub>5</sub>＝Max(t<sub>wi</sub>)-t<sub>w5</sub> ···
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络高精度同步触发方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.终端设备向各采集节点发送触发预命令，触发预命令发出后，立即使用计数寄存器开始计数，得到开始计数值；
S2.各采集节点接收到触发预命令后，立刻沿原路径发送反馈信息到终端设备，终端设备接收到反馈信息后，计数寄存器结束计数，得到结束计数值；
S3.对计数寄存器中的开始计数值与结束计数值进行计算处理，得到各采集节点对应的时间补偿值；
具体包括：比较各采集节点对应的单向路径数据传输时间，获取最大的传输时间；
将获取的最大传输时间与各采集节点对应的单向路径数据传输时间进行差值运算，得到各采集节点的时间补偿值；
其中，终端设备与采集节点在单向通信路径上的数据传输时间为twi：
twi＝(tri-tsi-tci)/2；
其中，i为第i个采集节点，i＝1,2,3,...,N；tri为终端设备收到第i个采集节点的反馈信息时的接收时间；tsi为终端设备向第i个采集节点发送信息时的发送时间；tci为执行第i个采集节点对应的指令所消耗的时间；所述发送时间tsi＝cbi/M，cbi为开始计数值，M为时钟频率；所述接收时间tri＝cei/M，cei为结束计数值，M为时钟频率；
S4.终端设备按照时间补偿值从小到大的顺序依次将采集命令发送至各采集节点。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络高精度同步触发方法，其特征在于：步骤S1中，计数寄存器使用时钟脉冲进行计数，得到精确度为纳秒级别的计数值。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络高精度同步触发方法，其特征在于：步骤S4中，将时间补偿值△i按照从小到大的顺序排列，得到时间补偿值序列△seq，终端设备根据时间补偿值序列△seq依次向对应的采集节点发送采集指令，且向第i个采集节点发送指令的时间与第一次向采集节点发送指令的时间间隔为△i；
其中，i为第i个采集节点，i＝1,2,3,...,N；△i为第i个采集节点对应的时间补偿值，△seq为时间补偿值序列。
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