CN111510876B - 基于uwb技术的无线传感系统时钟同步方法、接收端系统及发射端系统 - Google Patents

基于uwb技术的无线传感系统时钟同步方法、接收端系统及发射端系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及无线传感网络传输技术领域，尤其涉及基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法、接收端系统及发射端系统，该方法包括接收端RX收到采集指令；接收端RX读取时钟时间并为所述采集指令打上时间戳T；接收端RX通过UWB无线信号发送所述采集指令至发射端TX；发射端TX接收到所述采集指令后，等时间间隔发送采样同步信号至传感器；根据总延时时间，同步传感器采集时间；所述系统应用该方法。本申请提供的基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法、接收端系统及发射端系统，其基于UWB技术，结合简单的延时计算和高频采样实现时钟同步，时钟同步精度更高，提升了数据采集的时效性。

Description

基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法、接收端系统及发 射端系统
技术领域
本申请涉及无线传感网络传输技术领域，尤其涉及基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法、接收端系统及发射端系统。
背景技术
无线传感网络通过无线通信技术把不同的传感器节点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式，网络设置灵活，设备位置可以随时更改。相较于有线传感网络来说，优势在于组建快速，不受外界条件限制、网络拓扑自适应性强，节点分散式控制管理，鲁棒性好，安全性高。
其中，传感器节点采集的信息具有时序性，即用户需要了解采集事件发生的时刻和先后关系。因此，无线传感器网络通常必须支持时间同步，即节点具有全局的时钟，而且，同步精度越高越有利于对数据的收集、处理的时效性。目前主要采用PTP 或NTP 方式实现时钟同步，时钟同步精度仍然不足。
发明内容
本申请的目的在于提供基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法、接收端系统及发射端系统，其基于UWB 技术，结合简单的延时计算和高频采样实现时钟同步，时钟同步精度更高，提升了数据采集的时效性。
本申请是通过以下技术方案实现的：
基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法，包括：
接收端RX 收到采集指令；
接收端RX 读取时钟时间并为所述采集指令打上时间戳T；
接收端RX 通过UWB 无线信号发送所述采集指令至发射端TX，接收端RX 从收到采集指令到发送采集指令历时T1，接收端RX 发送所述采集指令至发射端TX 的传输时间记为T2；
发射端TX 接收到所述采集指令后，等时间间隔发送采样同步信号至传感器，其中，发射端TX 接收到所述采集指令到发送第一个采样同步信号历时T3，记所述时间间隔为1/f，即传感器第n 次发送信息的总延时时间为T1+T2+T3+n/f；
根据总延时时间，同步传感器采集时间为T+T1+T2+T3+n/f。
如上所述的基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法，所述T1 由接收端RX 内部时钟设定。
如上所述的基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法，接收端RX 通过对发射端TX 连续发送基础同步信号实现对接收端RX 内部时钟和发射端TX 内部时钟的同步校准。
如上所述的基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法，每个传感器分配有唯一的ID，发射端TX 通过枚举方式发现所有的传感器，并通过轮询方式逐个校准发射端TX 与每个传感器之间的距离。
如上所述的基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法，传感器由定时器按设定频率唤醒后完成时钟校准和信息采集，并将采集到的信息保存，等待发射端TX 轮询时上传最近一次保存的采集信息。
如上所述的基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法，传感器在被唤醒前处于休眠状态，无需对时。
本申请还提供基于UWB 技术的无线传感接收端系统，包括：
第一指令接收模块，用于收到采集指令；
确时模块，用于读取时钟时间并为所述采集指令打上时间戳T；
第一指令发送模块，用于通过UWB 无线信号发送所述采集指令至发射端TX，其中，接收端RX 从收到采集指令到发送采集指令历时T1，接收端RX 发送所述采集指令至发射端TX 的传输时间记为T2。
如上所述的基于UWB 技术的无线传感接收端系统，还包括接收端内部时钟校准模块，用于通过对发射端TX 连续发送基础同步信号实现对接收端RX 内部时钟和发射端TX内部时钟的同步校准。
本申请还提供基于UWB 技术的无线传感发射端系统，包括：
第二指令接收模块，用于接收到所述采集指令；
第二指令发送模块，用于等时间间隔发送采样同步信号至传感器；
同步计算模块，用于计算总延时时间，所述总延时时间为接收端RX 从收到采集指令到发送采集指令历时、接收端RX 发送所述采集指令至发射端TX 的传输时间、发射端TX接收到所述采集指令到发送第一个采样同步信号历时、发送采样同步信号至传感器的时间间隔四者的相加。
如上所述的基于UWB 技术的无线传感发射端系统，还包括：
