CN110493744A - 一种主从式无线传感器的数据同步采集方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主从式无线传感器的数据同步采集方法与系统，属于设备故障状态监测领域，其中主传感器负责发送同步信号，从传感器的副处理器负责与主传感器和副传感器的主处理器进行通信，通过各从传感器的副处理器的物理层接收到同步信号时，物理层解析出同步信号的帧头，并根据该帧头向主处理器发送中断信号，各主处理器根据接收的中断信号开始同步采集。相对于现有技术，由主传感器发送至从传感器的同步信号，不必由物理层传输到应用层，而是直接在物理层进行处理后发出中断信号，使各主处理器开始同步采集，随机累计误差非常小，能够保证各主处理器开始采集数据的时刻同步，提高同步精度。

Description

一种主从式无线传感器的数据同步采集方法与系统

技术领域

本发明属于设备故障状态监测领域，具体涉及一种主从式无线传感器的数据同步采集方法与系统。

背景技术

随着故障诊断技术的不断发展，无线传感网络越来越多的应用到设备的故障状态监测中。在对设备进行故障诊断时，往往需要多个传感器进行数据同步采集，以满足多传感器信息融合的要求。如图1所示的无线传感网络，包括一个主传感器和n个从传感器，现阶段针对该无线传感网络的时间同步问题，往往采用对各个传感器内部节点时钟的时间校准，以对时协议的方式完成多个传感器的同步对时，其网络从物理层到应用层，再解析补偿，完成数据同步采集。其复杂的网络层次结构使随机累计误差较大，如采用IEEE1588对时协议，其时钟同步精度在us级别，考虑在无线传感器中CPU多以低功耗MCU为主，主频也更低，其时钟同步精度会进一步的降低。因此，现有技术的时钟同步方法对时误差较大，同步精度不能满足应用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种主从式无线传感器的数据同步采集方法与系统，用于解决现有技术采用对时协议完成时钟同步的精度低、导致同步采集数据误差大的问题。

基于上述目的，一种主从式无线传感器的数据同步采集方法的技术方案如下：

主传感器分别与各从传感器通信连接，各从传感器均包括主处理器和副处理器，该方法包括以下步骤：

主传感器向各从传感器的副处理器发送同步信号，该同步信号中包括主传感器发送同步信号时的时间信息；

各从传感器的副处理器中的物理层接收到所述同步信号时，物理层解析出同步信号的帧头，并根据该帧头向主处理器发送中断信号；各主处理器根据接收的中断信号进行同步采集。

基于上述目的，一种主从式无线传感器的数据同步采集系统的技术方案如下：

主传感器分别与各从传感器通信连接，各从传感器均包括主处理器和副处理器，其中，主传感器用于向各从传感器的副处理器发送同步信号，该同步信号中包括主传感器发送同步信号时的时间信息；

对于各从传感器，其副处理器中的物理层接收到所述同步信号时，物理层解析出同步信号的帧头，并根据该帧头向主处理器发送中断信号；各主处理器根据接收的中断信号进行同步采集。

上述两个技术方案的有益效果是：

本发明的数据同步采集方法和系统中，主传感器负责发送同步信号，从传感器的副处理器负责与主传感器和主处理器进行通信，通过各从传感器的副处理器的物理层接收到同步信号时，物理层解析出同步信号的帧头，并根据该帧头向主处理器发送中断信号，各主处理器根据接收的中断信号开始同步采集。相对于现有技术，由主传感器发送至从传感器的同步信号，不必由物理层传输到应用层，而是直接在物理层进行处理后发出中断信号，使各主处理器开始同步采集，随机累计误差非常小，能够保证各主处理器开始采集数据的时刻同步，提高同步精度。

具体的，所述帧头包含有帧起始界定符，该帧起始界定符的状态位输出引脚与主处理器的外部中断引脚连接，用于根据帧起始界定符的状态输出所述中断信号。

为了保证在数据采集过程中的同步，在同步采集开始前，主传感器连续发送同步信息，各从传感器的主处理器计算由于传感器的晶振导致的时间偏差，并根据该时间偏差对同步采样过程中的采样频率进行修正。本发明在保证数据采集开始时刻的同步基础上，又保证了在数据采集过程中的同步，进一步提高了同步精度。

具体的，所述时间偏差的计算公式如下：

Δd＝Δti-Δt

式中，Δd为所述时间偏差，Δti为从传感器的主处理器收到主传感器发送的两个相邻同步信息后，计算得到两个相邻同步信息的时差，Δt为主传感器发送相邻两个同步信号的时差。

附图说明

图1是现有技术中的无线传感网络示意图；

图2是本发明的主从式无线传感器的数据同步采集系统示意图；

图3是本发明的数据同步采集方法流程图；

图4是本发明的主传感器实现整周期采样的方法流程图；

图5是本发明的以主传感器为基准，各个从传感器的时钟误差示意图；

图6是本发明在不进行晶振补偿时的采样频率累积误差示意图；

图7是本发明采用计数器计数值进行补偿后的采样频率累积误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

系统实施例：

如图2所示的一种主从式无线传感器的数据同步采集系统，包括一个主传感器，和n个从传感器，分别为从传感器1、从传感器2、…、从传感器n，每个从传感器均设置有两个处理器，分别为主处理器和副处理器，分别对应为主CPU和副CPU，主CPU和副CPU之间通过UART接口交换数据。