发射端内部时钟校准模块，用于接收接收端RX 连续发送的基础同步信号实现发射端TX 内部时钟的同步校准；
ID 分配模块，用于为每个传感器分配唯一的ID；
传感器发现模块，用于通过枚举方式发现所有的传感器；
轮询模块，用于通过轮询方式逐个校准发射端TX 与每个传感器之间的距离。
与现有技术相比，本申请有如下优点：
本申请实施例基于UWB 技术，结合简单的延时计算和高频采样实现时钟同步，时钟同步精度更高，提升了数据采集的时效性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为本申请实施例所述基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法的信号传输关系示意图。
图2 为本申请实施例所述基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法的流程框图。
图3 为本申请实施例所述基于UWB 技术的无线传感接收端系统的系统框图。
图4 为本申请实施例。所述基于UWB 技术的无线传感发射端系统的系统框图。
具体实施方式
为了使本申请所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1 至图2 所示，本申请实施例提出基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法，包括以下步骤：
S1，接收端RX 收到采集指令。
S2，接收端RX 读取时钟时间并为所述采集指令打上时间戳T。
S3，接收端RX 通过UWB 无线信号发送所述采集指令至发射端TX，接收端RX 从收到采集指令到发送采集指令历时T1，接收端RX 发送所述采集指令至发射端TX 的传输时间记为T2；其中，所述T1 由接收端RX 内部时钟设定，其精度也由接收端RX 内部时钟决定，T2由传输距离决定，可采用双向双边测距算法在线测量接收端RX 与发射端TX 之间的距离，根据无线电信号传输速度为光速，得出传输时间T2。
S4，发射端TX 接收到所述采集指令后，等时间间隔发送采样同步信号至传感器，其中，发射端TX 接收到所述采集指令到发送第一个采样同步信号历时T3，记所述时间间隔为1/f，即传感器第n 次发送信息的总延时时间为T1+T2+T3+n/f；其中，T3 为发射端TX 内部时钟控制的延时，因此其精度由发射端TX 内部时钟精度决定，采样同步信号发送时间间隔n/f 根据传感器信息采集频率和传感器内部时钟的精度确定，当f 越大，n/f 越小，采样同步信号发送时间间隔越短，同步精度越高。
S5，根据总延时时间，同步传感器采集时间为T+T1+T2+T3+n/f。
可见，传感器采集时间精度主要受T1、内部时钟的精度和处理器运算速度影响，相应地，接收端RX 和发射端TX 采用主频480MHz的Stm32H750 处理器，主频高且高精度有源温补晶振，接收端RX、发射端TX、传感器内部时钟均采用DW1000 芯片时钟，采用时钟频率64GHz，分辨率15.65 PS。保证UWB 无线通信对时链路实现亚ns 级的时钟同步精度。
本无线传感系统时钟同步方法采用UWB 通信技术，实现传感网络的组建，由于UWB技术具有数据传输速率高、抗多径干扰能力强、功耗低、穿透能力强、截获率低、定位精度高等优点，可实现皮秒级时钟同步。所述无线传感系统时钟同步方法基于UWB 技术，结合简单的延时计算和高频采样实现时钟同步，时钟同步精度更高，提升了数据采集的时效性。
优选地，接收端RX 通过对发射端TX 连续发送基础同步信号实现对接收端RX 内部时钟和发射端TX 内部时钟的同步校准。该方式可以校准接收端RX 内部时钟和发射端TX内部时钟，提升后续运算的同步精度。
本实施例中，信号之间的传输采用SPI 转LVDS 差分信号传输方式，实现了板间互连，以及一主多从的板间通信接口，在控制层面，每个传感器分配有唯一的ID，如8 位地址或16 位地址，以实现与某个特定的传感器进行数据交互，上电后发射端TX 通过枚举方式发现所有的传感器，并通过轮询方式逐个校准发射端TX 与每个传感器之间的距离。如图1所示，Respontime 为传感器的响应时间，Replaytime为发射端TX 发出信号至收到传感器反馈信号的时间， 则（Replaytime-Respontime）/2 为发射端TX 与其中一个传感器的传输时间。该技术方案实现更容易，且处理过程更加简单快速。
进一步地，传感器由定时器按设定频率唤醒后完成时钟校准和信息采集，并将采集到的信息保存，等待发射端TX 轮询时上传最近一次保存的采集信息。其中，传感器在被唤醒前处于休眠状态，无需对时。处于休眠状态的传感器耗能极低，该方案能够保证传感器采集频率和精度的同时耗能更低，传感器的寿命更长。
在轮询过程中，发射板TX 在固定时间间隔广播所述采样同步信号，传感器在连续接收两帧所述采样同步信号后完成传感器内部时钟的校准并开始上传最近一次保存的采集信息。该方式可以进一步提升内部时钟的精度，且有效防止发生误上传操作。
参见图3，是本发明一实施例提供的基于UWB 技术的无线传感接收端系统的示意图。其包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个基于UWB 技术的无线传感系统时钟同步方法实施例中的步骤。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述基于UWB 技术的无线传感接收端系统中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成如下模块：
第一指令接收模块，用于收到采集指令；
确时模块，用于读取时钟时间并为所述采集指令打上时间戳T；
第一指令发送模块，用于通过UWB 无线信号发送所述采集指令至发射端TX，其中，接收端RX 从收到采集指令到发送采集指令历时T1，接收端RX 发送所述采集指令至发射端TX 的传输时间记为T2；
接收端内部时钟校准模块，用于通过对发射端TX 连续发送基础同步信号实现对接收端RX 内部时钟和发射端TX 内部时钟的同步校准。
同理，如图4，本发明一实施例还提供基于UWB 技术的无线传感发射端系统，其包括如下模块：
第二指令接收模块，用于接收到所述采集指令；
第二指令发送模块，用于等时间间隔发送采样同步信号至传感器；
同步计算模块，用于计算总延时时间，所述总延时时间为接收端RX 从收到采集指令到发送采集指令历时、接收端RX 发送所述采集指令至发射端TX 的传输时间、发射端TX接收到所述采集指令到发送第一个采样同步信号历时、发送采样同步信号至传感器的时间间隔四者的相加；
发射端内部时钟校准模块，用于接收接收端RX 连续发送的基础同步信号实现发射端TX 内部时钟的同步校准；
ID 分配模块，用于为每个传感器分配唯一的ID；
传感器发现模块，用于通过枚举方式发现所有的传感器；
轮询模块，用于通过轮询方式逐个校准发射端TX 与每个传感器之间的距离。
上述系统可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是示例，并不构成对相应系统的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable GateArray，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是上述系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个系统的各个部分。
如上所述是结合具体内容提供的一种或多种实施方式，并不认定本申请的具体实施只局限于这些说明。凡与本申请的方法、结构等近似、雷同，或是对于本申请构思前提下做出若干技术推演，或替换都应当视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法，其特征在于，包括：
接收端RX收到采集指令；
接收端RX读取时钟时间并为所述采集指令打上时间戳T；
接收端RX通过UWB无线信号发送所述采集指令至发射端TX，接收端RX从收到采集指令到发送采集指令历时T1，接收端RX发送所述采集指令至发射端TX的传输时间记为T2；
发射端TX接收到所述采集指令后，等时间间隔发送采样同步信号至传感器，其中，发射端TX接收到所述采集指令到发送第一个采样同步信号历时T3，记所述时间间隔为1/f，即传感器第n次发送信息的总延时时间为T1+T2+T3+n/f；
根据总延时时间，同步传感器采集时间为T+T1+T2+T3+n/f。
2.根据权利要求1所述的基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法，其特征在于，所述T1由接收端RX内部时钟设定。
3.根据权利要求1所述的基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法，其特征在于，接收端RX通过对发射端TX连续发送基础同步信号实现对接收端RX内部时钟和发射端TX内部时钟的同步校准。
4.根据权利要求1所述的基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法，其特征在于，每个传感器分配有唯一的ID，发射端TX通过枚举方式发现所有的传感器，并通过轮询方式逐个校准发射端TX与每个传感器之间的距离。
5.根据权利要求4所述的基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法，其特征在于，传感器由定时器按设定频率唤醒后完成时钟校准和信息采集，并将采集到的信息保存，等待发射端TX轮询时上传最近一次保存的采集信息。
6.根据权利要求5所述的基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法，其特征在于，传感器在被唤醒前处于休眠状态，无需对时。
7.一种用于实现权利要求1-6任一项所述的基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法的无线传感接收端系统，其特征在于，包括：
第一指令接收模块，用于收到采集指令；
确时模块，用于读取时钟时间并为所述采集指令打上时间戳T；
第一指令发送模块，用于通过UWB无线信号发送所述采集指令至发射端TX，其中，接收端RX从收到采集指令到发送采集指令历时T1，接收端RX发送所述采集指令至发射端TX的传输时间记为T2。
8.根据权利要求7所述的基于UWB技术的无线传感接收端系统，其特征在于，还包括接收端内部时钟校准模块，用于通过对发射端TX连续发送基础同步信号实现对接收端RX内部时钟和发射端TX内部时钟的同步校准。
9.一种用于实现权利要求1-6任一项所述的基于UWB技术的无线传感系统时钟同步方法的无线传感发射端系统，其特征在于，包括：
第二指令接收模块，用于接收到采集指令；
第二指令发送模块，用于等时间间隔发送采样同步信号至传感器；
同步计算模块，用于计算总延时时间，所述总延时时间为接收端RX从收到采集指令到发送采集指令历时、接收端RX发送所述采集指令至发射端TX的传输时间、发射端TX接收到所述采集指令到发送第一个采样同步信号历时、发送采样同步信号至传感器的时间间隔四者的相加。
10.根据权利要求9所述的无线传感发射端系统，其特征在于，还包括：
发射端内部时钟校准模块，用于接收接收端RX连续发送的基础同步信号实现发射端TX内部时钟的同步校准；
ID分配模块，用于为每个传感器分配唯一的ID；
传感器发现模块，用于通过枚举方式发现所有的传感器；
轮询模块，用于通过轮询方式逐个校准发射端TX与每个传感器之间的距离。
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