对于各从传感器的通信协议帧结构，主要由物理层帧(PHY帧)、介质访问控制层帧(MAC帧)、网络层帧(NWK帧)、应用程序支持层帧(APS帧)等组成。用于传输中的帧结构主要由信标帧、数据帧、确认帧/应答帧、MAC命令帧等组成。

基于上述数据同步系统，其实现的数据同步采集方法如下：

如图3所示的数据同步采集流程，主传感器以无线广播形式向各从传感器的副CPU发送同步信号(同步脉冲，传输的帧结构为信标帧)，该同步信号中包括各从传感器的主CPU的采样频率，以及主传感器发送同步信号时的时间信息。主传感器以无线电波的形式向各个从传感器发送广播信号，在200米范围内，可以认为无线电波到达各个从传感器的时间是相等的。

对于各从传感器，从传感器的副CPU的物理层最先接收到广播的同步信号，在从传感器的物理层中的信标帧构成物理层协议数据单元，其同步帧头(SHR)包含有帧起始界定符SFD，将帧起始界定符的状态位输出引脚与主CPU的外部中断引脚(IO中断引脚)直接相连，用于在副CPU的物理层接收到同步信号时，根据该同步信号向主CPU发送中断信号，即根据帧起始界定符的状态输出中断信号，各个从传感器的副CPU发出中断信号的时间是同步的，为同步采集的开始提供精确的时间基准。

各主CPU将接收的中断信号作为触发采集的时间基准，主CPU收到中断信号后，进入中断服务程序，设置采样定时器，输出采样时钟，触发AD转换工作，完成数据采集。

本发明的数据同步采集系统和方法，在主传感器发送同步信号至从传感器时，不必由处理器的物理层传输到应用层，而是直接由处理器的物理层协议数据单元直接进行处理，随机累计误差非常小，能够保证各主处理器开始采集数据的时刻同步，提高同步精度。

下面以设备故障诊断的无线传感网络为应用实例具体阐述本实施例的数据同步采集系统和方法：

首先，搭建用于智能监测的无线传感网络，无线传感网络的通信模式为主从模式，拓扑结构为星型网络，

基于无线传感网络，如图4所示的主传感器(为键相传感器)获取键相信号两个相邻下降沿之间的计数值，计算转速值，并根据转速值，将一个机器的旋转周期进行N等分，设定采样频率，满足整周期采样的要求，然后，主传感器以广播的形式向各从传感器发送同步脉冲，包括采样频率参数和采样开始信号。

各从传感器为拥有CPU结构的采集节点，其中主CPU负责数据采集、信息处理等任务，副CPU主要负责数据通讯任务。

从传感器副CPU接收主传感器广播信号的信标后，输出IO脉冲信号，直接给主CPU一个中断信号；忽略所有的协议层，主CPU收到中断后，触发采样，该触发采样的时间为立即触发或共同等待一定的计数值后触发。

在数据采集完成后，将采样时间信息给予采样数据。该采样时间信息为：若触发采样为立即采样，则采集触发时间的为来自于主传感器的同步脉冲的时间信息，若触发采样为共同等待一定时间后进行采样，则采集触发时间为同步脉冲中的时间信息加上等待的时间。

从传感器的主CPU将准备好的采样数据发送到副CPU，副CPU将采样数据通过无线的方式传输到主传感器，主传感器将各从传感器的采样数据发送至故障分析处理器，由故障分析处理器进行设备的故障分析和诊断。

上述设备故障诊断用的各从传感器之间不需要时刻保持时间一致，只需要在执行采集任务前同步时钟，保持采集的起始触发时刻同时即可；所以在传感器物理层收到帧起始界定符起触发中断，而中断响应读取到计数值的延迟时间会在12个时钟周期以内，以200MHz的CPU时钟为例，时间间隔为60ns，各个从传感器之间的采样触发时刻差异会在60ns以内，因此采集节点开始采集前通过在物理层检测帧起始界定符产生的中断信号，会提供更精确的同步信号。

由于从传感器各自的时钟不同，导致各从传感器进行数据采集的频率并不完全一致，各个传感器以相同的采样频率完成一段采样长度的(N个数据点)数据采集，即采样过程中同步，还包括以下步骤：

如图5所示，在采样开始之前，主传感器连续发送广播信号，连续两个相邻广播信号发送的时间差由主传感器设定，假设两次发送之间的时间差为Δt，即两个帧起始界定符之间的参考标准时差为Δt。各个从传感器的主CPU收到通过帧起始界定符触发的外部中断后，通过读取计数器的计数值，将连续两次计数器计数值的差，乘以计数器的计数时间间隔，即为测定计数器的计数周期，记作Δti，则有：

Δd＝Δti-Δt

其中，Δd为第i个传感器由于晶振误差而引入的时间偏差。

采样频率的输出是通过计数器控制的PWM输出，计A个数据输出一个采样脉冲，根据设定的计数值A有一个固定的采样频率，但由于各个传感器之间的晶振有着微小的偏差，会导致同样的计数值A，不同传感器PWM输出的实际采样频率会有不同，如图6所示，从传感器设置计数器的计数值为A得到的采样频率，从传感器i在N个周期后的采样频率累积误差为N*Δeti，需要补偿。

因此在A的基础上，加上通过时间偏差Δd计算的一个采样间隔里边需要补偿的计数个数A(Δd)，因此第i个从传感器生成的采样频率的计数器计数值设置为A+A(Δd)，如图7所示，从而保证各个从传感器实际输出的采样频率一致，连续采样过程中的各个传感器对应点之间同步。

本发明在硬件上通过中断快速响应来保证采样开始时刻的同步，减少通过现有技术实现同步时复杂的网络层次结构带来的累积误差影响；无需让各个传感器之间时间上时时一致，而是在需要进行同步采集时，使多传感器之间的数据采集同时触发、同步采集，通过硬件中断的快速响应，减少现有技术对时过程的通信层次结构的影响，相对现有技术提高了数据采集的同步精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。例如，为了使各从传感器的主CPU的采样频率保持一致，本实施例中通过主传感器发送包含其的同步信号，将各从传感器的主CPU的采样频率发送至各从传感器；作为其他实施方式，各从传感器的主CPU的采样频率还可以通过预设保持一致。

又如，本实施例中的从传感器的主处理器和副处理器采用的是CPU，作为其他实施方式还可采用微处理器，如ARM等，还可以是可编程芯片，如FPGA、DSP等。

方法实施例：

本实施例提供一种主从式无线传感器的数据同步采集方法，主传感器用于以无线广播形式向各从传感器的副处理器发送同步信号，该同步信号中包括主传感器发送同步信号时的时间信息。

对于各从传感器，其副处理器的物理层接收到同步信号时，物理层解析出同步信号的帧头，并根据该帧头向主处理器发送中断信号；各主处理器根据接收的中断信号进行同步采集。

由于上述方法的介绍在系统实施例中已经足够清楚完整，故本实施例不再详细进行描述。

Claims (8)

1.一种主从式无线传感器的数据同步采集方法，其特征在于，主传感器分别与各从传感器通信连接，各从传感器均包括主处理器和副处理器，该方法包括以下步骤：

主传感器向各从传感器的副处理器发送同步信号，该同步信号中包括主传感器发送同步信号时的时间信息；

各从传感器的副处理器中的物理层接收到所述同步信号时，物理层解析出同步信号的帧头，并根据该帧头向主处理器发送中断信号；各主处理器根据接收的中断信号进行同步采集。

2.根据权利要求1所述的主从式无线传感器的数据同步采集方法，其特征在于，所述帧头包含有帧起始界定符，该帧起始界定符的状态位输出引脚与主处理器的外部中断引脚连接，用于根据帧起始界定符的状态输出所述中断信号。

3.根据权利要求2所述的主从式无线传感器的数据同步采集方法，其特征在于，在同步采集开始前，主传感器连续发送同步信息，各从传感器的主处理器计算由于传感器的晶振导致的时间偏差，并根据该时间偏差对同步采样过程中的采样频率进行修正。

4.根据权利要求3所述的主从式无线传感器的数据同步采集方法，其特征在于，所述时间偏差的计算公式如下：

Δd＝Δti-Δt

式中，Δd为所述时间偏差，Δti为从传感器的主处理器收到主传感器发送的两个相邻同步信息后，计算得到两个相邻同步信息的时差，Δt为主传感器发送相邻两个同步信号的时差。

5.一种主从式无线传感器的数据同步采集系统，其特征在于，主传感器分别与各从传感器通信连接，各从传感器均包括主处理器和副处理器，其中，主传感器用于向各从传感器的副处理器发送同步信号，该同步信号中包括主传感器发送同步信号时的时间信息；

对于各从传感器，其副处理器中的物理层接收到所述同步信号时，物理层解析出同步信号的帧头，并根据该帧头向主处理器发送中断信号；各主处理器根据接收的中断信号进行同步采集。

6.根据权利要求5所述的主从式无线传感器的数据同步采集系统，其特征在于，所述帧头包含有帧起始界定符，该帧起始界定符的状态位输出引脚与主处理器的外部中断引脚连接，用于根据帧起始界定符的状态输出所述中断信号。

7.根据权利要求6所述的主从式无线传感器的数据同步采集系统，其特征在于，在同步采集开始前，主传感器连续发送同步信息，各从传感器的主处理器计算由于传感器的晶振导致的时间偏差，并根据该时间偏差对同步采样过程中的采样频率进行修正。

8.根据权利要求7所述的主从式无线传感器的数据同步采集系统，其特征在于，所述时间偏差的计算公式如下：

Δd＝Δti-Δt

式中，Δd为所述时间偏差，Δti为从传感器的主处理器收到主传感器发送的两个相邻同步信息后，计算得到两个相邻同步信息的时差，Δt为主传感器发送相邻两个同步信号的时差。